發(fā)動(dòng)機(jī)氣門積碳問(wèn)題的解決方法研究

鄧發(fā)平

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘５拇焦ぞ撸捎趽矶碌慕煌窙r，汽車不能完全發(fā)揮它的性能，只能低速行駛。同時(shí)，又因汽油中不可避免存在某些添加劑（如抗爆劑等），可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量的積碳及金屬顆粒化合物，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。在我國(guó)民用汽車市場(chǎng)發(fā)展初期，大多都是從日本引進(jìn)的產(chǎn)品，當(dāng)時(shí)，日本設(shè)計(jì)汽車?yán)砟顬樵O(shè)計(jì)高速發(fā)動(dòng)機(jī)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其出力越好，燃燒越充分[1]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況是：駕駛汽車多為低速行駛，且單次行駛里程不是太長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)并未完全熱透。研究解決因設(shè)計(jì)工況與使用工況差異，導(dǎo)致氣門積碳后氣門關(guān)閉不嚴(yán)，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)滑行熄火問(wèn)題。

1 問(wèn)題闡述

據(jù)市場(chǎng)反饋，某型發(fā)動(dòng)機(jī)有滑行熄火的現(xiàn)象，故障比例約0.8%左右，故障現(xiàn)象為在行駛過(guò)程中，換擋踩離合回油門時(shí)，整車出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，熄火后啟動(dòng)困難。更換和調(diào)整噴油器、節(jié)氣門體、火花塞和全部的電器件，均無(wú)法解決問(wèn)題，市場(chǎng)維修店對(duì)此故障的維修方法全部是拆缸蓋總成并研磨氣門，但研磨后行使一個(gè)月左右，故障又再現(xiàn)。經(jīng)對(duì)故障機(jī)進(jìn)一步分析，產(chǎn)生滑行熄火的原因?yàn)楦咨w與排氣門密封不嚴(yán)、排氣門漏氣，對(duì)故障機(jī)缸蓋總成密封性檢查，排氣門漏氣輕微（圖1）。對(duì)缸蓋總成進(jìn)一步拆解后發(fā)現(xiàn)，排氣門桿部（氣門導(dǎo)管下端插入部分）附著大顆粒積炭及其他紅色顆粒（圖2）。將故障機(jī)更換新的排氣門后，故障排除。

圖1 氣門積碳情況

圖2 氣門積碳情況

2 故障再現(xiàn)

取故障發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)一臺(tái)，更換到一臺(tái)正常的整車上，各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整到出廠狀態(tài)，按正常行駛狀態(tài)進(jìn)行故障再現(xiàn)測(cè)試。

經(jīng)測(cè)試：在外界溫度5 益、怠速熱機(jī)3 min、機(jī)油溫度為45 益時(shí)開始測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同機(jī)油溫度和車速下的故障再現(xiàn)情況

由表1 所測(cè)試的結(jié)果可知：機(jī)油溫度高于80 益后，滑行熄火故障逐漸改善，機(jī)油溫度越高，越不容易熄火。測(cè)試完成后單獨(dú)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速節(jié)氣門后負(fù)壓，負(fù)壓值在-60 kPa 左右，相對(duì)出廠新車偏高（新車：-90 耀-70 kPa）。

將發(fā)動(dòng)機(jī)吹冷后更換全新的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋組合，按上一次工況重新測(cè)試，以排查故障是否與缸蓋組合有關(guān)，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 更換缸蓋組合后不同機(jī)油溫度和車速下的故障再現(xiàn)情況

由表2 可知：通過(guò)更換新的缸蓋組合，滑行熄火故障現(xiàn)象消失，可以判定故障源頭應(yīng)為缸蓋組合，非缸蓋以下零件因素。完成測(cè)試后單獨(dú)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速節(jié)氣門后負(fù)壓，負(fù)壓為值-85 kPa，與新車相當(dāng)，判定為正常值。

經(jīng)拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，燃燒室和活塞頂部有過(guò)多的積碳，將拆下的故障缸蓋組合檢測(cè)燃燒室密封性，排氣門有輕微滲漏。在故障缸蓋組合中更換上全新排氣門。按以上工況重新測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 更換缸蓋組合中排氣門后的故障再現(xiàn)情況

由表3 可知：通過(guò)進(jìn)一步換件排查，在同一故障缸蓋組合中更換排氣門后故障現(xiàn)象消除。故可以鎖定造成滑行熄火現(xiàn)象的故障件是排氣門。

完成測(cè)試后單獨(dú)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速節(jié)氣門后負(fù)壓，負(fù)壓為值-84 kPa，與新車相當(dāng)，判定為正常值。

