超級爆震引發(fā)的發(fā)動機(jī)故障1例

姜 軍

故障現(xiàn)象 一輛東風(fēng)風(fēng)光580車，累計(jì)行駛里程約為3 700 km。車主反映，車輛在高速路上行駛800 km后，下高速不久發(fā)動機(jī)便自動熄火，無法起動。

故障診斷 維修人員前往施救后檢查發(fā)現(xiàn)，各氣缸內(nèi)的火花塞側(cè)電極均有不同程度變形和積炭現(xiàn)象，更換4個氣缸的火花塞和點(diǎn)火線圈后試車，發(fā)動機(jī)能夠起動，怠速有輕微抖動。進(jìn)行路試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)行駛60 km左右時(shí)，發(fā)動機(jī)動力不足，加速時(shí)發(fā)動機(jī)抖動，且闖車嚴(yán)重。隨后檢查發(fā)現(xiàn)，火花塞損壞嚴(yán)重，側(cè)電極和中心電極已搭接在一起（圖1）；測量4個氣缸氣缸壓力，均低于正常值，初步判斷發(fā)動機(jī)燃燒室已損壞。拆檢發(fā)動機(jī)，發(fā)現(xiàn)4個活塞頂部邊緣均出現(xiàn)不同程度損壞（圖2）；進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，渦輪增壓器和三元催化轉(zhuǎn)化器損壞，排氣管道內(nèi)有損壞的部件碎片。

圖1 損壞的火花塞

圖2 4個活塞頂部邊緣出現(xiàn)不同程度損壞

根據(jù)故障現(xiàn)象和檢查結(jié)果分析，發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)很有可能出現(xiàn)超級爆震導(dǎo)致上述部件損壞。什么是超級爆震？它和爆震又有什么區(qū)別呢？查閱資料得知，火花塞放電點(diǎn)燃燃燒室內(nèi)壓縮的混合氣后，形成火焰核并發(fā)展成能自動傳播的火焰前沿（傳播速度為30 m/s～70 m/s），末端混合氣（指遠(yuǎn)離火焰核的未燃剩余混合氣）受到壓縮和熱輻射，燃前化學(xué)反應(yīng)加速。如果該反應(yīng)過于迅速，則會使末端混合氣在火焰前沿到達(dá)之前發(fā)生自燃，并且末端混合氣內(nèi)部出現(xiàn)一個或多個火焰核，火焰以100 m/s～300 m/s（輕微爆震）或800 m/s～1 000 m/s（強(qiáng)烈爆震）的速度傳播，迅速將終燃混合氣燃燒完畢，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)局部溫度壓力陡增。這種類似階躍的壓力變化，形成燃燒室內(nèi)往復(fù)傳播的沖擊波（頻率可高達(dá)7 kHz），猛烈撞擊缸壁，發(fā)出高頻振音（即敲缸聲），這就是爆震。超級爆震就是嚴(yán)重的爆震現(xiàn)象，之所以叫“超級”，是因?yàn)槌壉鸩煌诔Ｒ?guī)汽油機(jī)爆震敲缸，超級爆震一般在火花塞點(diǎn)火之前混合氣便發(fā)生自燃，燃燒室內(nèi)最大氣缸壓力遠(yuǎn)高于正常氣缸壓力（達(dá)到正常燃燒最大氣缸壓力的2倍以上），并發(fā)生大幅壓力振蕩，所以發(fā)生超級爆震時(shí)會聽到非常明顯的敲缸聲音，極易對發(fā)動機(jī)造成致命損壞，是目前增壓直噴汽油機(jī)提高升功率和降低燃油消耗率遇到的主要障礙。從圖3中可以看出正常燃燒、普通爆震與超級爆震的最大氣缸壓力區(qū)別。

