高原环境下某型柴油发动机配气机构气门挺柱断裂故障分析

陆军装备部驻泰安地区军事代表室 于德泽，谭东东，张 超，刘 浩

随着经济社会快速发展，往返于高原地区的运输车辆越来越多。为减少或避免高原地区运输车辆发动机故障，本文通过采用故障树分析法全面分析了高原环境下某型柴油发动机配气机构气门挺柱断裂故障原因，并针对故障原因介绍了可采取的应对措施，对降低高原地区柴油发动机故障率具有一定的指导意义。

发动机配气机构是进、排气管道的控制结构，大多为气门式配气机构，主要由气门组和气门传动组组成。根据气门安装位置的不同，配气机构可分为气门顶置式配气机构和气门侧置式配气机构。本文所分析的发动机配气机构为气门顶置式，主要由凸轮、气门挺柱、推杆、摇臂、气门和气门弹簧等组成。

1 故障现象

一辆搭载某型柴油发动机的运输车，累计行驶里程约为5 900 km，在高原环境下出现发动机异响问题。故障发生地点位于海拔3 680 m，当日最低气温为-28 ℃，最高气温为-12 ℃。经拆解检查发现，发动机配气机构的气门挺柱发生断裂（图1）。

图1 断裂的气门挺柱

2 故障分析

采用故障树分析法，以气门挺柱断裂为顶事件建立故障树（图2），并对各项事件逐一展开分析排查。

图2 以气门挺柱断裂为顶事件建立故障树

2.1 材料、硬度不符

零部件材料和硬度不符合要求，可能导致零部件早期变形。依托专业机构对气门挺柱化学成分和硬度进行检测，化学成分为珠光体、铁素体和石墨，表面HRC为22.6，芯部HRBW为94.7，符合要求。对气门挺柱进行断口分析，断口为脆性过载断裂断口，因此可以判断气门挺柱受到凸轮冲击时产生异常受力，导致损坏。因此故障件的材料和硬度因素可以排除。

2.2 润滑不良

如果气门挺柱座和气门挺柱间润滑不良，可能会导致运动副卡滞，造成气门挺柱断裂。经分析，具体分为2种原因。

（1）机油不符合要求。按照车辆使用维护说明书中要求，车辆在-30 ℃～30 ℃环境温度中工作时，应使用5W-30型发动机机油。经查，故障发动机实际加注使用的发动机机油与技术要求相符。经拆解检查，气门挺柱座和气门挺柱各运动副之间均无卡滞现象。因此机油不符合要求这一因素可以排除。

（2）油路堵塞。经拆解检查，气门挺柱和气门挺柱座间的各油道畅通，无堵塞，因此该因素可以排除。

2.3 气门积炭

气门积炭会造成气门卡滞，配气机构运动组件运行受阻，进而可能导致气门挺柱受力过大发生断裂。经分析，可能存在两种原因使气门产生积炭。

（1）高原、低温环境影响。在高原环境下，空气稀薄，氧气含量减少，而发动机喷油量恒定，空燃比下降，造成燃油燃烧不充分。在排气过程中，部分未燃烧的柴油遇氧气再次燃烧形成后燃现象，造成气缸体温度过高，高温环境导致机油和未燃烧的柴油裂化，形成积炭及胶状物。

（2）怠速运行时间过长。在实际使用中，为保障车辆发动机处于热机状态，使用人员每天早晚会各起动一次车辆，具体操作为：起动发动机，进行怠速（转速为650 r/min）预热，直至排气管不再冒白烟。同时也会检查底盘取力装置是否能够正常使用，具体操作流程为：在空挡怠速状态下，踩下离合器踏板→按下取力开关接通取力器→接合离合器→将离合器踏板踩到底，彻底分离离合器→按下取力器开关，取力器断开→缓慢松开离合器踏板。

操作完成后立即熄火结束，整体时长约为1 h。在此过程中发动机始终以怠速运转，涡轮增压器提供给发动机进气压力较小，加之高原低温环境，空燃比下降幅度较大，喷油量恒定，加剧了燃油不充分燃烧，产生较多的积炭和胶状物，最终会导致气门挺柱运动不畅，配气机构中的气门挺柱受异常冲击，发生断裂。

经拆解检查，发现气门上的积炭和胶状物较多（图3），因此气门积炭这个因素不能排除。

图3 进、排气门有较多的积炭

2.4 气门间隙大

气门间隙变大，可能会导致配气机构运动部件产生冲击，当气门间隙超出一定范围，冲击力超出气门挺柱、挺杆的承受范围，造成断裂。检查发动机各气门间隙，均满足技术要求（进气门间隙为0.2 mm，排气门间隙为0.3 mm）。因此，该因素可以排除。

经对故障树所列可能因素逐一排查分析，认为造成发动机故障的主要原因为：在高原低温环境下，发动机怠速运行时间过长，气门处产生积炭和胶状物，导致气门传动组运动不畅，气门挺柱受到异常冲击，发生断裂。

3 原因分析

柴油发动机是通过将柴油喷射到高温、高压的燃烧室内进行压燃工作。若要保证燃油混合气按预期着火，必须保证燃烧室在压缩终点达到一定的压力和温度，并且在燃料和空气的配比方面必须要有较大的过量空气系数才能保证完全燃烧。在海拔4 000 m的高原，气压为61.6 kPa，仅为海平面的60.8%，大气的含氧量下降约为33%，加之长期怠速，由此造成柴油机燃烧室的充气密度降低，过量空气系数降低，燃烧不充分，功率下降，着火延迟，过量的燃油不能在气缸内完全燃烧。在排气过程中部分未燃烧的柴油遇氧气再次燃烧，造成气缸体及涡轮增压器温度过高，高温导致机油和未燃烧的柴油裂化，形成积炭及胶状物。

发动机在运行过程中排气门打开，在高原、低温和怠速环境中形成的气缸燃烧室内积炭和胶状物大部分从排气管排出，有极少部分会沉积在气门和气门导管缝隙中。因后燃原因，气门处温度较高，胶状物较软，运行过程中不会发生卡滞。停机后，气门和气门导管恢复至大气温度，胶状物会因低温变得坚硬，将排气门和气门导管黏连并造成卡滞，气门挺柱运动不畅，从而使气门挺柱、挺杆等气门传动组零件受到异常冲击力，出现气门挺柱断裂、挺杆弯曲等现象。

查看维修手册发现，该发动机排气门杆与气门导管的标准间隙为0.08 mm～0.11 mm；进气门与气门导管的标准间隙为0.06 mm～0.095 mm。将故障发动机各气缸的进、排气门和进、排气门导管直径进行测量，根据测量结果发现，由于发动机进、排气门积炭严重，进排气门与进、排气门导管间的间隙不合格。

4 结论

车辆在高原环境下使用，特别是怠速时间过长容易造成燃油在气缸内不能完全燃烧，产生积炭，导致排气门和气门导管黏连卡滞，气门挺柱运动不畅，从而使气门挺柱、挺杆等零件异常受力冲击，出现气门挺柱断裂等问题。为解决这一问题，可采取以下措施。

（1）拆卸气缸盖，定期清理气门积炭和胶状物，更换发动机进、排气门油封。

（2）调整喷油泵喷油量。为使柴油和空气的配比合适，以保证完全燃烧，调整发动机喷油泵的喷油量，以满足发动机在高原环境中使用。

（3）完善使用维护说明书。在高原环境下（海拔高于1 000 m），气门间隙应每250 h调整1次，发动机机油每6个月更换1次。