内燃机气缸磨损原因和预防分析

张宁

摘要：内燃机气缸是高度耐磨损的部件，折合成活塞往复运动能达到数十亿次之多。尽管内燃机气缸的磨损是不可避免的，但是通过总结其规律，分析其原因，能够最大程度上减小磨损，延长寿命。但是气缸的磨损规律高度复杂，工作环境多变复杂，活塞连杆机构在气缸里长期进行往复运动，磨损程度受到多种因素的影响，因此必须要对其磨损原因进行分析，提出相应的解决策略。

关键词：内燃机;发动机;气缸磨损

0  引言

内燃机结构高度复杂，这使之能够在高温、高速、摩擦、受力、震动等恶劣环境下持续作业。一般的发动机即使在大修之前也能跑50万公里，这说明其磨损非常之小，甚至可以忽略不计，但是只要有摩擦就会产生损耗，为了进一步降低损耗，延长发动机寿命，就要对发动机磨损的原因进行分析。当前内燃机模块化还没有发展到一定水平，内燃机的拆解可能面临着更多的隐患，因此其大保养还存在很大的技术难题，所以在目前，改善设计的水平，提高加工的精度和改善机油的品质。

1  气缸磨损规律的探析

1.1 气缸磨损的原理分析

内燃机活塞并不与气缸壁直接接触，通过多道活塞环与气缸壁密封，摩擦面积减少，磨损的几率就大大降低。同样，活塞环也不与气缸壁直接接触，通过润滑油实现减少摩擦的作用。因为在现实中，气缸壁和活塞环都不能绝对光滑，所以在摩擦过程中，一部分不光滑的部分率先磨平。实际工作中，发动机不可能完全燃烧，比如火花塞受损，发动机三元催化受到影响，燃烧就不充分，如果发动机故障传感器进一步受损，那么这种情况就会长期存在而不被发现，这样就大大损害发动机。究其根本，内燃机气缸之所以磨损非常小，因为润滑油发挥了良好的作用。所以对于机车来说，定期更换机油，同时使用高质量的机油至关重要。目前围绕缸壁进行的处理主要是涂层和真圆处理，通过这些方式确保润滑油的使用效率，如果这些措施还不行，那么就需要检验活塞环，气门油封等，这属于内燃机大修的范围，在拆除和处理的过程中也容易出现问题，如果处理不当磨损同样会增加。需要注意的是燃烧控制是一个不确定的过程，无论搭配进气提前角和延后角或者点火提前角等方式，实质上都不能实现最优控制。尽管燃烧过程是循环的，其波动周期有规律可循，但是在循环过程中有诸多因素需要考虑，比如燃控当量比、EGR、循环质量产生的因素等。

1.2 气缸磨损的规律分析

尽管燃烧过程是不确定的，但是汽车发动机气缸磨损存在规律，正常磨损是不均匀的，如果出现均匀磨损或者固定位置磨损，那么可能是出现某一部件的故障。一般来说，在活塞环区域会出现一个锥形磨损轨迹。气缸磨损最严重的位置在上止点第一道活塞环的气缸壁。在气缸径向截面内，呈现不规则椭圆形的磨损，一般来说，进气门对面的磨损最严重。如图1所示，发动机的前后两缸磨损最大，这是因为其冷却强度大，长期在低温下工作造成的。总体来说，气缸轴向截面的磨损呈现出圆锥形，形成缸肩，径向界面呈不规则的椭圆形，增大气缸的圆度偏差。对于水冷内燃机來说，第一缸前壁和最后一缸的后壁磨损作为严重。

从气缸磨损规律中可以大致分析出内燃机的工作状态，如果表面有拉伤痕迹，说明内燃机可能处于高温状态，或者是长时间处于超负荷状态。如果测量结果显示磨损量较大，那么可能是内燃机的保养不到位，还可能是机油不达标，保养工作不及时，或者是内燃机使用时间过长。如果气缸圆度误差过大，那说明活塞受力过大，内燃机可能爆震燃烧的频率较高。如果呈现中间大两头小的磨损规律，那么可能是工作环境灰尘大或者机滤受到损害等原因造成的。

