淺談發動機活塞的失效模式

趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

淺談發動機活塞的失效模式

趙世來，孫秀毅，張治國

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

失效分析是零部件開發的難點問題，文章主要講述了發動機活塞的失效模式，從失效模式判斷出失效的原因，同時也是一種經驗的積累。

活塞；發動機；失效模式

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-73-04

前言

失效分析是汽車行業一個難點工作，尤其對于發動機零件的失效。由于工作條件復雜，失效模式多種多樣，所以分析問題時，不僅要借用專業的檢測設備，往往也需要我們知識的儲備和經驗的積累。

對于活塞這個運動件來說，它是發動機的心臟零件之一，是核心的零件的核心。工作時與活塞銷、活塞環等零件構成組件，功用是構成燃燒室，密封氣缸，承受氣體壓力，并將力傳遞給連桿，以推動曲軸旋轉。為了保證正常工作，要求活塞必須具有較好的機械強度、熱強度及散熱能力，能夠承受高溫高壓的氣體壓力的作用，這樣可以提高零件的使用壽命。

活塞是發動機工作中強度最大的零件之一。大多數活塞都是采用鋁合金材料，相比其它運動件強度較低。在開發階段，活塞相對于其他零件發生的失效的機會比較多，試驗期間經常會發生想不到的問題，基于不同的結果，失效原因也是多種多樣，對于活塞失效模式進行分類總結，可以根據不同的失效狀態推斷故障原因，對發動機工作狀況研究是很有好處的。我們從以下方面進行介紹活塞的失效模式。

1 冷卻不足引起劃痕

1.1 現象

活塞外圓面從上端面到下端面發生劃痕，并且是短軸兩側。見圖1

圖1

活塞配缸間隙很小，在發動機工作時，溫度逐漸升高，間隙有減小的趨勢，因為活塞的熱膨脹系數高于缸體的膨脹系數。

很明顯，在設計活塞過程中，必須考慮到發動機的冷卻系統。任何冷卻的改變都會引起溫度升高，間隙減小，破壞潤滑油膜。這種不正常的運行，必然會導致活塞拉缸。

1.2 分析原因

1）冷卻水管道沉積物過多，在發動機最后一次修復時沒有清洗干凈，這些沉積引起缸體內壁溫度大幅度增加，從而使活塞溫度升高。

2）溫度調節閥故障，通往散熱器冷卻水中斷，因而發動機溫度升高。

3）散熱器工作狀況惡劣，特別內腔和外部被堵，散熱器芯的隔熱層外邊面由外到內沉積過多，主要是泥漿，造成這種現象。

4）水泵失效導致冷卻水循環不足，高速轉速時更明顯，出現冷卻液沸騰的現象。

5）冷卻風扇皮帶松弛，散熱器的空氣流量變小。

2 爆震引起的破損

2.1 現象

活塞頂部破損。見圖 2：

圖2

在燃燒過程中，未燃的混合氣體遇到前面火焰，在一定情況下，未燃氣體將產生自然。這種燃燒表現為大規模燃燒，而不是在火焰推進時循環漸進。在恒定壓力下，燃燒掉燃燒室每一部分氣體，它將在容積不變的情況下立即其反應，因此產生的壓力與正常壓力相比，超出很多，由于氣體燃燒速度很快，燃燒氣體膨脹大，這就證明了所有不正常燃燒都是在體積 不變的狀況下。這就是我們大家所說的爆燃。爆燃使得活塞頂部融化，在可燃氣體自然的一邊和氣體爆燃起源的位置，其活塞頂部溫度很高。在爆燃最后一個階段，會出現第一環槽過度磨損，活塞環出現裂紋和劃傷的現象。

2.2 分析原因

1）活塞在高溫度下進行運行

發動機在高溫的環境工作，使得進氣溫度過高，或是發動機冷卻水循環不良，都會造成發動機因高溫而導致爆震的風險。

2）點火過于提前

為了使活塞在壓縮上止點結束后，一進入動力沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞達到上止點前提前點火。而過于提早的點火會使得活塞還在壓縮行程時，大部分油氣已經燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大壓力發生自燃，這樣會有爆震現象發生。

3）活塞頂積碳過多

發動機在燃燒時，燃燒室內產生大量積碳，除了會使壓縮比增大(產生高壓)，也會在積碳表面產生高溫熱點，使發動機爆震。

4）空燃比不正確

過于稀的燃料與空氣混合，會使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高會造成發動機溫度提升，當然很容易爆震。

5）燃油辛烷值過低

辛烷值是燃油抗爆震的指標，辛烷值越高，抗爆震性越強。壓縮比高的發動機，燃燒室的壓力較高，若是使用抗爆震性低的燃油，則很容易發生爆震現象。

3 提前點火引起的破損

3.1 現象

活塞頂部穿洞。見圖 3：

圖3

不是由火花塞點火，而是自然形成的第二次火焰波，稱為提前點火。由提前點火引起溫度和壓力過高，使活塞頂部穿洞。

3.2 分析原因

1）火花塞選用不正確

火花塞的工作溫度是相當高的。發動機正常運轉時，火花塞絕緣體裙部的溫度一般保持在700到800度之間。溫度過高或過低對火花塞影響都不好。在火花塞溫度過低的情況下工作，火花塞上的絕緣體容易積炭，最終引起漏電以至于產生缺火現象。如果火花塞工作溫度過高，容易引起早燃。

