发动机气门积碳问题的解决方法研究

2022-02-10邓发平

装备制造技术 2022年11期

邓发平

（东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005）

0 引言

随着社会的发展，汽车已成为人们日常的代步工具，但由于拥堵的交通路况，汽车不能完全发挥它的性能，只能低速行驶。同时，又因汽油中不可避免存在某些添加剂（如抗爆剂等），可能导致发动机在燃烧过程中产生大量的积碳及金属颗粒化合物，影响发动机的正常工作。在我国民用汽车市场发展初期，大多都是从日本引进的产品，当时，日本设计汽车理念为设计高速发动机，即发动机转速越高，其出力越好，燃烧越充分[1]。

随着我国经济社会的发展，国内的实际情况是：驾驶汽车多为低速行驶，且单次行驶里程不是太长，整个过程发动机并未完全热透。研究解决因设计工况与使用工况差异，导致气门积碳后气门关闭不严，从而造成发动机滑行熄火问题。

1 问题阐述

据市场反馈，某型发动机有滑行熄火的现象，故障比例约0.8%左右，故障现象为在行驶过程中，换挡踩离合回油门时，整车出现熄火现象，熄火后启动困难。更换和调整喷油器、节气门体、火花塞和全部的电器件，均无法解决问题，市场维修店对此故障的维修方法全部是拆缸盖总成并研磨气门，但研磨后行使一个月左右，故障又再现。经对故障机进一步分析，产生滑行熄火的原因为缸盖与排气门密封不严、排气门漏气，对故障机缸盖总成密封性检查，排气门漏气轻微（图1）。对缸盖总成进一步拆解后发现，排气门杆部（气门导管下端插入部分）附着大颗粒积炭及其他红色颗粒（图2）。将故障机更换新的排气门后，故障排除。

图1 气门积碳情况

图2 气门积碳情况

2 故障再现

取故障发动机机一台，更换到一台正常的整车上，各项参数调整到出厂状态，按正常行驶状态进行故障再现测试。

经测试：在外界温度5 益、怠速热机3 min、机油温度为45 益时开始测试，测试结果见表1。

表1 不同机油温度和车速下的故障再现情况

由表1 所测试的结果可知：机油温度高于80 益后，滑行熄火故障逐渐改善，机油温度越高，越不容易熄火。测试完成后单独检测发动机怠速节气门后负压，负压值在-60 kPa 左右，相对出厂新车偏高（新车：-90 耀-70 kPa）。

将发动机吹冷后更换全新的发动机缸盖组合，按上一次工况重新测试，以排查故障是否与缸盖组合有关，测试结果见表2。

表2 更换缸盖组合后不同机油温度和车速下的故障再现情况

由表2 可知：通过更换新的缸盖组合，滑行熄火故障现象消失，可以判定故障源头应为缸盖组合，非缸盖以下零件因素。完成测试后单独检测发动机怠速节气门后负压，负压为值-85 kPa，与新车相当，判定为正常值。

经拆机发现，燃烧室和活塞顶部有过多的积碳，将拆下的故障缸盖组合检测燃烧室密封性，排气门有轻微渗漏。在故障缸盖组合中更换上全新排气门。按以上工况重新测试，测试结果见表3。

表3 更换缸盖组合中排气门后的故障再现情况

由表3 可知：通过进一步换件排查，在同一故障缸盖组合中更换排气门后故障现象消除。故可以锁定造成滑行熄火现象的故障件是排气门。

完成测试后单独检测发动机怠速节气门后负压，负压为值-84 kPa，与新车相当，判定为正常值。

现对故障排气门检测，故障气门检测示意图如图3，检测结果见表4。

图3 检测部位

表4 故障气门检测结果

由表4 可知：气门杆部A 处直径方向尺寸变大，该尺寸的变大造成与气门导管的配合间隙减小。检测气门杆部变大的原因，发现A 处插入导管7 mm 段气门杆部附着较多的积碳和红色金属颗粒。

