东风系列内燃机车柴油机喷油器故障分析和处理

李月亮 袁玉波 张传福 丁恩平

摘要： 本文介绍了东风系列内燃机车柴油机用喷油器的基本结构、工作原理和常见故障形式，针对机车实际应用过程中出现的喷孔变大进行故障项点梳理，通过油品检测、宏观观测、硬度检测、微观形貌等方法，逐步排除所列故障项点，最终分析出可能是穴蚀导致喷孔变大，建议供应商严控喷孔入口圆角半径和喷孔内表面加工精度以削弱穴蚀影响。

Abstract： This paper introduces the basic structure， working principle and common fault forms of Dongfeng series diesel locomotive diesel fuel injectors， and sorts out fault points for the enlarged nozzle holes in the actual application process of locomotives. ， hardness testing， micro-morphology and other methods， gradually eliminate the listed fault points， and finally analyze that it may be cavitation that may lead to the enlargement of the nozzle hole. It is recommended that the supplier strictly control the fillet radius of the nozzle hole entrance and the machining accuracy of the nozzle hole inner surface to ensure that the nozzle hole becomes larger. Reduces cavitation effects.

关键词： 喷孔变大;硬度检测;微观形貌;穴蚀

Key words： enlarged orifice;hardness testing;microscopic morphology;cavitation

中图分类号：U269.5+5                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0188-03

0  引言

东风系列内燃机车柴油机燃油系统设有燃油精滤器、低压输油管系、喷油泵、高压燃油管、喷油器、限压阀以及相关回油管路组成，为保证向柴油机供给足量且具有一定压力的燃油，机车上还设有一套柴油机机外燃油供给系

统[1]。在实际运用过程中，低压供油系统的故障率较低，一般仅是喷油泵、喷油器两个高压精密运动件容易出现故障，本文仅对喷油器故障进行分析和处理。

1  喷油器介绍

东风系列内燃机车柴油机用喷油器为多孔、低惯性喷油器，由喷油器体、调整垫、弹簧上座、调整弹簧、弹簧下座、支座板、压紧螺帽、针阀偶件等组成。针阀直径？准7mm，升程为0.6mm，压力室直径2.8mm，喷孔为8×0.45mm×155°，喷孔长度1.6mm，启喷压力为34.5±0.5MPa。

2  喷油器的工作原理

喷油器的主要功能是将由喷油泵供给的高压燃油通过喷散将大气雾化，并合理的分配至燃料室，与高速流通的空气相互混合，以产生平衡良好的可燃混合气。

当喷油器进行工作时，来自喷油泵泵出的高压燃油，首先通过高压燃油管、进油接杆进入喷油器装孔体上部的进油道，然后再经支座板油道进入针阀体上部的环形凹槽，再分三路油轨进入蓄压腔中，如图1所显示，作用于针阀的承压板锥面上，对针阀产生了一个正向的轴向式推动力，当燃油压力超过34.5±0.5MPa时，推动力将超过调压弹簧的预紧力，针阀向上移，从密封锥面脱离阀座，高压燃油流入压力室，并沿各喷油嘴向高速的方向喷进燃料室中。

喷油泵终止供油时，随着压力卸载式出油阀的功能，高压燃油管道气压急剧降低并维持正常气压为11～13MPa，此时针阀所受轴向推力等于调压弹簧的预紧力，针阀在调压弹簧帮助下复位，保护锥面回落至阀座以下，喷孔封闭，终止了喷油。

由于针阀偶件的间隙，蓄压腔内部分燃油泄漏到弹簧端，从泄漏油口处重力回油到燃油箱内。这部分泄漏的燃油起到润滑冷却针阀偶件的作用。

3  喷油器常见故障

喷油器的针阀口与针阀体配合缝隙，一般在0.002～0.0045mm，但柴油机若长时间工作，很易堆积污垢和杂质，导致针阀偶件卡滞或磨损。同时，由于针阀偶件位于燃油室的上方，且周围环境为高温高压的不良环境，并受高压高速燃油冲击喷孔内壁，极易造成喷孔形态改变。

喷油器容易失效于高速运动位置，主要有针阀的导向柱面和密封锥面处，受200～240m/s高速燃油冲刷的喷孔处，以及疲劳断裂的弹簧，本文也是对此分别进行故障分析，如图2所示。

3.1 导向柱面失效

因加工、组装或间隙中存在杂质等因素，引起针阀间隙变小。

如果间隙过小时，导致针阀在针控制阀中出现卡紧或咬死，则针阀将无法进行启闭甚至完全无法启闭。而如果针阀在闭锁状况咬死，则该缸将由于停油或熄火，柴油机的速度突然降低而不稳定。该缸的排温明显降低，喷射系统中的油压也骤然增大，最严重时在高压油管接头处会出现漏气甚至爆裂，同时喷油泵和高压油气管也将发热，高压油气管脉动程度严重。如果针阀在针控制阀中卡紧或没有进行闭锁，则会导致雾化程度不足，燃烧效果變差，后燃问题严重，排放温度明显上升，此时高压燃料管脉动程度将降低。形成此类故障的主要因素是油中的机械杂质流入针阀偶件内部，如喷油器的冷却水不好，针阀偶件内部过热和变形，装配不良以及压紧的螺栓和螺母过紧等。

