IO-360-L2A型發動機氣門機構故障研究

曾彬 何強 黃濤 聶紹偉

摘要：氣門機構是發動機的重要部件，其工作性能直接影響發動機的工況。以賽斯納172R飛機所用的IO-360-L2A發動機為研究對象，闡述氣門機構工作原理，分析了氣門機構常見故障，如氣門卡阻、氣門燒蝕、氣門漏氣等，結合維護特點制定了氣門機構維護建議，對減少氣門機構故障具有重要意義。

關鍵詞：活塞發動機：氣門機構：氣門卡阻：氣門燒蝕

Keywords：piston engine；valve mechanism；valve sticking；valve ablation

*中國民用航空飛行學院基金項目：賽斯納172R飛機發動機汽缸常見故障及修復技術研究（J2016-08）

1 氣門概述

1.1 氣門工作原理

氣門是發動機的重要部件，分為進氣門和排氣門，主要由氣門頭、氣門頸、氣門桿以及氣門頂組成。進氣門的作用是將空氣和燃料吸入發動機內進行混合燃燒，排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出。目前，航空活塞發動機結構形式以萊康明發動機公司的中空鈉冷氣門和大陸集團的實心氣門為主。中空鈉冷氣門利用金屬鈉的相變過程將大量熱量從氣門頭導向氣門桿，然后經氣門導套傳向汽缸頭，汽缸頭通過散熱片由空氣散熱。

萊康明發動機公司生產的IO-360-L2A發動機進氣門桿是實心的，進氣門工作區域溫度比排氣門低，一般采用鉻、鎳或鎢鋼材料。排氣門主要采用鉻鎳鐵合金、鉻硅合金或鉻鈷合金制成（耐高溫、抗腐蝕、耐沖擊和磨損），排氣門桿為空心桿，內部填充部分金屬鈉，其熔點大約為208℉，氣門的上下運動使液態鈉在桿內循環，從而將氣門頭部的熱量傳遞到氣門桿，氣門桿又通過氣門導套將熱量分散到汽缸頭，汽缸頭通過散熱片由空氣散熱。這樣，氣門的溫度可以降低300℉～400℉（148℃～204℃）。

1.2 氣門機構組成

氣門機構包括凸輪軸、液壓挺桿、推桿、氣門搖臂、氣門、氣門座、氣門彈簧以及氣門導套。滾輪挺桿體在機匣內滑進滑出，將凸輪凸起的旋轉運動轉變為往復運動，然后將此運動傳遞到推桿、搖臂，最后傳給氣門桿端，按時打開氣門。氣門機構的工作過程可簡單描述為：凸輪軸轉動，使氣門離開氣門座，從而打開氣門，當凸輪凸峰離開挺桿，在氣門彈簧的彈力作用下氣門關閉，氣門和氣門座緊密接觸，并通過搖臂、推桿等將挺桿體貼到凸輪上。

當氣門處于全關位時，搖臂和氣門桿端之間的間隙定義為氣門間隙。氣門間隙的作用是保障氣門在關閉時與氣門座貼合嚴密，它影響著氣門開關的定時性、氣門的升程和氣門打開所延續的時間。維護手冊規定，IO-360-L2A型發動機的氣門間隙應在0.028～0.080in之間。氣門間隙過大或過小都會對發動機性能產生不良影響。氣門間隙過大使氣門晚開早關，減少了充填量，即減少了發動機的輸出功率，不利于汽缸頭的冷卻，同時還影響混合比，使慢車時混合比趨于過富油；氣門間隙過小使氣門早開晚關，易使進入汽缸的新鮮混合氣直接排入大氣，造成功率損失，使發動機經濟性變差，導致慢車時混合比趨于過貧油，小功率時造成回火。

2 氣門機構常見故障

根據歷年來的故障統計與分析，該型發動機氣門機構故障大多為氣門卡阻，其次氣門漏氣、氣門燒蝕現象也比較常見。

2.1 氣門卡阻

1）故障現象

一架賽斯納172R飛機自引進以來，其IO-360-L2A發動機多次發生氣門卡阻故障，嚴重影響飛行安全。

排氣門卡阻一般發生在巡航或下降階段改變油門位置的瞬間，冷發啟動時也容易發生。故障初期發動機有輕微瞬間抖動，后期瞬間抖動次數頻繁，轉速和進氣壓力下降，故障汽缸排氣溫度不顯示，汽缸頭溫度持續下降，排氣管放炮，冒黑煙。對發動機進行內部檢查可發現，故障汽缸的活塞上留有氣門與活塞撞擊后形成的月牙形凹坑。

