浅谈发动机活塞的失效模式

赵世来，孙秀毅，张治国

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

浅谈发动机活塞的失效模式

赵世来，孙秀毅，张治国

（华晨汽车工程研究院动力总成设计处，辽宁 沈阳 110141）

失效分析是零部件开发的难点问题，文章主要讲述了发动机活塞的失效模式，从失效模式判断出失效的原因，同时也是一种经验的积累。

活塞；发动机；失效模式

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-73-04

前言

失效分析是汽车行业一个难点工作，尤其对于发动机零件的失效。由于工作条件复杂，失效模式多种多样，所以分析问题时，不仅要借用专业的检测设备，往往也需要我们知识的储备和经验的积累。

对于活塞这个运动件来说，它是发动机的心脏零件之一，是核心的零件的核心。工作时与活塞销、活塞环等零件构成组件，功用是构成燃烧室，密封气缸，承受气体压力，并将力传递给连杆，以推动曲轴旋转。为了保证正常工作，要求活塞必须具有较好的机械强度、热强度及散热能力，能够承受高温高压的气体压力的作用，这样可以提高零件的使用寿命。

活塞是发动机工作中强度最大的零件之一。大多数活塞都是采用铝合金材料，相比其它运动件强度较低。在开发阶段，活塞相对于其他零件发生的失效的机会比较多，试验期间经常会发生想不到的问题，基于不同的结果，失效原因也是多种多样，对于活塞失效模式进行分类总结，可以根据不同的失效状态推断故障原因，对发动机工作状况研究是很有好处的。我们从以下方面进行介绍活塞的失效模式。

1 冷却不足引起划痕

1.1 现象

活塞外圆面从上端面到下端面发生划痕，并且是短轴两侧。见图1

图1

活塞配缸间隙很小，在发动机工作时，温度逐渐升高，间隙有减小的趋势，因为活塞的热膨胀系数高于缸体的膨胀系数。

很明显，在设计活塞过程中，必须考虑到发动机的冷却系统。任何冷却的改变都会引起温度升高，间隙减小，破坏润滑油膜。这种不正常的运行，必然会导致活塞拉缸。

1.2 分析原因

1）冷却水管道沉积物过多，在发动机最后一次修复时没有清洗干净，这些沉积引起缸体内壁温度大幅度增加，从而使活塞温度升高。

2）温度调节阀故障，通往散热器冷却水中断，因而发动机温度升高。

3）散热器工作状况恶劣，特别内腔和外部被堵，散热器芯的隔热层外边面由外到内沉积过多，主要是泥浆，造成这种现象。

4）水泵失效导致冷却水循环不足，高速转速时更明显，出现冷却液沸腾的现象。

5）冷却风扇皮带松弛，散热器的空气流量变小。

2 爆震引起的破损

2.1 现象

活塞顶部破损。见图 2：

图2

在燃烧过程中，未燃的混合气体遇到前面火焰，在一定情况下，未燃气体将产生自然。这种燃烧表现为大规模燃烧，而不是在火焰推进时循环渐进。在恒定压力下，燃烧掉燃烧室每一部分气体，它将在容积不变的情况下立即其反应，因此产生的压力与正常压力相比，超出很多，由于气体燃烧速度很快，燃烧气体膨胀大，这就证明了所有不正常燃烧都是在体积 不变的状况下。这就是我们大家所说的爆燃。爆燃使得活塞顶部融化，在可燃气体自然的一边和气体爆燃起源的位置，其活塞顶部温度很高。在爆燃最后一个阶段，会出现第一环槽过度磨损，活塞环出现裂纹和划伤的现象。

2.2 分析原因

1）活塞在高温度下进行运行

发动机在高温的环境工作，使得进气温度过高，或是发动机冷却水循环不良，都会造成发动机因高温而导致爆震的风险。

2）点火过于提前

为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火。而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大压力发生自燃，这样会有爆震现象发生。

3）活塞顶积碳过多

发动机在燃烧时，燃烧室内产生大量积碳，除了会使压缩比增大(产生高压)，也会在积碳表面产生高温热点，使发动机爆震。

4）空燃比不正确

过于稀的燃料与空气混合，会使得燃烧温度提升，而燃烧温度提高会造成发动机温度提升，当然很容易爆震。

5）燃油辛烷值过低

辛烷值是燃油抗爆震的指标，辛烷值越高，抗爆震性越强。压缩比高的发动机，燃烧室的压力较高，若是使用抗爆震性低的燃油，则很容易发生爆震现象。

3 提前点火引起的破损

3.1 现象

活塞顶部穿洞。见图 3：

图3

不是由火花塞点火，而是自然形成的第二次火焰波，称为提前点火。由提前点火引起温度和压力过高，使活塞顶部穿洞。

3.2 分析原因

1）火花塞选用不正确

火花塞的工作温度是相当高的。发动机正常运转时，火花塞绝缘体裙部的温度一般保持在700到800度之间。温度过高或过低对火花塞影响都不好。在火花塞温度过低的情况下工作，火花塞上的绝缘体容易积炭，最终引起漏电以至于产生缺火现象。如果火花塞工作温度过高，容易引起早燃。

