汽车柴油机耐久试验方法与活塞典型失效模式浅析

李忠

(江铃汽车股份有限公司动力总成开发部，江西南昌 330000)



汽车柴油机耐久试验方法与活塞典型失效模式浅析

李忠

(江铃汽车股份有限公司动力总成开发部，江西南昌 330000)

当今柴油机不仅具有动力性强、省油的特点，而且排放和振动噪声水平也得到极大的提升，越来越多的车型已搭载柴油机作为动力源，并且这种趋势正在逐渐扩大，因此对汽车用柴油机的可靠性和耐久性提出了更高的要求。结合实际工作情况，介绍柴油机耐久试验方法，简要分析活塞的典型失效模式。

柴油机；耐久性试验；活塞；典型失效模式

0 引言

随着高压共轨、涡轮增压、缸内直喷等技术不断应用在柴油机上，柴油机不仅在商用车(特别是轻卡、皮卡、重卡)领域的应用越来越广泛，而且，越来越多的乘用车如SUV、部分轿车都开始搭载柴油机动力，市场对柴油机的大需求、高要求也日益凸显，这就要求各生产企业能够在更短的研发周期里开发出具有更高可靠性和耐久性的产品。作者结合自身公司的开发实际，浅析了某公司柴油机耐久试验方法和活塞的典型失效模式。

1 可靠性试验方法

1.1 可靠性试验分类

柴油机的考核指标通常分为性能指标和可靠性指标，可靠性指标反映了柴油机保持其性能指标的能力[1]。通过开发阶段的可靠性试验，验证所设计的柴油机的可靠性，暴露其薄弱之处，制定改进措施消除薄弱环节，从而使其达到设计要求和客户的使用要求。当前，柴油机可靠性试验分为零部件可靠性试验和整机可靠性试验。

整机可靠性试验是以整个发动机为考核对象验证其可靠性的试验，通常包括：高负荷耐久试验、高速怠速试验、最大扭矩试验、深度热冲击试验等。这些试验通过采用非常规的交变负荷、热负荷、最大机械负荷工况，验证各零部件及子系统之间相互作用的可靠性。

零部件可靠性试验室是以零部件为考核对象、专门制定工况验证其可靠性的专项试验，通常包括：活塞热循环试验、活塞热伸长试验、活塞开裂试验、排气歧管开裂试验、前端轮系振动试验、缸垫热冲击试验、EGR气道污染试验、考核起动机的启动怠速停机试验、考核管路支架类零件的振动失效试验等。这些试验往往采取极端恶劣的交变负荷或热负荷进行考核，能在短时间内验证零部件材料、制造工艺、装配公差等的合理性。

1.2 试验方法

以考核整机可靠性的高负荷可靠性试验为例，参看图1。

图1 循环工况分布图

试验循环中负荷为最大负荷的80%～100%，转速主要分布在2 000～4 000 r/min，尤其以(3 250±500) r/min占的比例较大，因为该试验的柴油机的额定功率转速为3 250 r/min，额定扭矩转速为2 000 r/min。整个循环历时6.86 h，整个试验共运行176个循环，持续时间为1 202 h[2]。

1.3 检查和保养

对于柴油机台架可靠性试验来说，检查和保养是很重要的环节。检查可以分为试验前检查、试验过程中检查、试验后检查3个阶段。试验前检查主要包括：标定数据版本、风扇皮带张力、机油液位、冷却液液位、静态和动态下发动机任何形式的泄漏和零件失效、额定功率工况排气背压和增压器表面温度稳定性、发动机外特性性能、窜气量和窜油量水平、怠速及额定功率转速下的冷却液流量等；试验过程中检查主要包括：发动机任何形式的泄漏和零件失效、机油液位、机油碳烟、试验过程中发动机各性能参数(特别是最大静功率、最大静扭矩、油耗、排气温度等)；试验后检查主要包括：机油消耗量、气缸压缩压力、窜气量等。保养主要包括：更换机油、机油滤清器、空气滤清器、柴油滤清器等[3]。

2 活塞失效模式及分析

活塞是柴油机中最重要的零件之一，一旦它出现失效，轻者影响性能，重者造成柴油机丧失工作能力。某公司的一款2.2 L柴油机在开发阶段可靠性试验过程中，出现多起活塞失效，其失效形式如下：