此故障通常發生在2號缸和4號缸的排氣門上。排氣門卡阻后，排氣門卡阻的汽缸不工作，而其他汽缸正常工作，發動機就會出現持續抖動，排氣管冒黑煙。發生排氣門卡阻的EGT和CHT異常或無指示。

由于發動機氣門桿和氣門導套的膨脹速率不一樣，氣門與氣門導套的間隙變小，導致氣門往復移動時的摩擦阻力可能大于氣門彈簧的回復力，使氣門卡阻在氣門導套內，無法在設定的時機移動到規定的位置，造成氣門卡阻。

2）氣門卡阻與噴嘴堵塞的區別

通常采用地面試車和分解氣門機構的方法來判斷氣門卡阻，地面試車時發現某個汽缸的EGT迅速下降或無指示而其他汽缸無明顯變化時，可初步判斷是氣門卡阻（因氣門卡阻后該汽缸基本不工作）。然后對汽缸進行壓縮性試驗，如果輸出壓力在正常范圍內則可以排除氣門燒蝕的情況，再進一步分解氣門機構，檢查氣門是否發生了卡阻。

氣門卡阻現象與燃油噴嘴堵塞故障現象較為類似，其對比如表1所示。

3）氣門卡阻的關聯影響

維護經驗以及統計結果顯示，活塞發動機的氣門卡阻多發生在排氣門上，高發于7～10月，特別是進入夏季，溫度升高、大氣污染、發動機過富油等引起發動機散熱不暢，不完全燃燒產生的污染物在氣門聚集，易造成氣門卡阻故障。

排氣門卡阻在關閉位，將導致推桿和推桿套彎曲（見圖1），引起滑油外泄，同時高溫高壓燃氣無法排出汽缸而倒流入進氣系統，會影響其他汽缸的正常工作。

如果排氣門卡阻導致汽缸推桿和推桿套彎曲，引起滑油泄漏，短時間無法安全著陸，很可能因滑油泄漏過多而導致發動機失效。

排氣門卡阻故障發生時，因故障汽缸無法產生有效功率，為了確保一定的飛行高度，不得不增加其他汽缸的輸出功率，將導致燃油消耗量劇增，如無法在燃油耗盡前安全著陸，可能引發嚴重的飛行事故。

排氣門卡阻在開位將導致大多數的混合氣在電嘴點火前就被排出汽缸外，并在其他缸排出的高溫燃氣作用下在排氣管中不完全燃燒，產生黑煙，同時發動機因功率減小而引發振動，嚴重時將導致活塞和排氣門相碰撞而出現機械損傷。

2.2 氣門漏氣

通常情況下，氣門漏氣是由于活塞和活塞漲圈之間配合不正確造成的。另外，氣門與氣門座之間配合不緊密也易造成氣門漏氣。氣門連續不斷地開關，加上燃燒室產生的高溫高壓氣流對氣門座持久的熱腐蝕和撞擊，極易造成氣門漏氣。氣門漏氣會降低發動機的輸出功率，嚴重時將導致發動機無法正常工作。

氣門密封性檢查是指指發動機處于熱發停車的狀態下，當汽缸壁和漲圈之間還有均勻潤滑時，找到該汽缸壓縮行程上的死點，固定住螺旋槳，從汽缸上拆下一個容易接近的電嘴，然后將地面氣源的輸入壓力調至80psi，從該電嘴孔處連接一接頭對汽缸充氣。如果輸出壓力表上的值不低于60psi，且各汽缸的壓力差值不超過15psi，則說明各汽缸的密封性良好。如果某個汽缸與壓力最高的汽缸的壓力差值為10～15psi時，則需要對壓力低的汽缸進行核查，以確保進排氣門無明顯漏氣。

對于氣門漏氣故障，首先需要判斷是否由氣門卡阻造成。若氣門機構正常，則再考慮是否存在氣門和氣門座之間的密封帶燒蝕或有沉積物，甚至是氣門燒裂缺塊的情況。判斷方法是：確保飛機未接通電源，用手搬動螺旋槳，如果在氣門附近聽到氣體泄漏的嘶嘶聲或者口哨聲，說明排氣門漏氣；若燃調處傳出聲音，則可判斷進氣門漏氣；若從機匣通大氣孔處傳出聲音，則可判斷為活塞與漲圈配合不正確導致的漏氣。