由于机械损坏、锈蚀、偶件与自身尺寸间隙大等原因，造成了针阀偶件孔隙过大，漏气异常，喷油压力不够，雾化效果不好，柴油机冒黑烟。此外，在高压系统中还有发生穴蚀的可能性。当各缸喷射器针阀偶件的导向柱面磨损不一致时，则各缸喷射量也不一致。这个现象在低负载时会特别明显，影响了发动机低负载运行时的稳定性。

导向柱面磨损后不能通过研磨恢复其密封性，应当在发现其密封性下降后予以及时更换新针阀偶件。

3.2 密封锥面失效

冲击磨损、腐蚀、空蚀、疲劳破坏座面;杂质、积碳等脏物聚集在座面，破坏座面线位置的密封性;座面偏心、座面角不正确等加工尺寸问题或组装不当引起配合失效，这些都将导致密封锥面失效，出现喷油压力低、滴油、雾化不良等问题，柴油机运转波动较大，冒黑烟。

针阀与阀座密封不可靠，存在缝隙，存在漏油现象，破坏了喷油束与燃烧室的匹配关系，燃烧火焰在喷孔附近燃烧，造成积碳严重，喷油孔阻塞。喷油孔阻塞使喷射持续期延长，后燃严重，并可能出现二次喷射。喷油雾化差，燃烧不良。

密封锥面失效后，可仔细研磨以恢复其密封性。但当针阀出现下沉时必须更换新针阀偶件。

3.3 喷孔失效

磨损、腐蚀、烧蚀、空蚀等因素导致喷孔变大，雾化不良，柴油机冒黑烟。尤其是在针阀关闭后，由于针阀关闭产生的压力扰动和断油是喷油孔内的压力迅速降低而产生空化，喷油孔道中的空泡与流道孔径相当，燃油粘度大，形成空泡所需的能量高;空泡尺度大，能量高，溃灭时对流道孔壁的损伤大，容易形成竹节状、喇叭口状的流道形貌。

烧蚀、积碳阻塞了喷孔，导致喷孔面积缩小，使喷出的距离变短，燃烧更靠近于喷水嘴，再反过来加速了喷孔结炭，直到喷孔完全阻塞。如果喷孔的阻塞问题严重，各缸喷出量将不平衡，使柴油机在低速下行驶时运转不平衡，高压汽油管脉动加大，喷油时间拉长，后燃增加等。喷孔的这些故障都会造成汽油雾化不好，点燃速度下降。

柴油机在运行过程中，针阀关闭后，喷孔内的残余汽油产生了一层薄静压油膜，若受到高温和高压等环境的影响，极易引起热裂化反应，从而产生大量积炭。燃油杂质多、机油窜入燃烧室等也会形成积碳，积碳堵塞喷孔，高压油管内最大压力变大，喷射持续期延长，可能造成二次喷射。喷孔堵塞严重时将不喷油。

喷孔失效后，应当在发现其孔径异常后予以及时更换新针阀偶件。

3.4 弹簧失效

除弹簧本身因素，一般情况下，弹簧达到疲劳寿命极限而断裂，导致启喷压力异常，柴油机工作异常，严重影响机车正常作业。

磨损、腐蚀、塑性变形等因素导致弹簧刚度变小而提前喷射，严重时导致二次喷射，针阀无法落座，锥面密封

失效。

磨损、腐蚀弹簧端面，造成弹簧与座之间间隙变大，启喷压力变小，启喷始点提前，端面磨损严重时，高压油管内残余压力高于启喷压力，造成多次喷油等问题。同时，启阀压力降低或针阀关闭不严，导致燃油雾化不良，喷油提前，燃烧粗暴。

4  喷油器故障案例

东风系列内燃机车在机务段运用过程中曾出现过冒黑烟问题，针对该问题首先通过查看主发参数，排除超载因素影响;通过检查进排气系统无泄漏、检查增压器工作正常，排除进排气因素影响，通过感受高压油管脉冲状态，排除喷油泵泵油影响;经负载、进排气、供油等燃烧室外部因素逐一排查后，仍无法找到冒黑烟问题原因，所以应从燃烧室内部角度查找，通过测量各缸压缩压力，排除缸内状态影响，拆掉喷油器，从外观上发现喷油器喷孔异常，积碳严重，清理喷孔积碳后，发现喷油器喷孔变大且孔径各异，这就导致燃油雾化不良，柴油机冒黑烟。

