宋元强 鲍帅华 邹明恩 张 杨 甄洪梅

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

活塞是发动机的关键部件，在发动机运行过程中，活塞处于高速运动状态，主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变负荷[1]。若活塞头部烧蚀失效，会造成发动机性能不佳、连杆断裂、缸体击穿等严重故障。本文针对一款增压汽油发动机的活塞头部烧蚀失效问题，通过运动学仿真分析计算，运用鱼刺图对其失效进行系统分析，并提出相应的解决方案。经过方案验证，活塞烧蚀问题得到解决。

1 背景

某款汽油发电机在试验过程发现曲轴箱压力报警，内窥镜发现活塞头部烧蚀，见图1。

图1 故障图片

2 原因分析

按照图2 所示的鱼刺图思路进行排查。

图2 鱼刺图

2.1 整机问题

1）早燃/爆震。调取失效发动机ECU 点火提前角数据，未发现连续爆震现象，且其最大点火提前角为0.55°CA，排除发动机存在早燃/爆震问题。

2）整机清洁度。调取前期该型号发动机试验后的活塞照片，发现部分发动机活塞头部有不同程度的磨损，且磨损区域仅在活塞头部环岸位置，活塞裙部、销孔及其它摩擦副零件无异常磨损现象，可排除整机清洁度问题。见图3。

图3 发动机试验后照片

2.2 活塞问题

1）活塞材料选择。对失效活塞材料成份、金相组织、材料性能进行检测，结果满足要求。

2）活塞样件质量。调取失效活塞出厂报告，活塞的各项尺寸均满足要求。

3）活塞型线设计。对活塞型线设计引入活塞动力学分析校核，见图4，发现活塞头部在换向时与气缸内表面有接触，接触应力达到8.2 MPa，见图5。同时进行其它型号发动机活塞动力学计算，未发现活塞头部与气缸内表面存在接触现象，见图6。排查此型号其它发动机试验后的活塞头部，发现部分发动机存在第一环岸磨损现象，初步确认活塞型线设计为此问题发生的可能原因。

图4 失效活塞动力学分析图

图5 失效活塞头部接触应力

图6 其它型号发动机活塞动力学分析图

4）活塞设计温度。根据活塞温度场仿真计算（图7）及硬度塞法温度实测（图8），活塞最高温度为257 ℃，满足要求，排除活塞设计温度不合理。

图7 活塞温度场仿真计算

图8 硬度塞法活塞头部温度测试

2.3 缸体问题

1）气缸变形量。通过对气缸变形量进行分析可知，失效发动机气缸变形量满足要求，且气缸变形量比其它型号发动机小，见图9，红色为失效型号发动机，蓝色为其它未失效机型号发动机，排除气缸变形原因。

图9 气缸变形量计算

2）缸径问题。调取试验前缸径、气缸内表面粗糙度出厂数据，均合格，排除缸径、气缸内表面粗粗糙度问题。

3）缸体散热能力。活塞温度场试验测试结果表明，缸体散热无问题。

2.4 其它问题

1）将出现故障的发动机活塞、曲轴箱通风系统、增压器、缸盖总成搭载在其它未失效发动机上进行验证[2]，未发现问题。

2）对活塞冷却喷嘴、活塞环进行单品检测，未发现问题。

2.5 分析总结

通过问题排查，初步确认问题主因为活塞型线设计问题，需对活塞型线进行优化。

3 措施设定及验证

对活塞型线进行优化[3]，优化前后活塞型线对比如图10 所示。通过活塞动力学计算，活塞头部接触应力基本消除（见图11），但仍有较小的应力存在。

图10 活塞型线对比

图11 优化后活塞头部应力

为彻底消除活塞头部接触应力，优化活塞销孔偏心量。活塞销孔偏心量从0.7mm 更改为0.5mm后，活塞头部接触应力消除（见图12）。同时，活塞的运动平稳性较前期有了较大的改善（见图13）。

图12 活塞动力学分析

图13 活塞运动平稳性（转速为2 000r/min）

按活塞型线及活塞销孔偏心量优化后的方案进行活塞试验验证，结果表明，活塞头部无异常磨损现象，问题解决（见图14）。

图14 优化后活塞试验照片

4 结论

活塞头部烧蚀原因为活塞型线设计不合理，活塞运动过程中，活塞头部接触应力过大，拉伤缸体，导致机油进入燃烧室，造成活塞头部烧蚀。