活塞式航空发动机气门机构故障分析

唐嗣杰

摘要：气门机构是控制气门适时开、闭的关键机构。气门早开晚关、晚开早关都会严重影响活塞发动机的功率、效率等。活塞式航空发动机的气门机构主要部件包括推杆、摇臂、气门弹簧、气门等。本文旨在通过对活塞发动机气门机构中各个部件以及该部件常见的故障和故障发生的原因进行研究以提早制定维护使用计划，消除相关安全隐患。

关键词：活塞发动机 气门机构 典型故障

1.气门机构

为了使活塞式发动机正常工作，气门必须要在规定的时间打开，并且在规定的时间关闭。这样才能保证发动机工作正常并且容积率较高、气缸温度较低。气门的定时开或者关的运动是由气门机构来控制的。不同发动机的气门机构有所不同，但主要的组成部分是一样的。图1所示为典型的航空活塞式发动机的气门机构。从图中可以看出：气门机构主要由凸轮、挺柱、推杆、摇臂轴、摇臂、气门弹簧座、气门弹簧、气门导管、气门和气门座组成[1]。其工作过程是：当凸轮转动时，凸起部分顶着一个挺柱工作，挺柱推动推杆，推杆又作用于摇臂，压缩气门弹簧使气门打开。当挺柱沿着凸轮盘较低的部分滚动时，气门在弹簧张力作用下 关闭，摇臂和挺柱也恢复到原来的位置[1]。常见的气门机构故障有：推杆弯折、气门间隙过大或过小等。

2.推杆弯折

推杆是圆筒形的，其作用是将挺柱传递来的力再传递给摇臂。管形的推杆不但轻，而且强度高，它可以使发动机润滑油在压力的作用下，穿过空心推杆去润滑摇臂等机件。推杆弯曲或折断是非常严重的气门机构故障，一旦发生，气门机构将不能正常运转使发动机功率下降、剧烈抖动严重的甚至会造成发动机空中停车。

推杆弯折形成的主要原因有：（1）发动机内部有污染物。发动机内部有污染物极易导致推杆弯折，积碳、空气中的杂质、粉尘、润滑油中的异物等，这些物质堆积在推杆与推杆导套内，有的可以被润滑油清除掉。但如果操作不当或使用的润滑油不好会导致气门机构内部污染，从而导致推杆弯折。（2）润滑不良。发动机运转过程中，气门机构始终处于高速运作的状态，比如在1200RPM的转速下气门机构每分钟就要来回运动1200次[1]。润滑不良将会导致气门机构各部件之间的摩擦急剧增大，严重时将会导致推杆弯折、摇臂磨损等故障。（3）气门积碳。积碳是由发动机的油料未能充分燃烧，在高温和氧的催化作用下形成盐酸和树脂状的胶质，粘附在零件表面上，再经过高温作用进一步浓縮成沥青质和油焦质等复杂的混合物。气门机构中积碳容易产生在排气门与气门座之间，燃油品质以及燃油的不充分燃烧是导致积碳产生的主要原因。积碳在气门与气门座之间过多的堆积将导致气门卡阻从而导致推杆弯折[2]。

推杆弯折的预防方法。（1）避免发动机功率突然下降。飞行使用中发动机功率的突然下降将会导致燃油燃烧不充分。未能充分燃烧的燃油将在气门附近高温和氧的催化作用下形成积碳致使推杆运动受阻。（2）使用规定牌号的燃油。

燃油含铅量超标达不到使用标准，导致铅油泥积聚过多可能直接堆积在气门和气门导套之间，阻塞通路[3]。（3）防止润滑油变质。长时间敞开放置的润滑油将会氧化，氧化变质后的润滑油不仅不能起到润滑作用，反而会腐蚀机件、产生泡沫使金属表面的油膜不连续，增大机件摩擦力和磨损。因此，使用过程中应防止加入长时间敞开放置的润滑油且定期更换润滑油以保证其起到良好的润滑效果。

3.气门间隙过大或过小

当气门处于全关位时摇臂和气门杆顶端之间的间隙定义为气门间隙。气门间隙将影响气门开关的定时性、气门的升程和气门打开所延续的时间。气门间隙的作用时保障气门在关闭时与气门座贴合严密。如果没有这个间隙，则气门可能因为制造零件时尺寸上的误差，或者因为气门与气门座磨损等原因而使气门关闭不严，影响发动机的正常工作。冷发动机时的气门间隙叫冷间隙，发动机工作时气门的间隙叫热间隙。对有气门的航空活塞式发动机来讲，气门间隙的大小对发动机的工作影响较大，气门间隙过大或过小都不好。

（1）气门间隙过大。气门间隙过大会使气门晚开早关，这是由于凸轮盘上的凸起开始在挺柱下通过时需要凸轮盘上凸起导坡的更多部分来抵消气门间隙，结果使气门比它应开的时间晚些打开。也就是说，气门在到了凸起修正处任没打开，过了凸起修正处一段距离后才打开。同理，如果气门在未到凸起修正处之前就关闭，这就使气门开启的角度变小，从而使开启时间比应有的短，缩短了气门的升程。进气门间隙过大致使进入气缸的空气量比正常值小。排气门间隙过大致使排出的废气比正常值小。这两种情况都会减少汽缸内的充填量，减小发动机的输出功率;同时也不利于汽缸头的冷却。（2）气门间隙过小。气门间隙过小使气门早开晚关，造成气门开启角变大，开启延续的时间变长，增加气门的升程。进气门早开会使进入气缸的新鲜混合气从排气门直接排入大气，使发动机的经济性变差;进气门关的晚，使已进入气缸的新鲜混合气又通过进气门被压回进气管，减少了气缸的充填量，减小发动机的输出功率。排气门早开，缩短了膨胀作工的过程，造成功率损失。排气门晚关会使进入气缸的新鲜混合气通过排气门直接排入大气，也使发动机的经济性变差。气门间隙过小影响混合比，使慢车时混合比趋于过分贫油。在小功率时，会造成回火。

气门间隙的检查。气门间隙不当，不可能所有的气门都在同一方向错调，而是某些汽缸的气门间隙过大，另一些汽缸的气门间隙过小，这就造成汽缸与汽缸之间的工作情况不同，输出功率不相等。为此，发动机制造厂家规定了气门检查的周期，而且还规定任何时候发生发动机抖动、回火、压缩不足或难以启动，都应检查和调整气门间隙。

4.总结

气门机构故障严重威胁飞行安全，严格按照厂家规定的检查周期对气门机构进行检查;研究其常见故障的故障现象、故障机理指导日常维护使用方法对于保障飞行安全意义重大。

参考文献

[1]唐庆如.活塞发动机[M].北京：兵器工业出版社，2007.

[2]杜仲.航空活塞发动机气门卡阻故障研究[J].航空维修与工程，2013.

[3]孟现召，冯岩鹏.某型航空活塞发动机排气门积铅机理[J].航空动力学报，2020.