IO-360-L2A型发动机气门机构故障研究

曾彬 何强 黄涛 聂绍伟

摘要：气门机构是发动机的重要部件，其工作性能直接影响发动机的工况。以赛斯纳172R飞机所用的IO-360-L2A发动机为研究对象，阐述气门机构工作原理，分析了气门机构常见故障，如气门卡阻、气门烧蚀、气门漏气等，结合维护特点制定了气门机构维护建议，对减少气门机构故障具有重要意义。

关键词：活塞发动机：气门机构：气门卡阻：气门烧蚀

Keywords：piston engine；valve mechanism；valve sticking；valve ablation

*中国民用航空飞行学院基金项目：赛斯纳172R飞机发动机汽缸常见故障及修复技术研究（J2016-08）

1 气门概述

1.1 气门工作原理

气门是发动机的重要部件，分为进气门和排气门，主要由气门头、气门颈、气门杆以及气门顶组成。进气门的作用是将空气和燃料吸入发动机内进行混合燃烧，排气门的作用是将燃烧后的废气排出。目前，航空活塞发动机结构形式以莱康明发动机公司的中空钠冷气门和大陆集团的实心气门为主。中空钠冷气门利用金属钠的相变过程将大量热量从气门头导向气门杆，然后经气门导套传向汽缸头，汽缸头通过散热片由空气散热。

莱康明发动机公司生产的IO-360-L2A发动机进气门杆是实心的，进气门工作区域温度比排气门低，一般采用铬、镍或钨钢材料。排气门主要采用铬镍铁合金、铬硅合金或铬钴合金制成（耐高温、抗腐蚀、耐冲击和磨损），排气门杆为空心杆，内部填充部分金属钠，其熔点大约为208℉，气门的上下运动使液态钠在杆内循环，从而将气门头部的热量传递到气门杆，气门杆又通过气门导套将热量分散到汽缸头，汽缸头通过散热片由空气散热。这样，气门的温度可以降低300℉～400℉（148℃～204℃）。

1.2 气门机构组成

气门机构包括凸轮轴、液压挺杆、推杆、气门摇臂、气门、气门座、气门弹簧以及气门导套。滚轮挺杆体在机匣内滑进滑出，将凸轮凸起的旋转运动转变为往复运动，然后将此运动传递到推杆、摇臂，最后传给气门杆端，按时打开气门。气门机构的工作过程可简单描述为：凸轮轴转动，使气门离开气门座，从而打开气门，当凸轮凸峰离开挺杆，在气门弹簧的弹力作用下气门关闭，气门和气门座紧密接触，并通过摇臂、推杆等将挺杆体贴到凸轮上。

当气门处于全关位时，摇臂和气门杆端之间的间隙定义为气门间隙。气门间隙的作用是保障气门在关闭时与气门座贴合严密，它影响着气门开关的定时性、气门的升程和气门打开所延续的时间。维护手册规定，IO-360-L2A型发动机的气门间隙应在0.028～0.080in之间。气门间隙过大或过小都会对发动机性能产生不良影响。气门间隙过大使气门晚开早关，减少了充填量，即减少了发动机的输出功率，不利于汽缸头的冷却，同时还影响混合比，使慢车时混合比趋于过富油；气门间隙过小使气门早开晚关，易使进入汽缸的新鲜混合气直接排入大气，造成功率损失，使发动机经济性变差，导致慢车时混合比趋于过贫油，小功率时造成回火。

2 气门机构常见故障

根据历年来的故障统计与分析，该型发动机气门机构故障大多为气门卡阻，其次气门漏气、气门烧蚀现象也比较常见。

2.1 气门卡阻

1）故障现象

一架赛斯纳172R飞机自引进以来，其IO-360-L2A发动机多次发生气门卡阻故障，严重影响飞行安全。

排气门卡阻一般发生在巡航或下降阶段改变油门位置的瞬间，冷发启动时也容易发生。故障初期发动机有轻微瞬间抖动，后期瞬间抖动次数频繁，转速和进气压力下降，故障汽缸排气温度不显示，汽缸头温度持续下降，排气管放炮，冒黑烟。对发动机进行内部检查可发现，故障汽缸的活塞上留有气门与活塞撞击后形成的月牙形凹坑。

此故障通常发生在2号缸和4号缸的排气门上。排气门卡阻后，排气门卡阻的汽缸不工作，而其他汽缸正常工作，發动机就会出现持续抖动，排气管冒黑烟。发生排气门卡阻的EGT和CHT异常或无指示。

由于发动机气门杆和气门导套的膨胀速率不一样，气门与气门导套的间隙变小，导致气门往复移动时的摩擦阻力可能大于气门弹簧的回复力，使气门卡阻在气门导套内，无法在设定的时机移动到规定的位置，造成气门卡阻。

2）气门卡阻与喷嘴堵塞的区别

通常采用地面试车和分解气门机构的方法来判断气门卡阻，地面试车时发现某个汽缸的EGT迅速下降或无指示而其他汽缸无明显变化时，可初步判断是气门卡阻（因气门卡阻后该汽缸基本不工作）。然后对汽缸进行压缩性试验，如果输出压力在正常范围内则可以排除气门烧蚀的情况，再进一步分解气门机构，检查气门是否发生了卡阻。

气门卡阻现象与燃油喷嘴堵塞故障现象较为类似，其对比如表1所示。

3）气门卡阻的关联影响

维护经验以及统计结果显示，活塞发动机的气门卡阻多发生在排气门上，高发于7～10月，特别是进入夏季，温度升高、大气污染、发动机过富油等引起发动机散热不畅，不完全燃烧产生的污染物在气门聚集，易造成气门卡阻故障。