2）有缺陷的冷卻系統產生的熱點

3）溫度很高的積碳產生的熱點

4）早燃或爆燃引起的環境

為了使活塞在壓縮上止點結束后，一進入動力沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞達到上止點前提前點火 (因為從點火到完全燃燒需要一段時間)。而過于提早的點火會使得活塞還在壓縮行程時，大部分油氣已經燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃，而造成爆震。

3 活塞頂或銷座有裂紋

3.1 現象

活塞頂部有裂紋。見圖 4：

圖4

3.2 分析原因

過度應力是形成活塞頂部開裂的原因。這些開裂是產生在活塞長軸線的垂直方向。除了熱應力外，也有活塞頂部的拉伸或壓縮應力。

4 腐蝕引起頂部損壞

4.1 現象

由機械過載引起的活塞頂部腐蝕。

見圖 5：

圖5

4.2 分析原因

1）每個氣缸燃油噴射過多

2）過早燃油噴射

3）燃油霧化不正確

4）噴油嘴漏油

總之，燃油量過大，在點燃后，火焰多，能量過大，產生活塞燒蝕的現象。

5 活塞和缸蓋或氣門之間干涉

5.1 現象

活塞頂部由于與氣缸蓋或氣門之間干涉發生變形，最終根本原因都是間隙減小導致。見圖 6：

圖6

5.2 分析原因

1）由于連桿螺栓松動，連桿長度改變，活塞行程增加，活塞與氣門間隙減小，氣門與活塞發生了碰撞。

2）活塞長時間工作，頂部積碳長時間堆積過厚，超過活塞與缸蓋間隙，導致活塞撞擊缸蓋，見圖6上的活塞頂部。

3）缸體曲軸中心孔到上平面的高度小于設計值，這樣就會導致活塞與缸蓋的距離很近，會發生干涉的現象。

4）曲軸軸頸不正常研磨，活塞行程發生改變。

5）缸蓋厚度變小后，沒有調整氣門座圈的深度，這樣氣門與活塞的間隙減小。

6 活塞銷座區域碎裂

6.1 現象

活塞銷座周圍或裙部下方有很深的裂紋，嚴重的會出現銷座碎裂。見圖 7：

圖7

6.2 分析原因

一般來說，這種裂紋產生于活塞刮傷或缸體頂部卡死后還繼續運行的發動機，原因有一下幾點：

1）安裝活塞和缸體，間隙不正確，間隙過小，拉缸后還繼續運轉；間隙過大，導致換向時敲缸，導致裙部及銷座破碎。

2）一臺新的發動機沒有經歷磨合，直接進行過載工作。

3）冷卻不足，缸體溫度過高，缸體和活塞的變形量大，活塞的變形量大于了缸體的變形量。

4）活塞裙部和缸體內表面潤滑不足，發生干磨的現象。

5）不正常燃燒，發生早燃和爆震的現象。

7 燃燒室邊緣開裂

7.1 現象

直噴式發動機活塞燃燒室邊緣，出現多處開裂。見圖 8：

圖8

7.2 分析原因

1）燃油噴射不足或過多導致活塞頂部熱量和機械負荷過高。

2）燃燒室溫度最高，周圍溫度較低，高溫下膨脹系數不一致，材料不能壓縮，唯一途徑就是自由面膨脹延伸。

3）活塞材料的彈性極限較低，因此高溫下很容易超出其彈性極限，塑性變形產生在材料堆積區或集中在燃燒室外圍。

4）當活塞由于環境溫度下降，變形仍在進行，產生張力，導致燃燒室邊緣開裂。

8 活塞拉缸

8.1 現象

圖9

活塞從頭部到裙部，全部拉缸，直接導致發動機報廢。見圖 9。

8.2 分析原因

1）冬季，由于溫度低，機油出現了乳化現象，導致缸體潤滑能力不足，致使發動機拉缸。

2）如果冷卻液是從第一缸流向第四缸，這樣第四缸的冷卻能力較差，這樣第四缸活塞膨脹量大，導致拉缸。

3）材料體積穩定性差，高溫膨脹量大。

4）型線，橢圓度設計有問題，一般型線設計第一步是結合發動機的參數進行選定，參照數據庫選定，一旦型線選擇不合理，磨合期間機會馬上出現拉缸。大點位置的選定，超出了缸體的下沿，換向時，直接大面積啃傷活塞。

9 結論

以上是活塞的主要失效模式，及問題分析，在解決發動機問題時，采用工具和經驗結合的方式，具體問題，具體分析。在開發試驗階段，由于發動機工作條件復雜，必然會出現復雜的現象。一旦發現問題，我們應做到及時分析，及時解決，直到驗證通過。

活塞是發動機工作的心臟，活塞的各種失效模式往往是發動機各系統中運行故障的不同體現，因此在工程實踐中對各種失效模式的積累和分析是發動機設計和改進的重要基礎工作。

[1] 周龍保.等.內燃機學.北京：機械工業出版社,1999.

[2] 楊連生主編.內燃機設計.北京：中國農業機械出版社,1981

[3] 陸際清等編.汽車發動機設計：第二冊.北京：清華大學出版社,1993.

Talking about engine piston failure mode

Zhao Shilai, Sun Xiuyi, Zhang Zhiguo
( Brilliance Auto R＆D Center Power Train Design section, Liaoning Shenyang 110141 )

Failure analysis is a difficult problem of part development, This article mainly tells the story of engine piston failure mode, From the failure mode determine the cause of the failure, At the same time is also a kind of experience.

Piston; Engine; Failure mode

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-73-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.025

趙世來，就職于華晨汽車工程研究院，工程師，主要從事發動機設計工作。