確定為氣門漏氣故障后，汽缸壓力通常很低甚至為零，機務人員可以拆下汽缸，堵住電嘴安裝孔并關閉氣門，向汽缸里灌入汽油等液體，通過觀察是否有液體從氣門處滲漏來驗證。

2.3 氣門燒蝕

氣門在汽缸內承受高溫、腐蝕和工作應力，工作溫度高達1400℉，同時氣門關閉時對氣門座的沖擊負荷很大，撞擊次數較多，如轉速在2000rpm時每分鐘撞擊1000次。進氣門受到新鮮混合氣的清洗，散熱較容易，排氣門的工作條件卻更為惡劣。排氣行程中高溫氣流通過排氣門和氣門桿，使排氣門受熱程度比進氣門嚴重，散熱又不足，故排氣門溫度比進氣門高，因此排氣門多發生燒蝕的故障，如圖2所示。

根據該型發動機的結構設計和實際運行環境分析，排氣門運行溫度過高導致排氣門的抗腐蝕保護層被破壞是排氣門燒蝕的根本原因，而高鉛燃油中的鉛沉積在排氣門密封面上，導致排氣門散熱不良是排氣門過熱的主要原因。

如果氣門與氣門座間的密封帶燒蝕或有沉積物，將導致排氣門與氣門座密封不嚴，高溫燃氣長時間烘烤排氣門桿，造成排氣門桿單位時間內吸熱量過多而產生燒蝕，燒蝕后的排氣門無法關嚴，造成能量損失，各氣缸的功率將出現不均衡，最終導致發動機運行不穩定。

3 氣門機構維護建議

根據維護經驗，從維護角度給出預防該型發動機氣門機構故障的常見措施，以降低氣門機構故障發生率或避免故障的發生，保障飛行安全。

1）定期檢查氣門間隙，按該型發動機工作單卡定期對氣門機構進行維護。同時，認真清潔和潤滑氣門機構，將積鉛積炭清潔干凈，防止灰塵等雜質進入發動機內部。

2）檢查滑油通道是否暢通，保障滑油系統的正常工作，使氣門桿得到良好的潤滑，盡量減少氣門桿和氣門導套間的沉積物，降低其生成速率。

3）使用無鉛汽油或低鉛汽油。特別是夏季飛行過程中應保持發動機溫度不致過高，注意氣缸散熱，保持汽缸頭溫度低于400℉。

4）在拆裝氣門彈簧過程中，應避免工具劃傷氣門桿，并清洗去除積炭等污染物。檢查氣門、氣門座等有無裂紋，有無磨損、刻痕、刮傷等缺陷；檢查有無機械損傷或燃燒造成的損傷，若有損傷則報廢此氣門。

5）發動機停車后不能馬上打開發動機整流罩，防止發動機因溫度急劇降低而造成氣門機構故障。

6）發動機試車時，避免發動機在地面長時間小轉速運行，注意冷暖機，尤其是正確調節貧富油可以明顯降低排氣門和排氣門導套上沉積物的生成速率，進而降低排氣門卡阻的發生率。

參考文獻

[1]楊帆. PA44-180飛機發動機排氣門卡阻機理研究[J]. 機械工程師，2016（3）：252-253.

[2]杜仲. 航空活塞發動機氣門卡阻故障研究[J]. 航空維修與工程，2013（4）：81-83.

[3]閻成鴻. 賽斯納172R飛機發動機排氣門卡阻機理的分析[J]. 航空維修與工程，2008（4）：56-58.

[4]龍小輝，孟現召. 某型航空活塞發動機空中氣門卡阻機理[J]. 航空發動機，2019，45（4）：9-15.

[5]付堯明. 活塞發動機（ME-PA、PH）[M].北京：清華大學出版社，2016：38-45.

[6]李寄龍. 航空活塞發動機氣門卡阻故障分析與預防[J]. 科技視界，2012（17）：185-186..

[7]張洪濤，孟現召，馮巖鵬. 某型航空活塞發動機排氣門燒蝕機理[J]. 航空動力學報，2015（9）：2219-2225.

[8]丁發軍.影響氣缸氣密性的因素及常用檢查方法[J]. 航空維修與工程，2009（3）：60-61.

作者簡介

曾彬，工程師，主要研究方向：航空器維修與適航。