現(xiàn)對(duì)故障排氣門檢測(cè)，故障氣門檢測(cè)示意圖如圖3，檢測(cè)結(jié)果見表4。

圖3 檢測(cè)部位

表4 故障氣門檢測(cè)結(jié)果

由表4 可知：氣門桿部A 處直徑方向尺寸變大，該尺寸的變大造成與氣門導(dǎo)管的配合間隙減小。檢測(cè)氣門桿部變大的原因，發(fā)現(xiàn)A 處插入導(dǎo)管7 mm 段氣門桿部附著較多的積碳和紅色金屬顆粒。

使用細(xì)砂紙對(duì)氣門桿部研磨，清除桿部積碳和紅色金屬顆粒后，重新裝回原缸蓋，并在整車上按相同工況驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 復(fù)裝研磨后的氣門測(cè)試結(jié)果

由表5 可知：從本次測(cè)試結(jié)果可以推定，造成滑行熄火的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門桿部因附著積碳及其他顆粒物造成桿部直徑變大所致。

綜合以上幾次測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本故障發(fā)生的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生過(guò)多的積碳和汽油添加劑里面的金屬顆粒，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后排氣時(shí)附著在排氣門桿部，并隨氣門桿進(jìn)入導(dǎo)管。造成氣門導(dǎo)管與氣門敢的配合間隙減小，增大了排氣門的回位阻力，其阻力一旦超過(guò)氣門彈簧的回位彈力，氣門回位減慢，造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)排氣門漏氣，導(dǎo)致熄火故障。

3 故障源頭分析

從以上幾個(gè)故障換件的再現(xiàn)試驗(yàn)可以看出，造成滑行熄火的主要原因是排氣門桿部直徑變大，造成排氣門回位卡滯。進(jìn)一步分析卡滯的原因發(fā)現(xiàn)主要是以下3 點(diǎn)：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生過(guò)多的積碳；

（2）汽油抗爆劑燃燒后產(chǎn)生的紅色金屬顆粒；

（3）積碳和金屬顆粒進(jìn)入導(dǎo)管。

3.1 積碳和金屬顆粒的產(chǎn)生

故障機(jī)型其最大出力點(diǎn)在5500 r/min 左右，而用戶的使用多在2000 r/min 左右，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不夠充分。再則，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用工況，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越高，燃燒越充分，而用戶在使用該車時(shí)，多為短途行駛，在使用過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)未達(dá)到其合理的工作溫度，同時(shí)故障發(fā)動(dòng)機(jī)使用的工作環(huán)境的濕度都比較大，汽油不能正常霧化，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，從而產(chǎn)生過(guò)多的積碳。

另外，燃油抗爆劑MMT 的過(guò)量使用，對(duì)火花塞也有較大的影響，造成火花塞火弱，燃燒不完全。產(chǎn)生過(guò)多積碳。

MMT 是Methylcyclopentadienyl Manganese Tricar原bonyl 的縮寫[2]，學(xué)名叫“甲基環(huán)戊二烯三羰基錳”，是一種汽油燃油添加劑，它是一種有機(jī)金屬液態(tài)化合物，常溫下為液體，能與油品進(jìn)行很好的兼容，在密閉黑暗的環(huán)境下不分解，但見光分解出紅色的沉淀物。1959年美國(guó)的乙基（Ethyl）公司先向市場(chǎng)推出MMT產(chǎn)品，因其能顯著提高燃料的抗爆性，1974年MMT作為單獨(dú)的汽油抗爆劑開始投入應(yīng)用。

MMT 的燃料排放物是一種直徑分布范圍在0.1 耀0.4 滋m 的微小猛的金屬顆粒，與鉛的排放物大小相似，這些微小顆粒容易沉淀在燃燒室內(nèi)壁，氣門和火花塞的電極及陶瓷絕緣體上，這些暴漏在燃燒室內(nèi)的零部件表面形成紅色的沉淀物，這種紅色的沉淀物在溫度大約700 益以后開始熔融導(dǎo)電，容易造成火花塞短路，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用含有MMT 添加劑的汽油時(shí)，MMT燃燒后產(chǎn)生的錳和錳的氧化物顆粒就會(huì)不斷的沉積在火花塞和發(fā)動(dòng)機(jī)其他零部件上，隨著時(shí)間增加，這種沉淀物會(huì)逐漸加厚，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，火花塞的絕緣體的溫度達(dá)到700 益，附著在絕緣體上的紅色錳和錳的氧化物沉積物開始導(dǎo)電，此時(shí)在火花塞兩個(gè)電極間就不在跳火，電火花沿著絕緣體表面跳火到鐵殼內(nèi)部，形成絕緣體表面閃絡(luò)火花，造成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒延遲，燃燒不充分。

通過(guò)對(duì)滑行熄火故障排氣門桿部紅色顆粒分析，與MMT 燃燒后產(chǎn)生的化合物成分基本一致，從以上分析，使用含添加劑過(guò)多的燃油，產(chǎn)生過(guò)多的金屬顆粒，附著在排氣門桿部。從而隨氣門桿帶入與導(dǎo)管配合段。附著物成分檢測(cè)見表6。

