曾云华 张 杨 孙红兵 甄洪梅 杨 隽
(1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司)
连杆是发动机的关键零件,它将活塞承受的气动力传给曲轴,并使活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动[1]。在发动机运行过程中,连杆处于高速运动中,主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变负荷[2]。若连杆弯曲断裂失效,会产生活塞碎裂、缸体击穿等严重故障。引起发动机连杆断裂的原因很多,既可能是零部件的质量缺陷,也可能是外部因素的影响[3]。本文针对一款增压汽油发动机的连杆断裂失效问题,采用电镜进行断口分析,运用鱼刺图对失效进行系统分析,提出相应的解决方案,经过故障复现,解决连杆断裂问题。
某一款车在低速试车路转弯进入高速试车路时急加速,发动机转速为2 000~3 000 r/min,车速为100~120 km/h,发现异响。停车检查,发现缸体击穿、1 缸活塞碎裂,1 缸连杆断裂,如图1 所示。
图1 故障连杆
按照图2 所示的鱼刺图思路进行排查。
图2 鱼刺图
1)整车现场排查。原车点火,喷油器顺序喷射,无常喷油现象;原车上电,2 min 后未发现泄露的现象;检查空气滤清器滤芯干净无进水现象,读取ECU数据1 缸早燃计数4 次。排除由于常喷油及发动机进水造成连杆断裂原因。
2)发动机现场拆解。检查主轴瓦及连杆轴瓦无异常磨损;1 缸连杆螺栓无松动;气缸盖拆解力矩无异常;检查气缸垫无失效;1 缸活塞卡簧有装配痕迹,1 缸缸孔无纵向拉痕;进气道干净无异物;3 缸活塞环岸断裂,其他两缸活塞无异常;增压器PWM 阀的旁通阀断裂。排除连杆螺栓转矩不足及活塞销卡簧漏装配问题。
样件因受力已经发生弯曲变形,后发生断裂。宏观断口如图3 所示。上侧为受拉侧,下侧为受压侧,断口上半部呈深灰色,下半部呈浅灰与深灰混合,底边有浅灰色亮带。经电镜扫描对断口观察,断口未见明显褶叠等铸造缺陷。断口深灰色区呈韧窝断裂形貌,断口底边浅灰色亮带及浅灰色区域呈解理断裂形貌。初步判断为连杆受压应力冲击,过载发生失稳变形失效。连杆变形后,压应力转变为弯曲应力作用于变形后的连杆,造成弯曲断裂。
图3 断口宏观形貌照
连杆材料为C70S6,发生故障的1 缸连杆金相组织为均匀的细晶粒珠光体和铁素体组织,无片状铁素体,铁素体含量为5%,非机加工面部分脱碳层为0.10 mm,满足材质要求。发生故障的连杆硬度为290、290、286 HBW,满足266~310 HBW 的要求。通过二维码追溯连杆出厂测量数据,中心距、平行值、扭曲值均满足图纸要求。排除连杆本身材料及尺寸质量问题。
连杆CAE 强度分析结果表明,疲劳强度安全系数为1.27>1.1,满足设计要求,如图4 所示。屈曲安全系数为1.71>1.5,亦满足设计要求。排查连杆本身无设计问题。
图4 CAE 仿真结果
发动机拆解时,发现增压器旁通阀因外力磕碰造成断裂,如图5 所示。增压器旁通阀断裂,导致增压器PWM 阀产生故障,使增压压力过高,产生早燃。
当发动机出现早燃时,ECU 进行早燃计数,同时启动发动机早燃保护策略,进行加浓喷油,遏制连续早燃。排查早燃保护策略的设定值,发现增压压力启动阀值为2 560 hPa,进气温度压力传感器物流量程为2 500 hPa。由于进气温度压力传感器量程小于早燃保护策略的启动设定值,造成早燃保护策略失效。
综上所述,增压器旁通阀断裂为诱因,早燃保护策略控制阀值设置不合格为主因。增压器旁通阀断裂,导致发动机超增压,造成早燃;发动机早燃保护策略失效,增压压力过高,发动机发生连续早燃,超级爆震产生较大的爆发压力,压应力超过连杆的设计极限,连杆弯曲失稳,最后产生连杆断裂故障。
将早燃保护策略的启动压力阀值由2 560 hPa更改为2 490 hPa,小于进气温度压力传感器的物流量程2 500 hPa。为了验证措施的可靠性,进行故障复现验证。故障复现试验工况:M1~M6 挡,固定不同挡位全油门加速为一个循环(约2 km)。增压器PWM阀的旁通阀人为破坏断裂,分别进行控制阀值2 560 hPa 和2 490 hPa 验证。
当控制阀值设置为2 490 hPa 时,加速过程中,增压压力超过保护阀值(即控制阀值2 490 hPa),立即触发增压保护策略,节气门开度随即减小,增压压力下降。发动机运行控制178 个循环,合计356 km,发动机无异常。如图6 所示。
图6 控制阀值为2 490 hPa
控制阀值为2 560 hPa 时,加速过程中,增压压力达到传感器最大量程2 500 hPa,但小于保护阀值(即控制阀值2 560 hPa),未触发保护策略。高增压压力一直持续到油门踏板松开。发动机运行8 个循环,合计16 km,发生连杆断裂缸体击穿。如图7 所示。
图7 控制阀值为2 560 hP
综上所述,早燃保护策略压力控制阀值设置为2 490 hPa 时,有效遏制了早燃引起的连杆断裂,后续试验未发现连杆断裂问题。
连杆失效问题是由于早燃引起爆发压力过大,导致连杆过载断裂。本文对引发早燃的增压器及ECU 控制数据进行了排查,并进行了故障复现验证确认,识别出ECU 早燃控制策略失效为主因,增压器PWM 阀失效为辅因的故障模式。通过改善控制阀值,有效解决了此故障造成的连杆断裂问题。