发动机气门间隙异常原因分析及对策

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

发动机气门间隙异常原因分析及对策

周志培

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

某系列发动机近几年来在主机配套厂出厂试车过程中每月都会有几起气门间隙偏大或偏小的报修，成了一种常见的发动机故障模式。本文试图对影响发动机气门间隙的相关原因做一粗浅的分析，从而找出一些有效的对策，降低此类故障发生率，以供同行参考。

发动机 气门 间隙 质量

1 前言

当前人们对环保的关注日益提升，但同时对空气污染源之一的车辆需求市场也越来越大。为缓解环境保护和车辆排放污染之间的矛盾，社会对发动机各项指标特别是动力性、经济性、排放性的要求也越来越高。而发动机气门间隙则会对发动机的实际使用产生直接影响，对发动机的进排气效果、运行的平稳性、噪音、动力性、经济性、排放性、可靠性等都有着或多或少的关联和影响。

发动机冷态时预留气门间隙，目的是为了让发动机在高负荷工况的热膨胀情况下气门杆顶部与摇臂之间仍有合适的间隙，以确保气门能够正常开启、关闭，工作正常。如果气门间隙预留太小，热膨胀后间隙缩小到没有，甚至负间隙，气门在凸轮轴凸轮处于基圆位置处时关闭不严造成漏气，发动机的动力性、经济性及排放性等指标都会变差。但气门间隙的预留也不是越大越好，只要最大热膨胀状态时正好没有间隙、发动机能正常工作那是最理想的状态。如果气门间隙过大，会造成气门杆顶部与摇臂敲击过重，引发撞击异响、气门开启升程损失引发充气效率降低，使得发动机动力性、经济性和排放性等指标变差。所以发动机冷态时预留足够的气门间隙是非常重要的。

在近几年的实际生产过程中，我们在对气门间隙正常与异常的判断方法、以及对异常的多种模式的处理方面积累了一些经验，在此做出总结和分析，供设计、工艺、制造、质保等相关人员参考。

2 某系列发动机气门间隙历史状态

不同系列的发动机对气门间隙有不同的需求。目前该系列发动机技术文件规定冷态时的气门间隙是进气门0.30±0.08 mm，排气门0.50±0.08 mm，如图1所示。而在更先进的发动机结构上则采取液力挺柱等技术自动调整冷、热态的气门间隙及自动补偿磨损间隙，做到了气门的零间隙，发动机工作柔顺、状态稳定。近几年发动机在出厂试车时发现气门间隙过大或过小的异常情况经常会发生。

图1 发动机气门间隙

2.1 出厂试车结束后气门间隙情况

出厂试车过程中，试车工凭声音辨识，以及在气门间隙复校过程中，能发现气门间隙异常现象。绝大部分为气门间隙变大，变小的偶而会有发生。以不打开缸盖罩壳、仅以耳朵听声辨别气门间隙异常的统计数据，在2009年1至8月之间为0.26%。此类气门间隙变大一般超出公差允许范围0.60 mm以上，才能凭耳朵辨声判断识别。如果以试车工将电控发动机热试到第4项75%功率磨合工况时，打开缸盖罩壳复校气门间隙时出现气门间隙异常的情况，则异常比例为20%（只要12个气门中有任一气门间隙超差就统计为整台超差）。

2.2 主机厂配套调试过程中气门间隙情况

在2009年1至6月，从零公里反馈信息、市场短消息信息平台、质保部派驻主机厂蹲点人员所收集到的外部信息，反映该系列发动机气门间隙大的零公里故障比例为1.79%，气门间隙大都在1.1～1.7 mm附近，间隙变小的情况基本没有。

2.3 市场用户报修的气门间隙情况

用户报修中气门间隙变大、变小的情况都存在，普遍为气门间隙变大，气门间隙变小则主要发生在天然气发动机和电控柴油机上。

3 气门间隙异常原因分析

一般将一台发动机上的部分气门间隙大大超出技术规范规定值的现象称为气门间隙异常。对于一台发动机出厂后长期使用，而用户没有对气门间隙进行调整，导致气门间隙超出规定值的，不在本文中所讨论的气门间隙异常之内。

从发动机结构来看，气门间隙变化涉及的摩擦副有：凸轮轴凸轮基圆与挺柱底面；挺柱内球形凹坑与推杆下端球头；推杆上端球窝与摇臂调节螺钉球头；摇臂与摇臂轴；摇臂前端与气门杆头部；气门密封环带与气门座圈；气门座圈压入气缸盖位置等。发动机配气机构示意图如图2所示。

图2 发动机配气机构结构示意图

3.1 出厂试车过程中气门间隙异常分析

3.1.1 气门间隙变小

出厂试车过程中气门间隙变小的情况比较少见，涉及变化因素也少，产生的原因主要有以下2种情况：

（1）在将气门座圈压入缸盖时，由于设备压力、座圈液氮冷冻状态、压入时相关尺寸超差，或座圈孔内有铁屑残留异物等因素，导致压入不到位，而后在发动机热试过程中座圈继续被压入，使得气门间隙变小。这种变小多发生在发动机工作初期，参见图3。