表6 排氣門桿部附著物檢測(cè)結(jié)果

由表6 可知：附著物中的Ca、Mn、Zn 等元素與燃油抗爆劑MMT 的含量和成分基本一致。

3.2 積碳和金屬顆粒的進(jìn)入導(dǎo)管

從理論上分析，氣門導(dǎo)管與氣門的配合間隙僅為0.030 耀0.057 mm，氣門在導(dǎo)管內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣門導(dǎo)管可以掛掉附著氣門桿上的積碳或其他雜物，但事實(shí)并非如此。調(diào)查對(duì)比其他不發(fā)生滑行熄火的競(jìng)品機(jī)型氣門導(dǎo)管的配合情況，調(diào)查結(jié)果見表7，結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 缸蓋氣門導(dǎo)管的主要結(jié)構(gòu)

表7 競(jìng)品導(dǎo)管相關(guān)尺寸調(diào)查結(jié)果

由表7 可知：與其它競(jìng)品機(jī)型相比，本故障機(jī)排氣門導(dǎo)管裸露在氣道的長(zhǎng)度最長(zhǎng)，為9 mm，而其他機(jī)型均在5.5 mm 左右，由于排氣道的溫度較高，最高達(dá)800 益，在這種溫度下，氣門導(dǎo)管的膨脹量是氣門的二倍，在熱態(tài)下，兩者的間隙翻倍，從而導(dǎo)致積碳和其他顆粒進(jìn)入氣門和導(dǎo)管的配合段，且氣門導(dǎo)管裸露太長(zhǎng)，散熱效果也不好。隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，其附在氣門配合往復(fù)段的積碳厚度會(huì)越來(lái)越厚，熱態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門和導(dǎo)管間隙始終是正常，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)，導(dǎo)管收縮，兩者的配合間隙大大減小，從而冷機(jī)氣門回位的阻力加大，造成氣門回位不良，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)滑行熄火。

4 方案及其理論分析

4.1 方案的提出

基于以上分析，對(duì)策方案必須要達(dá)到防止積碳或錳的氧化物隨氣門往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)管配合部效果，即：減小發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)下工作時(shí)氣門和導(dǎo)管的配合間隙，使導(dǎo)管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)起到刮除積碳或錳的氧化物的作用[3]。減小熱態(tài)下氣門導(dǎo)管和氣門的配合間隙?？捎幸韵聦?duì)策方案：

（1）更換氣門導(dǎo)管的材料，減小氣門導(dǎo)管的熱膨脹系數(shù)

從目前情況看，該種材料已普及到汽車、汽車，如果更換導(dǎo)管材料，成本有明顯提高，再則需重新試驗(yàn)認(rèn)證，周期較長(zhǎng)，故可執(zhí)行性不高。

（2）提高氣門導(dǎo)管的散熱能力，減小導(dǎo)管的熱膨脹量

參照市場(chǎng)競(jìng)品機(jī)型，排氣門導(dǎo)管的裸露在氣道中的長(zhǎng)度減小，鋁的散熱能力是鋼材的2 耀3 倍，而且用鋁包住導(dǎo)管，在熱態(tài)下導(dǎo)管不容易膨脹，具體的對(duì)策方案如圖5 所示。

圖5 對(duì)策方案

4.2 優(yōu)化前后氣道CFD 數(shù)值模擬分析[4]

基于Converge 對(duì)氣門升程為4 mm、6 mm、8 mm 開發(fā)度時(shí)的排氣道流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值仿真分析，以對(duì)比在相同開度時(shí)優(yōu)化前后氣道內(nèi)氣體流動(dòng)情況，評(píng)估優(yōu)化對(duì)排氣道的影響情況；進(jìn)出口采用壓力邊界，設(shè)定進(jìn)出口壓差為5 kPa，壁面采用絕熱無(wú)滑移邊界。

氣道流量系數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣道結(jié)構(gòu)的流通能力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)；無(wú)量綱流量系數(shù)定義為過(guò)氣門座的實(shí)際氣體流量與理論氣體流量之比,表征在不同氣門升程下氣流通過(guò)氣道的能力，計(jì)算式為：

式中：Q 為通過(guò)氣道的實(shí)際空氣量；A 為進(jìn)氣閥內(nèi)孔的面積；n 為排氣閥的數(shù)量；V0為氣門座處的理論進(jìn)氣速度；

氣道布置如圖4 所示，在模擬排氣道流動(dòng)情況時(shí)，進(jìn)氣門完全關(guān)閉，因此氣道布置模型可簡(jiǎn)化為圖6 所示的仿真模型。