2）有缺陷的冷却系统产生的热点

3）温度很高的积碳产生的热点

4）早燃或爆燃引起的环境

为了使活塞在压缩上止点结束后，一进入动力冲程能立即获得动力，通常都会在活塞达到上止点前提前点火 (因为从点火到完全燃烧需要一段时间)。而过于提早的点火会使得活塞还在压缩行程时，大部分油气已经燃烧，此时未燃烧的油气会承受极大的压力自燃，而造成爆震。

3 活塞顶或销座有裂纹

3.1 现象

活塞顶部有裂纹。见图 4：

图4

3.2 分析原因

过度应力是形成活塞顶部开裂的原因。这些开裂是产生在活塞长轴线的垂直方向。除了热应力外，也有活塞顶部的拉伸或压缩应力。

4 腐蚀引起顶部损坏

4.1 现象

由机械过载引起的活塞顶部腐蚀。

见图 5：

图5

4.2 分析原因

1）每个气缸燃油喷射过多

2）过早燃油喷射

3）燃油雾化不正确

4）喷油嘴漏油

总之，燃油量过大，在点燃后，火焰多，能量过大，产生活塞烧蚀的现象。

5 活塞和缸盖或气门之间干涉

5.1 现象

活塞顶部由于与气缸盖或气门之间干涉发生变形，最终根本原因都是间隙减小导致。见图 6：

图6

5.2 分析原因

1）由于连杆螺栓松动，连杆长度改变，活塞行程增加，活塞与气门间隙减小，气门与活塞发生了碰撞。

2）活塞长时间工作，顶部积碳长时间堆积过厚，超过活塞与缸盖间隙，导致活塞撞击缸盖，见图6上的活塞顶部。

3）缸体曲轴中心孔到上平面的高度小于设计值，这样就会导致活塞与缸盖的距离很近，会发生干涉的现象。

4）曲轴轴颈不正常研磨，活塞行程发生改变。

5）缸盖厚度变小后，没有调整气门座圈的深度，这样气门与活塞的间隙减小。

6 活塞销座区域碎裂

6.1 现象

活塞销座周围或裙部下方有很深的裂纹，严重的会出现销座碎裂。见图 7：

图7

6.2 分析原因

一般来说，这种裂纹产生于活塞刮伤或缸体顶部卡死后还继续运行的发动机，原因有一下几点：

1）安装活塞和缸体，间隙不正确，间隙过小，拉缸后还继续运转；间隙过大，导致换向时敲缸，导致裙部及销座破碎。

2）一台新的发动机没有经历磨合，直接进行过载工作。

3）冷却不足，缸体温度过高，缸体和活塞的变形量大，活塞的变形量大于了缸体的变形量。

4）活塞裙部和缸体内表面润滑不足，发生干磨的现象。

5）不正常燃烧，发生早燃和爆震的现象。

7 燃烧室边缘开裂

7.1 现象

直喷式发动机活塞燃烧室边缘，出现多处开裂。见图 8：

图8

7.2 分析原因

1）燃油喷射不足或过多导致活塞顶部热量和机械负荷过高。

2）燃烧室温度最高，周围温度较低，高温下膨胀系数不一致，材料不能压缩，唯一途径就是自由面膨胀延伸。

3）活塞材料的弹性极限较低，因此高温下很容易超出其弹性极限，塑性变形产生在材料堆积区或集中在燃烧室外围。

4）当活塞由于环境温度下降，变形仍在进行，产生张力，导致燃烧室边缘开裂。

8 活塞拉缸

8.1 现象

图9

活塞从头部到裙部，全部拉缸，直接导致发动机报废。见图 9。

8.2 分析原因

1）冬季，由于温度低，机油出现了乳化现象，导致缸体润滑能力不足，致使发动机拉缸。

2）如果冷却液是从第一缸流向第四缸，这样第四缸的冷却能力较差，这样第四缸活塞膨胀量大，导致拉缸。

3）材料体积稳定性差，高温膨胀量大。

4）型线，椭圆度设计有问题，一般型线设计第一步是结合发动机的参数进行选定，参照数据库选定，一旦型线选择不合理，磨合期间机会马上出现拉缸。大点位置的选定，超出了缸体的下沿，换向时，直接大面积啃伤活塞。

9 结论

以上是活塞的主要失效模式，及问题分析，在解决发动机问题时，采用工具和经验结合的方式，具体问题，具体分析。在开发试验阶段，由于发动机工作条件复杂，必然会出现复杂的现象。一旦发现问题，我们应做到及时分析，及时解决，直到验证通过。

活塞是发动机工作的心脏，活塞的各种失效模式往往是发动机各系统中运行故障的不同体现，因此在工程实践中对各种失效模式的积累和分析是发动机设计和改进的重要基础工作。

[1] 周龙保.等.内燃机学.北京：机械工业出版社,1999.

[2] 杨连生主编.内燃机设计.北京：中国农业机械出版社,1981

[3] 陆际清等编.汽车发动机设计：第二册.北京：清华大学出版社,1993.

Talking about engine piston failure mode

Zhao Shilai, Sun Xiuyi, Zhang Zhiguo
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

Failure analysis is a difficult problem of part development, This article mainly tells the story of engine piston failure mode, From the failure mode determine the cause of the failure, At the same time is also a kind of experience.

Piston; Engine; Failure mode

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-73-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.025

赵世来，就职于华晨汽车工程研究院，工程师，主要从事发动机设计工作。