图3 气门座圈压入不到位的故障件

从图3可见，左侧气门座圈压入深度正常，铰刀加工出来的密封环带如绿漆所涂，宽度为2 mm左右；而右侧座圈因压入时没有到底，造成铰刀切削量加大，密封环带被铰到了4.7 mm宽，试车后座圈被继续压入，造成气门下沉超过工艺要求1.2 mm以上。当出现此类故障时，通常表现为已经没有气门间隙，而实际可能已是负值的间隙。在将气门间隙重新调整到位后，必须对比一下调整后的摇臂调节螺钉与正常气门的摇臂调节螺钉的露出高度，二者应基本一致。如果露出明显过多，说明气门下沉过量，需要拆检缸盖并重新压装新的气门座圈。

（2）装配调整气门间隙拧紧调整螺母时，摇臂调节螺钉跟着转，操作者未予纠正。这种变小的量一般只有百分之几毫米，跟转太多会使调整用的塞尺被压紧过度而拔不出来。百分之几毫米的误差在试车过程中几乎不能被识别和发现。

3.1.2 气门间隙变大

变大的情况最为常见，涉及的变化因素也很复杂，主要有以下3个因素造成的。

（1）清洁度问题

挺柱球形凹坑内有铁屑残留异物，使推杆抬高，气门间隙校准的基准出现偏差。发动机试车后异物被压扁或冲洗掉，原来抬高的推杆回落，气门间隙变大。

（2）零部件质量问题

推杆上端球窝与摇臂位置调节螺钉下端球头的配合。根据图纸尺寸要求及推算，调节螺钉球头与推杆球窝的接触可能出现球头底部与球窝面接触、球头中下部与球窝面接触、球头中部最大直径处与球窝线接触这样的3种接触情况。前2种接触情况因接触面较大，耐磨性好，所以在出厂试验初期不会出现因磨损而导致的气门间隙变大。而第3种的线接触是一种比较危险的情况，因为最大外径处接触时，球头底部与球窝不接触，存在间隙。一旦最大外径稍有磨损，将导致调节螺钉球头下落，变为第1种面接触情况，这种变化会使气门间隙突然变大，且因摇臂前段比后段长，使气门间隙比原来的有一个8∶5左右的比例放大。所以最大外径处的线接触磨损后，将破坏原来调整好的气门间隙，变大到1～2 mm左右，导致发动机出现气门杆头部敲击异响，甚至因间隙过大造成气门开启不足，对性能有所影响。

摇臂调节螺母法兰面与摇臂接触平面因螺母本身缺陷、装配操作不当等因素导致接触不良，在试车过程中螺母松脱，调节螺钉向上移动，使得摇臂前端上抬，气门间隙变大。

（3）装配质量问题

挺柱未安装到位：安装时，因挺柱与机体挺柱孔配合、清洁度等问题，没有正确地安装到位，造成挺柱卡在挺柱孔某个中间位置，盘车校气门间隙时挺柱没有下落回位到与凸轮基圆接触状态，气门间隙校准的基准出现偏差，在发动机试车后润滑改善，挺柱与挺柱孔卡滞现象消失，挺柱正常回位到与凸轮基圆接触状态，原来的基准偏差立即暴露，气门间隙出现夸张地偏大，甚至达到几个毫米。

盘车位置不准确：气门间隙调整时凸轮轴不在基圆位置，导致调整基准偏差，调整螺母拧紧后再将凸轮轴盘到基圆位置就会将基准偏差暴露，气门间隙变大。或调整动作不当，调整出来的间隙本身不准。

3.2 零公里故障气门间隙异常原因分析

主机厂配套零公里故障极少有气门间隙变小的情况，一般是气门间隙变大，原因主要为在装配过程中挺柱孔内的铁屑异物没有彻底清理干净，在主机厂调试过程中继续暴露出来；以及摇臂调节螺钉球头接触位置不合理的腾空导致主机厂继续调试过程中球头突然掉落进球窝。

图4 主机厂传回的气门间隙异常变大

3.3 用户使用过程中气门间隙异常原因分析

3.3.1 气门间隙变小

用户使用过程中气门间隙变小主要发生在天然气和电控发动机上。天然气发动机因气门密封环带与气门座圈之间润滑不良，普通材料的座圈耐磨性达不到使用要求，容易产生座圈磨损，使得气门上抬，间隙变小。而电控发动机由于提速较快，各运动副响应较快，使气门对座圈的冲击加大，因此普通材料的气门及座圈使用性能达不到要求，容易产生磨损。

3.3.2 气门间隙变大

用户对发动机使用一段时间后，气门间隙变大的情况较为常见：

（1）发动机产品使用说明书规定：发动机在每使用1 000 h或38 000 km后，需要调整一次气门间隙。但实际使用中，很多用户不按说明书规定进行操作，从而造成气门间隙超差。