使用细砂纸对气门杆部研磨，清除杆部积碳和红色金属颗粒后，重新装回原缸盖，并在整车上按相同工况验证测试，测试结果见表5。

表5 复装研磨后的气门测试结果

由表5 可知：从本次测试结果可以推定，造成滑行熄火的主要原因是发动机排气门杆部因附着积碳及其他颗粒物造成杆部直径变大所致。

综合以上几次测试结果来看，本故障发生的原因是发动机燃烧产生过多的积碳和汽油添加剂里面的金属颗粒，在发动机燃烧后排气时附着在排气门杆部，并随气门杆进入导管。造成气门导管与气门敢的配合间隙减小，增大了排气门的回位阻力，其阻力一旦超过气门弹簧的回位弹力，气门回位减慢，造成发动机工作时排气门漏气，导致熄火故障。

3 故障源头分析

从以上几个故障换件的再现试验可以看出，造成滑行熄火的主要原因是排气门杆部直径变大，造成排气门回位卡滞。进一步分析卡滞的原因发现主要是以下3 点：

（1）发动机燃烧产生过多的积碳；

（2）汽油抗爆剂燃烧后产生的红色金属颗粒；

（3）积碳和金属颗粒进入导管。

3.1 积碳和金属颗粒的产生

故障机型其最大出力点在5500 r/min 左右，而用户的使用多在2000 r/min 左右，发动机燃烧不够充分。再则，根据发动机的使用工况，发动机温度越高，燃烧越充分，而用户在使用该车时，多为短途行驶，在使用过程中，发动机未达到其合理的工作温度，同时故障发动机使用的工作环境的湿度都比较大，汽油不能正常雾化，造成发动机燃烧不充分，从而产生过多的积碳。

另外，燃油抗爆剂MMT 的过量使用，对火花塞也有较大的影响，造成火花塞火弱，燃烧不完全。产生过多积碳。

MMT 是Methylcyclopentadienyl Manganese Tricar原bonyl 的缩写[2]，学名叫“甲基环戊二烯三羰基锰”，是一种汽油燃油添加剂，它是一种有机金属液态化合物，常温下为液体，能与油品进行很好的兼容，在密闭黑暗的环境下不分解，但见光分解出红色的沉淀物。1959年美国的乙基（Ethyl）公司先向市场推出MMT产品，因其能显著提高燃料的抗爆性，1974年MMT作为单独的汽油抗爆剂开始投入应用。

MMT 的燃料排放物是一种直径分布范围在0.1 耀0.4 滋m 的微小猛的金属颗粒，与铅的排放物大小相似，这些微小颗粒容易沉淀在燃烧室内壁，气门和火花塞的电极及陶瓷绝缘体上，这些暴漏在燃烧室内的零部件表面形成红色的沉淀物，这种红色的沉淀物在温度大约700 益以后开始熔融导电，容易造成火花塞短路，导致发动机工作。

当发动机使用含有MMT 添加剂的汽油时，MMT燃烧后产生的锰和锰的氧化物颗粒就会不断的沉积在火花塞和发动机其他零部件上，随着时间增加，这种沉淀物会逐渐加厚，一旦发动机在运转时，火花塞的绝缘体的温度达到700 益，附着在绝缘体上的红色锰和锰的氧化物沉积物开始导电，此时在火花塞两个电极间就不在跳火，电火花沿着绝缘体表面跳火到铁壳内部，形成绝缘体表面闪络火花，造成发动机燃烧延迟，燃烧不充分。

通过对滑行熄火故障排气门杆部红色颗粒分析，与MMT 燃烧后产生的化合物成分基本一致，从以上分析，使用含添加剂过多的燃油，产生过多的金属颗粒，附着在排气门杆部。从而随气门杆带入与导管配合段。附着物成分检测见表6。

表6 排气门杆部附着物检测结果

由表6 可知：附着物中的Ca、Mn、Zn 等元素与燃油抗爆剂MMT 的含量和成分基本一致。

3.2 积碳和金属颗粒的进入导管

从理论上分析，气门导管与气门的配合间隙仅为0.030 耀0.057 mm，气门在导管内做往复运动，气门导管可以挂掉附着气门杆上的积碳或其他杂物，但事实并非如此。调查对比其他不发生滑行熄火的竞品机型气门导管的配合情况，调查结果见表7，结构如图4。