2  内燃机磨损的原因分析

2.1 基于气缸工作原理带来的机械磨损

机械磨损是不可避免的，其磨损程度和背压力、侧压力、活塞环自身的弹力、材质、加工精度和配合间隙等因素有关。典型代表包括背压力给气缸造成的锥形磨损，导致润滑条件变差，形成干摩擦，随着背压力的逐渐减小，呈现出锥形模型。在侧压力下，高压气体通过活塞向量测产生压力，气缸壁左右两侧磨损较大，产生偏磨现象，因此产生椭圆形的磨损。由于精度、材质和配合间隙等问题，气缸磨损间隙增加，导致上部磨损较大。同样，这也和内燃机的设计尺寸有关，内燃机在设计过程中会考虑热变形，这是一种复杂的非线性作业状态，因为气缸在工作过程中不同的材料、机油、冷却液在不确定条件下相互作用，缸套、缸体、活塞会产生各自的变形，设计上不能完善的考虑这些尺寸，因为由于这些机械原因而产生的变形是不确定的。因此，如果在设计中伸缩性过小，那么由于热变形等应力变化就容易磨损现象。比如，在高温高速强负荷的零件表面，当出现润滑不良、冷却不足且负荷较大的状况时，局部高温会导致熔融粘着或剥落，甚至会破坏气缸原有的几何形状，严重时会导致气缸报废，因此在内燃机大修等状况下，非常容易产生这类风险。从微观上来看，气缸壁上有细微的小孔，构成了蓄水池，受到活塞横向高频振动的影响，产生起泡和爆炸，形成压力波，导致金属表面发生小块剥落，形成穴蚀孔洞。活塞环断裂也会对气缸造成影响，从而加剧气缸的机械磨损。

2.2 操作不当带来的腐蚀和磨料磨损

冷启动时，由于润滑油的粘度高，在启动过程中由于油多在底壳，因此会产生干磨，天气越冷或者驾驶越激烈就会导致摩擦越为严重。对于有启停技术的车辆，热车机油变稀，熄火后机油流到底壳，再次发动时就会造成较大的磨损。如果在燃油中有杂质或者空气中有颗粒同样会造成磨损现象，因此越是使用高标号的燃油发动机的寿命越长。任何脏东西都会造成缸壁的磨损，尤其是我国一些小加油站，燃油品质不过关，发生磨损的几率就很大。另一个问题是发动机积碳，积碳的发动机不但燃烧质量下降从而引起磨损，而且活塞环位移、失圆、卡滞等问题也会产生摩擦。一般情况下，在热车过程中暴力驾驶，润滑油没有充分发挥作用，就会造成磨损现象。但是在冬季极低温度下，如果热车时间过长，又会造成积碳现象。短途驾车也会导致磨损现象的发生，比如非常短的距离，水温还没上来，在冷车状态下运行，金属间隙存在差异，机油粘度分布也不均匀，长期这样开车对缸体损伤较大。

活塞润滑冷却喷嘴一般的直径在1mm以下，在高粘度状态下流速较慢，其目的是用于高负荷状态下冷却活塞。由于活塞和气缸壁之间的间隙很小，间隙间会留有油膜，但是只存在于侧向力的两个方向，而不是覆盖整个一圈，这就导致在冷机状态下会有水凝结，在暴力驾驶过程中容易造成前侧磨损，从而导致常见的拉缸现象。如果机油长时间不更换发动机内就会有积碳，同时杂质积累会出发自我保护机制，从而使与过滤的机油流入润滑系统，这就对于活塞工作产生影响，从而造成磨损现象。

2.3 保养不当带来的腐蚀和磨料磨损

上部磨损，构造引起的磨损，因为温度高、润滑条件差，受到空气和燃料的冲刷和稀释，导致气缸上部处于半摩擦等状态，长期下去导致严重磨损。气缸套表面脱落，在一些内燃机气缸的燃烧过程中，会产生水蒸气和酸性物质，燃烧过程中还会产生有机酸，这样气缸就长期处于酸性环境中，由此造成了腐蚀，在摩擦过程中容易将活塞环刮掉，从而造成气缸套变形等现象发生。中部磨损，同时由于密封性不足或者工作中的其他问题，导致一些灰尘和杂质进入到气缸当中，这也会导致气缸磨损，在活塞往复运动的过程中，由于中部位置的运动速度最大，所以中部造成的磨损最严重。