（2）摇臂铜套与摇臂轴之间的配合磨损：在2008年，一台发动机试验95 h后拆机检测中发现，第2缸排气摇臂和第6缸进气摇臂内孔直径磨损近0.40 mm，磨出了一个0.40 mm的台阶。衬套磨损后使摇臂上抬会导致摇臂前端放大比例大于2∶1以上的抬高，导致气门间隙变大。

（3）挺柱内球形凹坑与推杆下端球头之间的接触表面粗糙度达不到技术规定要求或技术规范要求过低，造成该部位接触异常磨损，使得气门间隙变大。在市场用户使用一段时间后的发动机上，出现过推杆球头异常磨损数毫米的现象。同样的异常磨损还可能发生在推杆球窝和调节螺钉球头之间。

（4）凸轮轴磨损：凸轮轴磨损发生在凸轮桃尖部分的现象较为常见，但桃尖磨损不会引起气门间隙变大，只会导致气门升程不足。只有凸轮基圆部分磨损后才会使气门间隙变大。

图5 收集到的推杆球头过度磨损故障件

3.4 气门间隙异常的主要原因

综上所述，气门间隙异常发生变小的情况较少，变大的情况较为常见。根据近期装试现场统计数据分析，排在前3位的变大原因是挺柱球形凹坑内有铁屑异物、装配调整操作不当、摇臂调节螺钉下端球头最大外径处的线接触磨损后掉落导致气门间隙变大。

4 对策及效果验证

（1）针对清洁度问题，主要采用吸尘措施。2009年9月，在机体装配翻身后采取对挺柱球形凹坑吸尘措施，有效减少了挺柱球形凹坑内积存的异物。

从2010年12月试车时根据发动机声响判断气门间隙异常的数据统计和现场分析来看，故障率从吸尘前的0.26%下降到0.22%。拆检了2台发动机的摇臂和推杆，发现挺柱孔内都有铁屑异物。装配的吸尘位置在吊装缸盖之前，所以一旦缸盖上的铁屑掉入挺柱孔，还是会导致下道工序调整气门间隙时基准出现偏差。而且这些铁屑如果没有彻底清除，试车工只是简单地做重新调整间隙处理，那么这些铁屑可能还是夹在挺柱球形凹坑与推杆球头之间，只是被敲扁了一点，在发动机主机厂配套调试等继续使用过程中气门间隙将继续发生变大的异常。所以目前要求试车工对气门间隙异常变大的挺柱孔内采取再次用磁性吸棒吸取铁屑的做法。

挺柱球形凹坑内的垃圾异物尽管采取了有效的吸尘措施，但因吸尘无法做到彻底清洁，而不能实现故障的根本消除，故障率也没有显著变化。目前还在采取电控、天然气发动机热试后复校气门间隙的后期动作予以弥补。

（2）对于调节螺钉球头下落，需要在调节螺钉球头加工质量及采购进货检验把关等环节加强改进和控制。

图6 装配在机体翻身后对挺柱孔采取吸尘措施

（3）对于摇臂铜套磨损，2009年将摇臂铜套结构逐步切换为氮化全钢摇臂后，这一故障模式被有效解决。摇臂结构更改后已生产销售了10万台以上的发动机，目前市场上基本没有此类故障反馈。

（4）对于挺柱球窝、推杆球头磨损问题，2009年底已将球窝表面粗糙度要求由Ra3.2改进为Ra0.8，并改用冷挤压加工。改进后用户报修中也未再发现。

（5）针对操作不当，装配已采取培训、2次校准等手段，目前故障统计中基本没有此类现象；挺柱卡滞现象在改进装配操作要求后很少再现；

（6）对于市场上用户的日常保养问题，厂家采取了强保措施，在用户使用250 h后主动派服务人员上门为用户做保养，包括调整气门间隙。有效减少了因疏于保养而导致的发动机异常故障。

5 结束语

气门间隙对于发动机来说是极为重要的，因此在设计、工艺制造、装配过程等各个环节都要十分重视这个问题。同样，用户也要严格按照厂家的使用保养说明书中的要求，定时调整气门间隙。实践证明，采用吸尘、强保等临时性的辅助措施，对减少气门间隙的异常情况是很有效的，而采取主要零件结构设计优化、材料升级等是消除气门间隙异常的根本措施。

Cause of Abnormal Engine Valve Clearance and Solution

Zhou Zhipei
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 410208,China）

There was claim about abnormal valve clearance occurring during the ex-work test of some kind of engine every month in recent years,ether beyond the maximum clearance or below the minimum one, which becoming a failure model.Initial analysis of the root cause of this failure is made to find an effective solution in order to reduce the rate of such failure and provide as reference to our counterpart.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.014

来稿日期：2011-11-11

周志培（1968-），男，主要研究方向为内燃机装试过程质量控制。