柴油發動機燃油系統故障淺析

葛 銳

（安徽江淮納威司達柴油發動機有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

柴油機是一種壓縮式發火的內燃機，通過把熱能轉化為機械能的一種動力機械。它的基本工作原理是燃油直接在機體的氣缸中燃燒，將燃油的化學能轉化為熱能產生高溫高壓的燃氣，高溫高壓的燃氣膨脹做功，推動活塞運動，通過曲軸連桿對外做功，從而將燃油燃燒產生的熱能轉化成機械能。柴油機相比于蒸汽機熱效率高，經濟性好，機動性好，柴油機燃油系統是柴油機的心臟。低速、中速和高速柴油機都是利用高壓將適量燃油在上止點前的適當角度噴入燃燒室以提高柴油機的熱效率并降低廢氣排放。在對新型和老型柴油機升級改造的過程當中對燃油系統的設計必須提出更高的要求。

發動機燃油管路的布置對燃油系統的性能有重要的影響，合理的布置等于給系統加了保險。另外，從柴油機安全運行的角度考慮，由于柴油機的工作特性，在工作時振動大，且本體有多個部件處于高溫狀態，柴油機燃油系統組件的設計，特別是燃油管路的設計及供回油管線上接頭的結構設計，應考慮到泵及噴油器工作時將出現的最高峰值壓力，包括由燃油噴射泵產生并傳遞回供回油路的任何高壓脈沖，具有有效防止燃油滲漏的功能要求。

1 背景

目前市場的高端輕卡、中重卡以及商用車系列產品匹配的均為柴油發動機。一般柴油發動機采用的主要為電控共軌燃油系統，燃油管路設計結構如圖1。

進油管路：高壓油泵模塊集成的低壓輸油泵，從油箱吸取柴油，低壓油泵輸油至燃油濾清器，后進入高壓泵，燃油經過高壓油泵，經過高壓燃油管進入高壓共軌，再由共軌分配至各缸噴油器。

圖1 燃油管路設計結構

回油管路：有兩路回油，從燃油泵回油及從各缸噴油器回油。

回油參數：從燃油泵端回油壓力范圍為0.7～2.3bar（abs），最高溫度 130℃，從各缸噴油器回油壓力范圍為 1.9～2.9bar（abs），最高溫度150℃。

圖2 燃油管路設計結構

燃油回油管結構：噴油器與燃油回油管回油結構接口如圖 2，噴油器端回油接口與燃油回油管端回油接頭以一根橡膠管連接，在橡膠管兩端加卡箍緊固加強。

2 故障描述及臨時遏制措施

試驗室耐久試驗發現發動機缸蓋罩上有柴油，經排查為燃油回油管漏油，漏油位置位于燃油回油膠管與噴油器接頭連接處。如圖3。

圖3 回油管漏油故障現象

對發生的故障燃油管路進行排查，對試驗室故障機燃油回油管拆解檢查。檢查項如表1：

表1 故障系統拆解排查項

圖4 漏油橡膠管剖檢

對市場調查統計，排除信息不符合實際的情況反饋，對市場退回故障件進行拆檢，同樣發現燃油管破裂，另外對數據進行分析，有9例為更換噴油器后出現的漏油故障，即回油管二次裝配后出現的漏油。基本確認為燃油回油膠管破裂或回油管二次裝配導致。