圖6 簡(jiǎn)化前后模型對(duì)比

不同氣門升程下優(yōu)化前后的排氣道氣門桿中心線截面氣體速度矢量圖如圖7、8、9 所示。

圖7 4 mm 升程優(yōu)化前后過(guò)氣門桿中心線截面流速分布

從以上仿真分析結(jié)果來(lái)看，在上述氣門升程下，氣體流速幾乎沒(méi)有變化。

圖8 6 mm 升程優(yōu)化前后過(guò)氣門桿中心線截面流速分布

圖9 8 mm 升程優(yōu)化前后過(guò)氣門桿中心線截面流速分布

對(duì)于新改進(jìn)后缸蓋，采用氣道流量系數(shù)測(cè)試臺(tái)，測(cè)試在不同氣門升程的流量系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見表8。

表8 在不同升程下排氣道流量系數(shù)對(duì)比

由表8 可知：從流量系數(shù)來(lái)看相差均小于2%，可以認(rèn)為流量系數(shù)無(wú)變化；綜合以上理論分析結(jié)果，可認(rèn)為方案可行。

5 方案的實(shí)車驗(yàn)證

5.1 常溫積碳試驗(yàn)

根據(jù)市場(chǎng)故障表現(xiàn)，在未采取零部件設(shè)計(jì)變更對(duì)策前、僅研磨氣門，一個(gè)月后故障再現(xiàn)的特點(diǎn)，按照用戶實(shí)際使用工況，在不同時(shí)間分別在湖北襄陽(yáng)、河北保定、黑龍江漠河、海南?？陂_展實(shí)車驗(yàn)證工作。分別取原狀態(tài)沒(méi)有對(duì)策過(guò)的缸蓋與對(duì)策后的缸蓋開展對(duì)照試驗(yàn)，直至對(duì)策狀態(tài)與原狀態(tài)任何一臺(tái)出現(xiàn)三次以上滑行熄火現(xiàn)象后即終止試驗(yàn)，拆機(jī)測(cè)量氣門桿直徑的增大量。試驗(yàn)期間記錄最終行駛里程、試驗(yàn)期間的平均環(huán)境溫度。結(jié)果記錄見表9。

表9 各狀態(tài)下實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比情況

由表9的實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果可知：

（1）原狀態(tài)排氣門因附著添加劑顆粒、積碳等導(dǎo)致排氣門桿部積碳變化量普遍在15 滋m 以上，接近20 滋m，后續(xù)可以認(rèn)為15 滋m 是氣門直徑增大后發(fā)生滑行熄火的必要條件；

（2）從出現(xiàn)滑行熄火的情況來(lái)看，氣溫越低氣門桿徑變化越大、不發(fā)生滑行熄火的行程越短；

（3）改進(jìn)后的樣件可以大幅減小氣門桿的直徑增大量，變化量不超過(guò)2 滋m。

5.2 對(duì)策方案萬(wàn)有特性對(duì)比

實(shí)車驗(yàn)證后對(duì)策方案可大幅降低氣門積碳，對(duì)滑行熄火現(xiàn)象改善明顯。但需要驗(yàn)證對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、排放的影響。為此針對(duì)對(duì)策后的樣件開展了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性測(cè)試以及整車排放的對(duì)比；其結(jié)果如下：

萬(wàn)有特性測(cè)試結(jié)果顯示，在110 N·m 扭矩以下、油耗性能幾乎一致；在高負(fù)荷（超過(guò)110 N·m）的各轉(zhuǎn)速下性能有所差異，但排除測(cè)量誤差，各差異點(diǎn)的誤差均小于4%，符合國(guó)標(biāo)GB/T18297 的要求。故可認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性與原對(duì)策狀態(tài)一致；對(duì)策前后的萬(wàn)有特性如圖10 所示。

圖10 對(duì)策前后萬(wàn)有特性對(duì)比

5.3 排放結(jié)果對(duì)比

隨機(jī)抽取五臺(tái)整車，在對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)上更換對(duì)策后的缸蓋，與該車公告參數(shù)對(duì)比，選取5 臺(tái)中排放最惡劣的一臺(tái)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表10。

表10 實(shí)車排放結(jié)果對(duì)比

由表10 實(shí)車實(shí)車排放結(jié)果對(duì)比可知：對(duì)策方案與原狀態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)差異均在3%以內(nèi)，可以認(rèn)為對(duì)策狀態(tài)對(duì)整車排放無(wú)影響。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排氣道氣體流向及氣門導(dǎo)管的膨脹分析，提出了解決問(wèn)題的方法及今后缸蓋氣道的設(shè)計(jì)方向，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，盡量避免一些其他因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的不良影響（如汽油添加劑等）。積碳導(dǎo)致滑行熄火問(wèn)題的解決，可為下一步設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)及驗(yàn)證滑行熄火的試驗(yàn)方法。