2.1 熔顶

活塞熔顶失效主要是因为活塞顶部局部过热引起温度超过活塞材料的熔点而导致的。如图2所示，该活塞熔顶失效发生在该公司2.2 L柴油机在运行1 202 h高负荷可靠性试验至86 h发生的。从图中可以看到:活塞顶部已出现严重缺失和变形。经排查分析，该失效是因为活塞冷却喷管被松脱的连杆螺栓撞击破裂，引起活塞冷却不畅，从而温度过高导致的。

图2 活塞熔顶失效

关于柴油机活塞熔顶失效，大致梳理了以下几点原因：

(1)机油冷却喷管堵塞或断裂，引起活塞冷却不畅；

(2)活塞含有气孔、夹渣、疏松、微裂纹等铸造缺陷；

(3)喷油器出现雾化不好、滴油等工作不良现象，造成活塞局部温度过高；

(4)水流量不够导致散热不良，活塞长时间处在高温状态。

2.2 开裂

在该款柴油机耐久试验过程中，活塞开裂失效也出现多起。经分析，此类失效主要原因有如下两个：

原因一：活塞铸造含有缺陷，氧化皮的厚度超过了允许值。如图3所示，裂纹沿活塞在销轴方向贯穿整个活塞顶部并扩展至燃烧室和环槽，燃烧室出现了较大的穿孔。通过对裂纹进行电镜放大观察，很明显地观察到一个宽0.7 mm、深0.23 mm的氧化皮，经查明这是导致活塞开裂的主要原因。

图3 铸造缺陷导致活塞开裂失效

原因二：外部颗粒进入缸内，造成活塞顶面凹陷，从而产生应力集中引起裂纹。该机在运行台架可靠性试验至669 h时，出现沿活塞销轴方向的裂纹，整个裂纹贯穿燃烧室和活塞顶部并向活塞环扩散。通过对裂纹断面进行电镜放大观察(如图4所示)，可以发现在裂纹初始方向上有一个0.5 mm×0.5 mm的凹坑，凹坑断面处活塞已产生了塑性变形，该变形引起应力集中，导致活塞在高强度的运动中出现裂纹。

图4 应力集中导致活塞开裂失效

2.3 顶面凹坑麻点

从图5可见，在活塞的顶部有很多深浅不一的大小凹坑，部分凹坑中还镶嵌着金属类颗粒。通常异物可能来自于以下几方面：

图5 活塞顶面凹坑麻点失效

(1)随气流经气道进入燃烧室；

(2)气门碎片落入燃烧室。

为了避免异物进入缸内，应该严格控制进排气歧管、缸盖气道等零件的清洁度；按保养要求更换空气滤清器滤芯。

2.4 气门打顶

如图6所示，在活塞的顶部表面可以看到清晰的活塞撞击留下的压痕，该失效形式一般为活塞的早期失效，产生的主要原因一般如下：

(1)正时相位发生变化，导致气门开启时间变化；

(2)气门间隙发生变化；

(3)轴瓦磨损严重导致活塞行程变化，活塞运行至上止点时突出量变大；

(4)凸轮轴与轴座间隙过大，导致气门升程变大。

图6 活塞打顶失效

3 结论

结合作者工作实际，介绍了汽车柴油机可靠性试验分类、方法、过程中检查和保养，并结合1 202 h高负荷可靠性试验具体说明；与此同时，以某公司一款2.2 L柴油机为例，浅析了柴油机活塞典型失效模式，以供参考。

[1]黄海燕.汽车发动机试验学教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[2]CETP: 03.00-L-3xx(34)(I) 1202hr High Load System Durability Test[S].2005.

[3]GB/T 19055-2003汽车发动机可靠性试验方法[S].

Analysis on Durability Test Methods of Diesel Engine and Classic Failure Model of Piston

LI Zhong

(Powertrain Engineering Department of Jiangling Motor Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330000, China)

Not only diesel engine has the characteristic of stronger power and saving fuel, but also the emission and NVH are improved greatly.Diesel engine is more and more taken as vehicles power, so higher requirements are raised for diesel engine’s reliability and durability. According to actual working condition, reliability testing methods for diesel engine and classic failure model analysis for piston were introduced.

Diesel engine; Durability testing; Piston; Classic failure model

2017-06-07

李忠，男，硕士，工程师，主要研究方向为发动机可靠性及耐久性。E-mail：liz_nc@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.019

U464.172

B

1674-1986(2017)07-072-03