更換故障車輛的損壞部件，進(jìn)行道路測試，采集相關(guān)測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。通過采集的數(shù)據(jù)及實(shí)車故障現(xiàn)象分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 700 r/min～2 000 r/min時(shí)，平均有效氣缸壓力（MEP）為1 400 kPa～2 000 kPa；最大增壓壓力為140 kPa～190 kPa時(shí)，發(fā)動機(jī)控制單元有檢測超級爆震的計(jì)數(shù)，同時(shí)車輛有明顯的異響和抖動，由此說明故障并沒有因?yàn)楦鼡Q部件而解決，同時(shí)可以確認(rèn)超級爆震是導(dǎo)致該車發(fā)動機(jī)故障的原因。分析造成該車發(fā)動機(jī)出現(xiàn)超級爆震的可能原因有以下幾點(diǎn)。

圖3 正常燃燒、普通爆震和超級爆震的比較

（1）燃燒室內(nèi)積炭過多。聚集在氣缸內(nèi)某些部位上的積炭或懸浮在氣缸內(nèi)的炭粒可能成為火焰核，在氣缸內(nèi)溫度較高時(shí)，這些積炭會引燃混合氣。

（2）燃油清潔度不夠（使用劣質(zhì)燃油）。燃油中所含有的一些物理雜質(zhì)和化學(xué)雜質(zhì)，會在發(fā)動機(jī)壓縮過程中引起自燃；燃油辛烷值較低或使用的燃油質(zhì)量未達(dá)到發(fā)動機(jī)燃油標(biāo)準(zhǔn)。

（3）燃燒室內(nèi)機(jī)油泄漏量過多。機(jī)油的燃點(diǎn)在200 ℃左右，比汽油的燃點(diǎn)低很多，因此若氣缸內(nèi)有懸浮的機(jī)油液滴，也會引起混合氣自燃。

（4）發(fā)動機(jī)部件（如火花塞、氣門等）局部溫度過高。如果氣缸內(nèi)有積炭會影響到氣缸換熱過程，從而造成某些部件溫度較高，使周圍混合氣達(dá)到自燃溫度。

通過對這幾種可能性的分析，首先明確本次的故障現(xiàn)象屬于個例，而且新更換的發(fā)動機(jī)依然有故障出現(xiàn)，基本排除發(fā)動機(jī)內(nèi)部積炭、部件過熱及發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)原因造成機(jī)油泄漏進(jìn)燃燒室的可能。另外，根據(jù)車主反饋，近期在當(dāng)?shù)氐囊患颐駹I加油站加過2次燃油，之后就出現(xiàn)了當(dāng)前故障，由此推測劣質(zhì)燃油是造成本次故障的原因。于是用故障車燃油、中石化燃油及民營加油站燃油進(jìn)行了對比測試，為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，用沒有出現(xiàn)過故障的測試車輛作為參考對比。

通過測試發(fā)現(xiàn)，故障車和測試車加注中石化燃油后，在之前確認(rèn)的早燃工況下，試車1 h，任何工況都沒有超級爆震發(fā)生。加注了故障車燃油后，故障車和測試車在之前確認(rèn)的早燃工況下，都出現(xiàn)了較為頻繁的超級爆震。最后到車主加油的民營加油站加注燃油，在故障車上測試了30 min，出現(xiàn)了1次超級爆震。測試車加注民營加油站的燃油，同樣試車30 min，沒有出現(xiàn)超級爆震。根據(jù)測試結(jié)果匯總（表1）分析，故障車和測試車的超級爆震表現(xiàn)基本一致；加注故障車的燃油后，故障車和測試車都會出現(xiàn)較頻繁的超級爆震；加注中石化燃油后，都沒有超級爆震出現(xiàn)。由此驗(yàn)證車主加注的劣質(zhì)燃油是導(dǎo)致超級爆震的根本原因。

表1 測試結(jié)果匯總

故障排除 更換故障車輛的損壞部件，加注符合品質(zhì)要求的燃油后進(jìn)行路試，故障不再出現(xiàn)。2個星期后電話回訪，車主反映沒有相關(guān)故障出現(xiàn)，至此故障排除。