4.1 喷孔变大故障分析

喷油器喷孔变大故障主要可能原因是磨损、腐蚀、烧蚀、空蚀[2]。需根据现象逐一排查。

当燃油中含杂质较多会产生磨损，但喷油器针阀偶件材料大都采用耐磨损，耐腐蚀的高碳铬轴承钢，且针阀体一般采用渗碳淬火，因此予以排除。

当油品中含硫过高使得喷油器喷孔遭受严重的高速燃油冲刷，产生腐蚀现象进而使喷孔直径变大。

当燃烧室温度过高、缸内进气量过少、燃油不清洁或喷油时间过晚，这些都会造成喷孔积碳并聚集在喷油嘴上，造成喷孔烧蚀变形。

燃油系统管路中含有空气并随高压油泵进入到喷油器内，泵油压力异常，锥面密封异常，喷孔入口圆角未加工或圆角太小，喷孔内表面粗糙，这些都会造成空蚀，使得喷孔变大[3]。

4.2 喷孔变大故障处理

首先检查燃油管路和喷油泵工作正常，排除管路有气和喷油泵泵油压力异常导致穴蚀影响。

其次化验油品，符合GB19147-2016（Ⅵ）《车用柴油》要求，排除含硫腐蚀和杂质磨损影响。

结合喷孔变大故障原因分析和上述故障处理后，仍然无法找到喷孔变大的真正原因，所以将针阀体剖开，从喷孔内部形貌角度分析喷孔变大原因，如图4所示。宏观观测发现喷孔呈喇叭形，进油处小、出油处大，密封锥面与压力室（A处）中呈黑色，靠近密封面的油腔（B处）中呈黑色，丙酮超声清洗不掉，基本可以排除是燃油中的杂质沉积，可能是针阀与阀座密封不可靠，存在缝隙，如燃油中存在颗粒杂质或积碳，沉积于密封面上产生缝隙，燃烧室中气体回流积碳，呈灰黑色。同时，针阀与阀座的锥形密封面未磨损，接触状态良好，基本可以排除锥面密封异常导致喷孔穴蚀影响。

对针阀体心部和流道附近位置进行硬度检测，根据检测结果显示，针阀体材料为18CrNi8，渗碳层深度0.3～0.7mm，硬度58～62HRC;检测表面硬度HV500g≈700，相当于60HRC，按照GB/T9450检验有效硬化层深度，心部渗碳层深度0.55～0.65mm。该处硬度无明显下降，针阀体无明显过热而产生进一步回火现象，排除因温度过高而发生热蚀影响。一般认为喷孔内外结炭主要是喷油嘴过热所致，若喷油器冷却不良或燃烧距喷油嘴太近，则喷油嘴温度升高，燃油流经喷孔时在喷孔内形成结炭。喷孔外周的结炭除了喷油嘴温度过高外，主要是由于针阀密封不严或关闭不及时所引起的，但喷油嘴的硬度测试结果并没有明显的喷油嘴过热现象。

对针阀体喷孔进行微观形貌检测，根据检测结果显示，喷孔孔径呈竹节状，内表面呈波浪形，其中左侧孔径内表面严重积碳;积碳表面存在圆形剥落，为穴蚀坑斑。而喷孔入口圆角不明显，说明燃油冲蝕作用弱;积碳层剥离

翘曲。

对压力室及阀座进行微观检测，其中压力室内积碳严重，无明显穴蚀现象。阀座处无穴蚀现象，阀座及靠近阀座的油腔中存在黑色物（丙酮超声、脱脂棉擦洗不掉），针阀密封锥面与阀座密封不可靠，燃烧室中气体回流积碳，呈灰黑色。

综上分析可能是穴蚀导致喷孔变大，雾化不良而燃烧恶化，造成积碳严重，不仅堵塞喷孔，而且影响阀座密封;而造成喷孔穴蚀的主要原因可能是该喷油器喷孔加工的入口圆角半径小或喷孔内表面质量较差。

5  结束语

通过针阀偶件宏观观测、硬度检测、微观形貌等分析手段，排除磨损、腐蚀、热蚀的影响，初步分析可能是该喷油器加工的入口圆角和喷孔内表面粗糙导致穴蚀，所以建议供应商严控针阀偶件加工质量，确保喷孔入口圆角半径和喷孔内表面加工质量满足使用要求。

参考文献：

[1]大连机车车辆厂.东风4D型内燃机车.2.大连机车.

[2]易浩.针阀式喷油器失效因素研究[D].重庆理工大学，2019.

[3]张文权.柴油机喷油嘴内空化与空蚀特性研究[D].江苏大学，2018.

[4]王国辉.内燃机车柴油机气缸套磨损故障分析及处理[J].中国周刊，2020（4）：1.

[5]卢秀霞，李晓静.内燃机车柴油机常见故障及处理方法分析[J].设备管理与维修，2020（12）：3.

[6]周学福.内燃机车柴油机常见故障及处理方法[J].内燃机与配件，2020（1）：2.