由于空气滤清器效率低等因素，灰尘沙粒等进入到气缸中，气缸内部零件的磨损就会增加，如果空气滤缺乏保养，那么气缸套的磨损就会增加。根据实验显示，如果内燃机不安装空气滤，那么磨损可能超过8倍以上。内燃机长期低温运作也是一个重要因素，在冬季，内燃机燃烧不良，非常容易造成积碳现象，这也会导致气缸套的磨损。在低温下，同样会引起电化学腐蚀磨损，由于混合气没有充分燃烧，导致部分燃油和废气粘附在内壁，所形成的酸性物质对内壁造成长期腐蚀。机油长期使用会产生乳化现象，如果不能及时更换机油，那么其润滑效果就会显著下滑。机油滤和空气滤的效果不佳也会造成杂质进入过多，降低机油的纯度，从而严重磨损气缸套。

维修问题同样会造成气缸套磨损，如果气缸套的位置安装不当，比如中心线和曲轴轴线没有垂直等问题，在安装中还可能存在其它误差，这些误差和不精确都会造成非常正常磨损现象。很多时候，维修人员都没有非常系统的知识，他们一般是依靠在修理过程中积累的经验，使用简单设备辅助，因为操作流程和设备等问题就容易造成误差。比如在连杆铜套孔偏斜的过程中，如果铰刀倾斜就会造成活塞销中心线与连杆小头中心线不平行。在这种情况下，活塞会像气缸套的某一方向倾斜，这样气缸套会就发生磨损。

磨损腐蚀会对破坏气缸表面的原有的油膜，如果引起化学反应，零件的表面就会发生腐蚀，甚至会造成零件表面的形状变化和早期磨损。气缸壁内产生酸性物质会使气缸壁表面组织松散，会被活塞环刮掉，尤其在高温条件下磨损严重。新鲜混合气进入内燃机对气缸壁造成冷却，这导致进气门腐蚀磨损大，造成横向界面不均匀。

3  减少气缸磨损的措施

要减少缸磨损，首先要正确启动车辆，避免因为机油粘度大导致启动瞬间不能良好润滑的缺点，因此在启动车辆时，应该让发动机空转几圈，这样其表面能够充分润滑。在启动之后，发动机应该缓慢怠速，机油温度逐渐上升到40℃以后再起步，低档起步，逐渐正常升档，直到油温升高之后，再进行正常行驶。同时确保发动机正常工作温度在80℃到90℃左右，在温度过低的情况下，气缸壁的磨损会加剧。当水温降低到50℃时，气缸壁的磨损会增加4倍，因此，平时要看住水温，避免因为节温器等器件损害造成大循环导致水温降低，造成发动机气缸磨损。当温度升高时，气缸的抗磨损能力会明显降低，在温度极度升高时，甚至会产生“胀缸”现象，因此水温不宜过高。平时开车要减少暴力驾驶，结合操作的特点平稳驾驶，减少因为驾驶带来的损耗。

严格按照技术流程维修内燃机，强化技术标准，采用在线诊断和智能检测等技术，多采用传感器监控内燃机的状态。在对内燃机进行维修时，需要测量圆度误差和圆柱度误差来计算磨损量，使用设备为量缸表，以曲轴为坐标，平行和垂直兩个方向进行测量，取上中下三个点位，上下第一个点位离气缸上下段大约都在10mm左右。减少零件的装配误差，各种配件符合技术要求，连杆不能弯曲变形，避免发生偏磨现象。

要在设计上进一步创新，使用新工艺、新材料和新技术，结合新的算法进一步把握其故障特征。以材料方面为例采用铝合金等材料比传统铸铁材料热胀冷缩效应更加明显，因此在可以设计上进行创新，在活塞塔顶做隔热，在活塞裙边做涂层耐磨，提升其耐磨性。

重视内燃机的保养，要定期对燃油系统进行清洗，避免积碳现象，采用高效清洗剂等进行清洗，保证内燃机最佳工作状态。对水箱进行保养，清理水垢和锈迹，提升气缸的散热能力，减少因为散热不好带来的磨损。要加强对零部件的表面强化处理，提升其抗磨能力，保留交互交叉的细微网纹，对铸铁气缸表明进行激光强化处理，提升表面硬度值，延长气缸的使命寿命。在配缸过程中，严格按照技术要求，第一缸的间歇略大，最后一缸的间隙略小，保证各缸的磨损均匀。活塞环要保证其方向正确，“三隙”正常，特别要防止机油窜入燃烧室燃烧。

4  结语

只要气缸在工作过程中，活塞发生运动，磨损现象就会发生。内燃机气缸在高温、高压、腐蚀和各种负荷下工作，要延长其使用寿命，就要系统总结其磨损规律，分析其磨损原因，提出相应的预防措施。

参考文献：

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