某型汽油机气门故障分析

张浩

摘 要：根据气门伞部断裂状态及其他故障现象，结合气门间隙变化对气门落座力影响的计算机动力学仿真，完成故障原因和故障过程的分析，为设计变更和下一步验证提供了方向。

关键词：气门间隙；落座力；挺柱；气门反跳

中图分类号：U462.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-106-02

Abstract： Based on the status of the broken valve and related parts and by the method of computer aided simulation， this article analyzes the main cause and the malfunction process of a valve breakage failure to provide a direction for design improvement and test of next phase.

Keywords： Valve clearance； Seat force； Tappet； Valve re-bouncing

CLC NO.： U462.2 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-106-02

前言

气门及气门座用于开启、关闭进气道和排气道，在发动机工作过程中控制混合汽的进入和废气的排出，是影响发动机性能的关键部件之一。气门及气门座在高温、高压下工作，还需要承受汽缸内爆发压力的冲击，工作环境十分恶劣。本文就某型汽油机交变负荷中气门故障，结合故障现象和力学分析，理清了故障原因和过程，为故障件改进和进一步试验考核提供了方向。

1 故障现象

某汽油机进行交变负荷试验至172h时，曲轴箱压力由-0.16突增到6.3kpa，停机后曲轴无法盘动。拆除排气歧管，发现排气侧8号气门断裂。进一步拆解发现：8号排气门气门间隙异常，4缸活塞碎裂，断裂气门对应气门挺柱与气门接触部分异常磨损；磨损部分导致气门和气门挺柱间间隙异常，其余气门状态良好，气门间隙正常，气门挺柱无异常磨损。

2 原因分析

阀系类零部件（包括气门、气门弹簧、气门座圈、机械挺柱和凸轮等）在发动机运转过程中主要受惯性力影响，接触面的压力和发动机缸内爆发压力无关，只和发动机的转速有关。所以，发动机阀系组件的考核，需在发动机最大转速下进行，这一转速通常是发动机的断油转速，试验方法称之为超速试验。本次试验工况亦包含超速过程，但该工况运行时间较短，而在额定转速工况有较长时间考核，故还需额定转速下的阀系受力状态分析。

2.1 气门间隙对凸轮与气门间作用力的影响

当凸轮角速度一定时，气门间隙增大，挺柱与凸轮接触延迟，凸轮中心与接触点半径增加，接触点速度增加，凸轮与挺柱间冲击增强。冲击过程中，若气门或挺柱发生啃食，则气门间隙会进一步加大，啃食亦会加强，形成正反馈，直到发动机停止运行为止。

2.2 气门间隙对气门落座力的影响

气门间隙增大，气门与凸轮接触延迟，脱离接触提前。脱离接触时，气门速度亦会增加，落座力增强。借助于计算机仿真分析，额定转速下正常状态气门间隙，气门落座力位390N；故障状态气门间隙，落座力为5200N。故障状态下，气门伞部和杆连接处受到冲击力远超正常值，易发生断裂。超速状态下，正常气门间隙落座力475N，故障状态气门间隙落座力1300N。本次试验超速过程中，气门间隙异常状态下，气门与凸轮脱离后再次接触时，二者相对速度较小，碰撞冲击力较小；由于初次碰撞消耗了气门组件的能量，随后气门落座时，气门速度较小，冲击与额定转速状态下气门落座相比，冲击力较小。

2.3 气门间隙对气门反跳的影响

在气门开启过程中，气门受凸轮压力和弹簧作用力，气门的运动状态主要由凸轮决定。当气门完全开启，凸轮垂直方向分速度为0时，气门在惯性作用下仍然有向下的速度。凸轮角速度不变，随凸轮转角变化产生垂直分速度，此时气门在弹簧力的作用下产生于弹簧力方向相同的加速度，气门运动主要受弹簧张力影响。气门与凸轮分离后，两者的运动分开进行，但气门端部可能会重新回到凸轮面上，如果冲击速度过大，气门会重新弹跳脱离，出现气门反复跳动的现象。另气门与气门座圈接触时，气门组件（包括气门、挺柱和弹簧）能量一方面由伞部和座圈碰撞消耗，另一方面通过锁夹由弹簧吸收，若冲击较大，亦容易发生气门反跳。根据计算机仿真结果，本次试验中故障状態气门间隙在额定转速和超速转速皆出现气门反跳，但气门反跳升程最大不超过0.5mm，一定程度上会影响发动机性能，但不足以导致活塞撞气门。因此，本次故障中气门断裂并非气门与活塞撞击导致，而是气门与气门座圈冲击力过强导致气门伞部与杆部连接部分断裂，脱落后的气门与活塞撞击导致活塞损坏。

2.4 故障过程总结

气门挺柱强度不足→挺柱啃食→气门和挺柱间冲击增强→挺柱进一步啃食→气门出现反跳和落座力增大现象→落座力异常导致气门头部与杆部焊接部分断裂→气门头部撞击活塞。

3 结语

3.1 气门挺柱强度不足导致此次故障，需加强挺柱强度后再次试验；

3.2 气门间隙对气门、挺柱的受力有着重要的影响。若此间隙过大，则会造成气门落座速度过大，产生落座冲击噪声，加剧气门及座圈磨损，甚至造成发动机损坏。因此，合理的气门间隙要结合实际情况进行确认，并且在发动机使用过程中要定期维护调整，以保证发动机正常工作。

参考文献

[1] 全兴信.内燃机学.[M]北京：机械工业出版社.2015.

[2] 张敬东，李英涛.发动机可靠性试验方法机理研究[J].汽车实用技术，2017，（21）：92～94.