某汽油發(fā)動機活塞頭部燒蝕的分析

宋元強 鮑帥華 鄒明恩 張 楊 甄洪梅

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

活塞是發(fā)動機的關(guān)鍵部件，在發(fā)動機運行過程中，活塞處于高速運動狀態(tài)，主要承受氣體壓力和往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的交變負荷[1]。若活塞頭部燒蝕失效，會造成發(fā)動機性能不佳、連桿斷裂、缸體擊穿等嚴重故障。本文針對一款增壓汽油發(fā)動機的活塞頭部燒蝕失效問題，通過運動學(xué)仿真分析計算，運用魚刺圖對其失效進行系統(tǒng)分析，并提出相應(yīng)的解決方案。經(jīng)過方案驗證，活塞燒蝕問題得到解決。

1 背景

某款汽油發(fā)電機在試驗過程發(fā)現(xiàn)曲軸箱壓力報警，內(nèi)窺鏡發(fā)現(xiàn)活塞頭部燒蝕，見圖1。

圖1 故障圖片

2 原因分析

按照圖2 所示的魚刺圖思路進行排查。

圖2 魚刺圖

2.1 整機問題

1）早燃/爆震。調(diào)取失效發(fā)動機ECU 點火提前角數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)爆震現(xiàn)象，且其最大點火提前角為0.55°CA，排除發(fā)動機存在早燃/爆震問題。

2）整機清潔度。調(diào)取前期該型號發(fā)動機試驗后的活塞照片，發(fā)現(xiàn)部分發(fā)動機活塞頭部有不同程度的磨損，且磨損區(qū)域僅在活塞頭部環(huán)岸位置，活塞裙部、銷孔及其它摩擦副零件無異常磨損現(xiàn)象，可排除整機清潔度問題。見圖3。

圖3 發(fā)動機試驗后照片

2.2 活塞問題

1）活塞材料選擇。對失效活塞材料成份、金相組織、材料性能進行檢測，結(jié)果滿足要求。

2）活塞樣件質(zhì)量。調(diào)取失效活塞出廠報告，活塞的各項尺寸均滿足要求。

3）活塞型線設(shè)計。對活塞型線設(shè)計引入活塞動力學(xué)分析校核，見圖4，發(fā)現(xiàn)活塞頭部在換向時與氣缸內(nèi)表面有接觸，接觸應(yīng)力達到8.2 MPa，見圖5。同時進行其它型號發(fā)動機活塞動力學(xué)計算，未發(fā)現(xiàn)活塞頭部與氣缸內(nèi)表面存在接觸現(xiàn)象，見圖6。排查此型號其它發(fā)動機試驗后的活塞頭部，發(fā)現(xiàn)部分發(fā)動機存在第一環(huán)岸磨損現(xiàn)象，初步確認活塞型線設(shè)計為此問題發(fā)生的可能原因。

圖4 失效活塞動力學(xué)分析圖

圖5 失效活塞頭部接觸應(yīng)力

圖6 其它型號發(fā)動機活塞動力學(xué)分析圖

4）活塞設(shè)計溫度。根據(jù)活塞溫度場仿真計算（圖7）及硬度塞法溫度實測（圖8），活塞最高溫度為257 ℃，滿足要求，排除活塞設(shè)計溫度不合理。

圖7 活塞溫度場仿真計算

圖8 硬度塞法活塞頭部溫度測試

2.3 缸體問題

1）氣缸變形量。通過對氣缸變形量進行分析可知，失效發(fā)動機氣缸變形量滿足要求，且氣缸變形量比其它型號發(fā)動機小，見圖9，紅色為失效型號發(fā)動機，藍色為其它未失效機型號發(fā)動機，排除氣缸變形原因。

圖9 氣缸變形量計算

2）缸徑問題。調(diào)取試驗前缸徑、氣缸內(nèi)表面粗糙度出廠數(shù)據(jù)，均合格，排除缸徑、氣缸內(nèi)表面粗粗糙度問題。

3）缸體散熱能力。活塞溫度場試驗測試結(jié)果表明，缸體散熱無問題。

2.4 其它問題

1）將出現(xiàn)故障的發(fā)動機活塞、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)、增壓器、缸蓋總成搭載在其它未失效發(fā)動機上進行驗證[2]，未發(fā)現(xiàn)問題。

2）對活塞冷卻噴嘴、活塞環(huán)進行單品檢測，未發(fā)現(xiàn)問題。

2.5 分析總結(jié)

通過問題排查，初步確認問題主因為活塞型線設(shè)計問題，需對活塞型線進行優(yōu)化。

3 措施設(shè)定及驗證

對活塞型線進行優(yōu)化[3]，優(yōu)化前后活塞型線對比如圖10 所示。通過活塞動力學(xué)計算，活塞頭部接觸應(yīng)力基本消除（見圖11），但仍有較小的應(yīng)力存在。

圖10 活塞型線對比

圖11 優(yōu)化后活塞頭部應(yīng)力

為徹底消除活塞頭部接觸應(yīng)力，優(yōu)化活塞銷孔偏心量。活塞銷孔偏心量從0.7mm 更改為0.5mm后，活塞頭部接觸應(yīng)力消除（見圖12）。同時，活塞的運動平穩(wěn)性較前期有了較大的改善（見圖13）。

圖12 活塞動力學(xué)分析

圖13 活塞運動平穩(wěn)性（轉(zhuǎn)速為2 000r/min）

按活塞型線及活塞銷孔偏心量優(yōu)化后的方案進行活塞試驗驗證，結(jié)果表明，活塞頭部無異常磨損現(xiàn)象，問題解決（見圖14）。

圖14 優(yōu)化后活塞試驗照片

4 結(jié)論

活塞頭部燒蝕原因為活塞型線設(shè)計不合理，活塞運動過程中，活塞頭部接觸應(yīng)力過大，拉傷缸體，導(dǎo)致機油進入燃燒室，造成活塞頭部燒蝕。