柴油发动机活塞熔顶开裂失效分析

张帅，李晓荣，苏辉，王萌，李承谦

(保定长城内燃机制造有限公司，河北保定 072650)

柴油发动机活塞熔顶开裂失效分析

张帅，李晓荣，苏辉，王萌，李承谦

(保定长城内燃机制造有限公司，河北保定 072650)

某机型活塞在特定地域市场上出现活塞熔顶及活塞开裂的故障现象。从活塞的材料结构、配缸间隙、活塞的冷却、发动机运行工况等方面分析故障现象，使用FEA分析工具及发动机试验等，通过加强活塞冷却、优化油泵喷油量、控制油气分离器工艺过程，有效解决活塞开裂问题。

活塞开裂；热负荷；温度场

Abstract:Failure phenomena of pistons appear in special geographical market, such as dissolving of the top and cracking.Those failure phenomena were analyzed from many directions, including the material structure of the piston, cylinder clearance ,cooling and the operating condition of the engine.Using analysis tools of FEA and engine experiments, through strengthening the piston cooling, optimizing the pump fuel injection quantity and controlling the process of the oil and gas separator, the failure was successfully solved.

Keywords:Piston cracking;Thermal load;Thermal field

0 引言

活塞组件是发动机中工作条件最严酷的零部件，发动机的工作可靠性与使用耐久性在很大程度上与活塞组的工作情况有关，活塞组件与气缸一起保证发动机的密封，否则发动机就不能正常运转。实践证明：活塞组件的寿命决定发动机的寿命，在大功率强化发动机中，活塞组的热负荷往往限制了发动机的强化潜力[1]。

柴油机活塞材料大多数为硅铝合金，其结构复杂，且散热条件极差，工作时承受高压燃气爆发压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负荷作用，同时承受高温燃气作用，活塞表面温度分布不均匀，活塞会发生热疲劳、机械疲劳，最终导致活塞熔顶和开裂[2]。

1 故障现象分析

1.1 故障描述

某款柴油发动机在南非等地发生多例活塞熔顶、开裂问题。

这种情况增加公司的售后服务成本，对品牌声誉造成极坏的影响。

1.2 故障分析

(1)国内外使用环境对比。对南非路况及驾驶习惯进行调查，南非公路路况较好，行驶车速较快，市区行驶速度80～100 km/h，高速上150 km/h以上；同时，发动机启动后直接起步，不进行预润滑运转，活塞在高温下长期工作，在过高热应力和机械应力作用下，材料易发生热疲劳和机械疲劳，活塞易熔顶和开裂。

(2)对故障活塞确认。顶部发生大面积烧熔的活塞命名为1号(图1(a))，顶部局部烧穿的活塞命名为2号(图1(b))，可见：1号活塞顶部烧熔不均，严重烧熔区集中于一侧，这表明烧熔过程中，活塞轴向可能受力不均，致使受力较小一侧发生大面积烧熔；2号活塞顶部开裂部位平行于活塞销孔方向，开裂起源于活塞燃烧室喉口部位。

对活塞硬度、金相组织(图2)进行检测，均正常。

(3)对喷油器进行测试，其功能正常，未发现喷油器卡滞、造成常喷油以及滴油现象。对活塞头部积碳成份进行分析，确认为机油积碳。

(4)检查增压器，其进、排气端叶轮涡轮叶片正常，转动灵活，无卷边、擦壳、磕碰等磨损。增压器中间体和转子轴之间配合间隙及润滑情况良好，机油无法从增压器出气口进入燃烧室。

(5)对活塞冷却喷油管焊合件进行通油试验，确认未发现堵塞现象(给活塞内腔提供冷却)。

对活塞内腔冷却流量进行确认，内冷油腔活塞对喷嘴的要求比较高，要求活塞在下止点时冷却油能够全部喷入，活塞在上止点时大部分冷却油(80%以上)喷入，喷油嘴的喷油量为5～7 L/(kW·h)，喷射速度大于活塞的最大瞬时速度，换算成L/(kW·min)计算冷却喷嘴的最大、最小流量。

为验证冷却喷嘴流量，在实验台架上进行打靶试验，主油道的供油压力使用泵体模拟，喷嘴相对活塞位置由工装实现，将喷油嘴固定在工装下端，活塞在工装内上下移动，在活塞出口处及工装下端放置容器，收集机油，得到总喷油量，经过检测冷却喷嘴冷却流量满足冷却需求。

(6)此问题主要集中在此款柴油发动机机型上，此机型是在同平台柴油发动机机型上衍生而来，与同平台发动机相比较，功率增加10 kW，扭矩增加75 N·m，发动机增加中冷器、油气分离器，同平台机型无此问题。对此机型发动机进行性能试验，发现发动机实际功率较开发设计时功率大6 kW；

(7)为验证功率增加对活塞热负荷影响，对活塞进行FEA模拟分析。根据分析结果(图3)，功率增加活塞热负荷增大，安全系数降低为1.01[3]。

(8)重新标定发动机功率。优化设计量产发动机在额定工况的喷油量，确保其额定功率不再超出设计要求范围。对重新标定ECU程序发动机进行活塞温度场测试，在活塞上安装23个温度塞，在相同试验条件下，ECU数据分别使用批产数据及更改后数据进行试验，试验中发动机先从低转速、低负荷逐渐增加，达到要求测定工况后，稳定运行2 h，停机冷却[4]，取出活塞各个测点的温度塞，编号并逐一进行硬度值的测定，确定温度变化情况。测试结果(图4)显示：数据优化后活塞顶部温度较改进前降低了11 ℃，排温降低了50 ℃，发动机热负荷明显降低。

在发动机额定功率大于设计值的情况下，进气量无法增加，单纯依靠增加燃油喷油量，发动机后燃严重，燃烧恶化，造成发动机热负荷明显增高，排温升高。在发动机长期高速高负荷行驶的情况下，发动机活塞顶面温度过高，超出活塞材料的热疲劳极限，造成活塞开裂的极端市场故障。

2 解决活塞开裂的措施

通过重新标定发动机ECU数据，在满足发动机动力性能的前提下，减少喷油量，使燃油燃烧更加充分，明显减少活塞的热负荷，避免活塞温度过高造成开裂。

采取以上措施后的发动机销售后，对其市场情况跟踪，再无活塞开裂故障出现，这证明改进措施是可行的、有效的。

【1】 杨连生.内燃机设计[M].北京:机械工业出版社，1982.

【2】 蒋德明.高等内燃机原理[M].北京:机械工业出版社，2004.

【3】 辉门公司.活塞热负荷分析报告[R],2013.

【4】 雷基林, 申立中,毕玉华,等.增压中冷柴油机活塞温度场试验研究[J].内燃机工程，2007(5).

FailureAnalysisofPistonCrackingforDieselEngine

ZHANG Shuai, LI Xiaorong, SU Hui ,WANG Meng, LI Chengqian

(Great Wall Baoding Internal Combustion Engine Manufacturing Company Limited,Baoding Hebei 072650,China)

2014-07-15

张帅(1988—)，女，本科，助理工程师。E-mail：15933941926@163.com。