結論：導致密封失效的故障為燃油回油管破裂導致。破裂原因初步分析為：a）拆裝/回油管二次裝配導致密封失效；b）或者發動機工作狀態下膠管兩端回油接頭刮擦割裂膠管。

臨時工藝改進措施：

1）所有機器燃油回油膠管不允許二次使用；

2）避免卡箍卡緊在接頭凸起處位置導致膠管擠壓剪切，要求卡箍安裝邊緣貼著膠管兩端，且要求膠管套入兩端接頭深度不小于11mm。

圖5 橡膠管與兩端金屬接頭安裝位置

對于已經發生燃油回油管管的市場和試驗室故障機器，采取更換燃油回油管總成的措施。工藝要求嚴格按照 2.3.2規定操作。

3 原因分析

為進一步確認失效模式，進行進一步分析如下：

為驗證是否由于回油接頭割傷燃油回油膠管導致燃油管破破裂，協同回油管供應商進行回油管端接頭進行過程割傷風險分析：

1）安排30件回油管端接頭與膠管裝配如圖6，裝配后拆檢，對膠管進行剖切。裝配僅由壓痕未發現膠管破損。

圖6 30件回油管端接頭與膠管裝配

2）安排10件回油膠管與回油管端回油接頭與膠管裝配后老化試驗，老化試驗條件為保溫箱100℃，24h。

結果：僅有壓痕，但未出現割破的現象。如圖7：

圖7 回油膠管與回油管端回油接頭老化試驗結果

3）安排10件回油膠管與噴油器端回油接頭與膠管裝配后老化試驗，老化試驗條件為保溫箱100℃，24h

結果：10件樣品中有4件出現膠管損壞，在發動機振動工況下有漏油風險。如圖8

圖8 回油膠管與噴油器端回油接頭老化試驗結果

4）安排對安裝不裝卡箍的回油膠管與噴油器端回油接頭套裝后進行老化試驗，老化試驗條件為保溫箱100℃，24h。

結果：壓痕相對有卡箍的要淺，沒有出現膠管割裂的現象，圖9：

圖9 回油膠管與噴油器端回油接頭（不安裝卡箍）老化試驗結果

結論：通過試驗驗證，得出結論，膠管破裂位置在噴油器端接頭與膠管連接處。

根本原因分析，對噴油器端回油接頭和回油管端回油接頭結構進行對比發現：噴油器端接頭存在倒角較小的尖角,且過渡不如回油管端接頭平緩，尖角存在易形成較大應力，切割膠管，若膠管材料沒有較大的抗剪切性能，易出現膠管破裂。

圖10 回油接頭結構對比

裝配時，由于噴油器端操作空間小，卡箍卡緊位置難以控制，導致卡箍直接卡在回油接頭尖角處，進一步加大的噴油器端接頭尖角割傷回油膠管的風險。如圖11：

圖11 膠管上的卡箍卡緊位置過于靠近接頭尖角

4 優化方案及驗證確認

根據上述分析：優化方案可從兩個角度進行。重新選擇抗剪切能力較強的膠管—提供 Conti膠管替代原現有膠管，同時采用規格10的卡箍（原為10.5），兩種膠管參數對不如下：

圖12 膠管結構對比

表3 膠管參數對比

優化接頭，優化噴油器端接頭—消去尖角避免對膠管形成過大剪切力。

在現有基礎上優化設計，僅消去尖角，保留現有其他結構尺寸。

圖13 接頭優化方案1

5 結論

本論文通過對柴油機燃油回油管滲漏油故障進行分析，針對問題點，逐步細化查找原因，綜合考慮產品應用及維護等方面，制定多種解決方案，依次驗證排除，經過充分的試驗驗證，得出最優的設計改進方案，將改進后的失效風險降至最低。對以后的故障解決和設計改進提供進經驗和方法。

a）產品設計過程中，對于同樣的功能結構，應保持產品一致性，以便于對同一種功能設計進行更充分的驗證。同樣的充分的驗證也保證了產品功能的可靠性；

b）產品設計及改進過程中，應綜合考慮成本、設計改動代價、產品維護、產品現有狀態存續期處理以及工藝性，在各類方案中權衡選取，力求以最小的改動達到最大的改進效果；

c）故障分析解決過程，需要遵循嚴格的分析流程，對故障解決方案進行充分的驗證，避免由于設計改動后，進一步加大了故障風險或引起其他系統的故障。

[1] 周龍寶.內燃機學.[M]機械工業出版社.

[2] 余晨光.柴油機燃油供給系統的故障與排除.[M]農機使用與維修2014.4.

[3] 朱雙艷.柴油機供油系設計方法研究與應用.吉林大學碩士學位論文2005.4.