图4 缸盖气门导管的主要结构

表7 竞品导管相关尺寸调查结果

由表7 可知：与其它竞品机型相比，本故障机排气门导管裸露在气道的长度最长，为9 mm，而其他机型均在5.5 mm 左右，由于排气道的温度较高，最高达800 益，在这种温度下，气门导管的膨胀量是气门的二倍，在热态下，两者的间隙翻倍，从而导致积碳和其他颗粒进入气门和导管的配合段，且气门导管裸露太长，散热效果也不好。随着运行时间加长，其附在气门配合往复段的积碳厚度会越来越厚，热态下，发动机气门和导管间隙始终是正常，一旦发动机冷机，导管收缩，两者的配合间隙大大减小，从而冷机气门回位的阻力加大，造成气门回位不良，最终导致发动机滑行熄火。

4 方案及其理论分析

4.1 方案的提出

基于以上分析，对策方案必须要达到防止积碳或锰的氧化物随气门往复运动进入导管配合部效果，即：减小发动机热态下工作时气门和导管的配合间隙，使导管在发动机工作时起到刮除积碳或锰的氧化物的作用[3]。减小热态下气门导管和气门的配合间隙。可有以下对策方案：

（1）更换气门导管的材料，减小气门导管的热膨胀系数

从目前情况看，该种材料已普及到汽车、汽车，如果更换导管材料，成本有明显提高，再则需重新试验认证，周期较长，故可执行性不高。

（2）提高气门导管的散热能力，减小导管的热膨胀量

参照市场竞品机型，排气门导管的裸露在气道中的长度减小，铝的散热能力是钢材的2 耀3 倍，而且用铝包住导管，在热态下导管不容易膨胀，具体的对策方案如图5 所示。

图5 对策方案

4.2 优化前后气道CFD 数值模拟分析[4]

基于Converge 对气门升程为4 mm、6 mm、8 mm 开发度时的排气道流动情况进行数值仿真分析，以对比在相同开度时优化前后气道内气体流动情况，评估优化对排气道的影响情况；进出口采用压力边界，设定进出口压差为5 kPa，壁面采用绝热无滑移边界。

气道流量系数是发动机进、排气道结构的流通能力的重要评价指标；无量纲流量系数定义为过气门座的实际气体流量与理论气体流量之比,表征在不同气门升程下气流通过气道的能力，计算式为：

式中：Q 为通过气道的实际空气量；A 为进气阀内孔的面积；n 为排气阀的数量；V0为气门座处的理论进气速度；

气道布置如图4 所示，在模拟排气道流动情况时，进气门完全关闭，因此气道布置模型可简化为图6 所示的仿真模型。

图6 简化前后模型对比

不同气门升程下优化前后的排气道气门杆中心线截面气体速度矢量图如图7、8、9 所示。

图7 4 mm 升程优化前后过气门杆中心线截面流速分布

从以上仿真分析结果来看，在上述气门升程下，气体流速几乎没有变化。

图8 6 mm 升程优化前后过气门杆中心线截面流速分布

图9 8 mm 升程优化前后过气门杆中心线截面流速分布

对于新改进后缸盖，采用气道流量系数测试台，测试在不同气门升程的流量系数，测试结果见表8。

表8 在不同升程下排气道流量系数对比

由表8 可知：从流量系数来看相差均小于2%，可以认为流量系数无变化；综合以上理论分析结果，可认为方案可行。

5 方案的实车验证

5.1 常温积碳试验

根据市场故障表现，在未采取零部件设计变更对策前、仅研磨气门，一个月后故障再现的特点，按照用户实际使用工况，在不同时间分别在湖北襄阳、河北保定、黑龙江漠河、海南海口开展实车验证工作。分别取原状态没有对策过的缸盖与对策后的缸盖开展对照试验，直至对策状态与原状态任何一台出现三次以上滑行熄火现象后即终止试验，拆机测量气门杆直径的增大量。试验期间记录最终行驶里程、试验期间的平均环境温度。结果记录见表9。