排气门卡阻在关闭位，将导致推杆和推杆套弯曲（见图1），引起滑油外泄，同时高温高压燃气无法排出汽缸而倒流入进气系统，会影响其他汽缸的正常工作。

如果排气门卡阻导致汽缸推杆和推杆套弯曲，引起滑油泄漏，短时间无法安全着陆，很可能因滑油泄漏过多而导致发动机失效。

排气门卡阻故障发生时，因故障汽缸无法产生有效功率，为了确保一定的飞行高度，不得不增加其他汽缸的输出功率，将导致燃油消耗量剧增，如无法在燃油耗尽前安全着陆，可能引发严重的飞行事故。

排气门卡阻在开位将导致大多数的混合气在电嘴点火前就被排出汽缸外，并在其他缸排出的高温燃气作用下在排气管中不完全燃烧，产生黑烟，同时发动机因功率减小而引发振动，严重时将导致活塞和排气门相碰撞而出现机械损伤。

2.2 气门漏气

通常情况下，气门漏气是由于活塞和活塞涨圈之间配合不正确造成的。另外，气门与气门座之间配合不紧密也易造成气门漏气。气门连续不断地开关，加上燃烧室产生的高温高压气流对气门座持久的热腐蚀和撞击，极易造成气门漏气。气门漏气会降低发动机的输出功率，严重时将导致发动机无法正常工作。

气门密封性检查是指指发动机处于热发停车的状态下，当汽缸壁和涨圈之间还有均匀润滑时，找到该汽缸压缩行程上的死点，固定住螺旋桨，从汽缸上拆下一个容易接近的电嘴，然后将地面气源的输入压力调至80psi，从该电嘴孔处连接一接头对汽缸充气。如果输出压力表上的值不低于60psi，且各汽缸的压力差值不超过15psi，则说明各汽缸的密封性良好。如果某个汽缸与压力最高的汽缸的压力差值为10～15psi时，则需要对压力低的汽缸进行核查，以确保进排气门无明显漏气。

对于气门漏气故障，首先需要判断是否由气门卡阻造成。若气门机构正常，则再考虑是否存在气门和气门座之间的密封带烧蚀或有沉积物，甚至是气门烧裂缺块的情况。判断方法是：确保飞机未接通电源，用手搬动螺旋桨，如果在气门附近听到气体泄漏的嘶嘶声或者口哨声，说明排气门漏气；若燃调处传出声音，则可判断进气门漏气；若从机匣通大气孔处传出声音，则可判断为活塞与涨圈配合不正确导致的漏气。

确定为气门漏气故障后，汽缸压力通常很低甚至为零，机务人员可以拆下汽缸，堵住电嘴安装孔并关闭气门，向汽缸里灌入汽油等液体，通过观察是否有液体从气门处渗漏来验证。

2.3 气门烧蚀

气门在汽缸内承受高温、腐蚀和工作应力，工作温度高达1400℉，同时气门关闭时对气门座的冲击负荷很大，撞击次数较多，如转速在2000rpm时每分钟撞击1000次。进气门受到新鲜混合气的清洗，散热较容易，排气门的工作条件却更为恶劣。排气行程中高温气流通过排气门和气门杆，使排气门受热程度比进气门严重，散热又不足，故排气门温度比进气门高，因此排气门多发生烧蚀的故障，如图2所示。

根据该型发动机的结构设计和实际运行环境分析，排气门运行温度过高导致排气门的抗腐蚀保护层被破坏是排气门烧蚀的根本原因，而高铅燃油中的铅沉积在排气门密封面上，导致排气门散热不良是排气门过热的主要原因。

如果气门与气门座间的密封带烧蚀或有沉积物，将导致排气门与气门座密封不严，高温燃气长时间烘烤排气门杆，造成排气门杆单位时间内吸热量过多而产生烧蚀，烧蚀后的排气门无法关严，造成能量损失，各气缸的功率将出现不均衡，最终导致发动机运行不稳定。

3 气门机构维护建议

根据维护经验，从维护角度给出预防该型发动机气门机构故障的常见措施，以降低气门机构故障发生率或避免故障的发生，保障飞行安全。

1）定期检查气门间隙，按该型发动机工作单卡定期对气门机构进行维护。同时，认真清洁和润滑气门机构，将积铅积炭清洁干净，防止灰尘等杂质进入发动机内部。

2）检查滑油通道是否畅通，保障滑油系统的正常工作，使气门杆得到良好的润滑，尽量减少气门杆和气门导套间的沉积物，降低其生成速率。

3）使用无铅汽油或低铅汽油。特别是夏季飞行过程中应保持发动机温度不致过高，注意气缸散热，保持汽缸头温度低于400℉。

4）在拆装气门弹簧过程中，应避免工具划伤气门杆，并清洗去除积炭等污染物。检查气门、气门座等有无裂纹，有无磨损、刻痕、刮傷等缺陷；检查有无机械损伤或燃烧造成的损伤，若有损伤则报废此气门。

5）发动机停车后不能马上打开发动机整流罩，防止发动机因温度急剧降低而造成气门机构故障。

6）发动机试车时，避免发动机在地面长时间小转速运行，注意冷暖机，尤其是正确调节贫富油可以明显降低排气门和排气门导套上沉积物的生成速率，进而降低排气门卡阻的发生率。

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作者简介

曾彬，工程师，主要研究方向：航空器维修与适航。