劣质柴油导致柴油机气门断裂机理的研究

姜卓群　任素华　邹吉田

摘 要：随着柴油机排放标准的升级，四气门柴油机已经成为市场的主流发动机。该结构柴油机对燃油和润滑油的品质要求较高，一旦使用了不符合国家标准的柴油和润滑油，发动机除达不到设计的排放要求外，同时会影响柴油机的性能和寿命，甚至导致发动机报废。气门断裂是柴油机的恶性故障之一，引起气门断裂的原因很多，其中柴油中的S含量超标也是导致四气门柴油机气门断裂的原因之一，但这种原因往往被忽略。

关键词：劣质柴油;四气门;气门断裂

1 劣质柴油导致四气门发动机气门断的故障现象

1.1 此故障多发生在使用劣质柴油后车辆放置一段时间后重新启动，某一缸或多缸排气门断裂，进气门正常。

1.2 故障现象。

清洗后的故障气门，气门头部断裂，杆部点蚀。排气系统内壁上附着大量锈红色胶状结晶物，且非常坚硬，活塞及活塞环处附着有大量胶状结晶物。

2 锈红色胶状结晶物产生原因分析

2.1 锈红色胶状结晶成分

通过能谱仪对红色粉末的主要成份进行分析，其主要成份为氧化铁和焦炭，具体各成分见表1。

2.2 故障发动机使用的柴油

表2是故障机所使用的柴油的检测结果，检测表明该柴油硫含量为3638mg/kg，远远超出国家五柴油标准≤10mg/kg的要求，同时酸度超标。

2.3 产生焦炭类结晶物的原因分析

柴油中的硫及硫的衍生物在柴油机燃烧中生成的硫化物，不但腐蚀柴油机的组件，而且还会对气缸壁上的润滑油和尚未燃烧的柴油起催化作用，加速烃类的聚合反应，使燃烧室、活塞顶和排气门等部位的胶状物与积炭增加。在有硫存在的条件积炭层会更加坚硬，不仅加剧机件磨损而且清除困难。当气态硫的氧化物遇水将生成亚硫酸与硫酸会强烈腐蚀机件，同时也会加速润滑油老化变质。[1]因此，该故障机之所以积碳和胶状物非常严重且坚硬，是由于使用了S严重超标的劣质柴油导致。

3 S超标柴油易导致四气门发动机气门断机理分析

3.1 下置凸轮轴四气门柴油机配气机构传动原理

图1是四气门下置凸轮轴机型常见结构。该结构采用下置凸轮轴，通过挺柱、推杆驱动摇臂，进、排气摇臂分别通过气门过桥控制2个进气门和2个排气门的开启和关闭。

该结构气门过桥，一端为圆孔，用于定位，另一端为长口。正常工作情况下，气门过桥是水平的，同一气门过桥下的两个气门同步运动，气门只受竖直方向的压力，不受弯曲应力。

3.2 气门断裂机理分析

当该结构柴油机使用S超标的劣质柴油后，气门各部位结胶严重，同时存在严重的腐蚀，特别是使用劣质柴油后车辆放置一段时间，结焦物变得坚硬，气门不同程度出现卡滞。当气门出现卡滞时，运动受限，同一过桥下的两个气门卡滞的位置不同，使气门过桥歪斜，此时，气门杆部除了受竖直方向的压力外，还受更大的侧向弯曲力作用。在侧向弯曲应力的作用下，气门从最薄弱的杆顶部锁夹槽上端折断。

3.3 失效气门分析

气门是从比较薄弱的头部环槽处断裂（图3），从其断口的宏观形貌（图4）看，气门杆的断口表面磨损成光亮表面，但是从磨损的痕迹可判断断口上的裂纹从一侧（图中箭头所指的位置）产生，然后向另一侧扩展。

在外表面镀铬层看似完好的部位，也可以观察到镀铬层与基体分开，同时镀铬层的厚度方向上有小裂纹（图4）。综上说明气门受到很大弯曲应力的作用。

4 结论

当柴油机使用S超标的劣质柴油时，柴油中的硫及硫的衍生物在柴油机燃烧中生成大量胶状物与积炭，会导致柴油机气门卡滞，对于下置凸轮轴结构的四气门，此时气门受到非常大的弯曲应力，从而导致气门断裂。

对于两气门结构发动机或其他结构发动机，由于气门卡滞时主要承受垂直于气门端面的作用力，不承受较大弯曲力，所以气门不易发生断裂，但会导致气门腐蚀、拉伤气缸过度磨损、其他机件擦伤、活塞环胶结烧毁等故障。

参考文献：

[1]王寶仁、胡伟光.《油品检验技术》[M]北京：化学工业出版社，2005.