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故障检修与技术维护 |
柴油发动机敲击声来源和异响特征 |
摘要：技术状况良好的发动机，在以不同的转速运转时，发动机发出的声音虽然其频率、波长、声级和衰减系数不同，但都有一定的规律和范围，如果发动机在运转过程中，伴随有其他声响，如发出间歇或连续的金属敲击声、连续的金属摩擦声、排气滞喘声等，即表明发动机运转不正常，所伴随的声响为发动机异响。研究表明，发动机的异响是发动机故障的重要表现形式，是判断分析故障的重要依据，并具有一定的规律性。经验丰富者可通过对异响的分析判断确诊故障部位及受损程度，正确判断故障源，减少工作上的盲目性，力争将损失降低到最小程度。
一、发动机异响的来源
发动机异响的主要来源有以下十三点：
1、发动机附属部件的异响，如发电机、空调压缩机、动力转向液压泵、水泵、冷却风扇等旋转部件异响。
2、驱动皮带打滑异响。
3、正时皮带或链条异响。
4、气门异响。
5、活塞销运动部件异响。
6、活塞与气缸敲击异响。
7、活塞环的金属敲击声、活塞环的漏气异响。
8、曲轴颈与轴承之间异响。
9、曲轴平衡轴颈与轴承之间异响。
10、爆震声。
11、进排气系统漏气声。
12、回火声。
13、放炮声。
二、发动机异响的特征
发动机异响的声音与正常的发动机声音是有区别的，我们可以感知的是发动机异响声有时候比较刺耳，而且不同在发动机不同工况下异响声也不尽相同。这就是发动机异响的一些特征，它包括音频特征、转速特征、负荷特征等。
1、异响的音频特征
指发动机异响的不同声调。例如：曲轴主轴承响声沉闷“铛铛”响，气门脚响声清脆“嗒嗒”响。这些异响声的不同是源于汽车上各零部件制造的选材、形状、尺寸大小、设计以及加工工艺等的不同而引起的。比如活塞选用铝合金，而气缸选用钢铁，机体用铸铁等等。
2、异响的转速特征
异响常与发动机转速有关，发动机的大多数常见异响的存在取决于发动机的转速状态。例如：异响仅在或低速运转时存在，一般是由：活塞与壁间隙过大、活塞销装配过紧或连杆轴承装配过紧、挺杆与其导孔间隙过大、配气凸轮轮廓磨损等原因引起的；维持在某转速时声响紊乱，急减速时相继发出短暂声响。一般是凸轮轴正时齿轮破裂或其固定螺母松动、曲轴折断、活塞销衬套松旷、凸轮轴轴向间隙过大或其衬套松旷等原因引起的。
3、异响的负荷特征
发动机上不少异响与其负荷有明显的关系。例如：某缸断火，异响顿无或减轻。发响的原因一般有：活塞敲缸、连杆轴承松旷；活塞环漏气；活塞销折断等。某缸断火，则声响加重或原来无响，此时反而出现声响。发响的原因有：活塞销铜套松旷；活塞裙部锥度过大；活塞销窜出；连杆轴承盖固定螺栓松动过甚或连杆轴瓦合金烧熔脱净；飞轮固定螺栓松动过甚等。相邻两缸断火异响减轻或消失。发响的原因有：曲轴轴承松旷等。
4、异响的温度特征
发动机异响与温度有关。比如有时低温发响，温度升高后声响减轻，甚至消失；有时温度升高后有声响，温度降低后声响减轻或消失。比如因为活塞和气缸的选材不一样从而它们的热膨胀系数也不一样。如冷机时有异响而机温升高后异响减轻或消失，这是由于它们的膨胀系数不一样，冷机间隙过大有异响而当温度升高时活塞膨胀大一些所以间隙减小异响消失。
5、异响的缸位特征
指对某一缸或相邻两缸断火（油）后和复火（油）后的异响变化。例如：活塞敲缸断火油后消失而复火(油）时异响又随之产生。某些缸的曲轴轴瓦因润滑不良或合金烧蚀或装配不达标而产生异响断火后异响消失。
6、异响的工作循环特征
发动机的异响故障往往与发动机的工作循环有明显的关系，尤其是曲柄连杆机构和配气机构的异响都与工作循环有关。例如：四行程发动机，凡由曲柄连杆机构引起的声响均为发动机作功一次发响两次；凡由配气机构引起的声响均为发动机作功一次发响一次。
7、异响的听诊位置特征
异响与听诊位置的关系。例如：气门响在汽缸盖位置，主轴承在汽缸体下部，活塞敲缸在缸体上部，进排气异响在发动机的两侧，正时链条或正时链轮异响在发动机的前端，连接不稳定一般在发动机的后侧。
8、异响伴随现象特征
发动机在发生某些异响故障时，常常伴随出现其他故障现象。例如：主轴承和连杆轴承响常伴随机油压力低，点火漏电声响常伴随发动机抖动。活塞敲缸伴随着排气冒蓝烟，节气门异响伴随着排气滞喘。
三、柴油机异响故障分析
1、凸轮轴轴承的敲击声
凸轮轴机构示例如图1所示。凸轮轴轴承的敲击声是一种发闷的、有节奏的“嗒嗒”声，比曲轴轴承的异响声稍尖锐一些。康明斯发电机在发响的同时凸轮轴轴承附近的缸体上有振动现象，反复变换柴油发电机转速，响声及振动较为明显。
（1）原因
① 轴承与凸轮轴配合间隙过大或磨损过甚。
② 推力垫片磨损过甚或调整不当，使凸轮轴轴向间隙过大，产生轴向窜动。
③ 凸轮轴弯曲或变形。
④ 轴承合金烧毁或脱落。
（2）诊断与处理方法
① 用听诊器或旋具抵触在气缸体凸轮轴轴承附近听诊，若有振动响声，则可确诊为凸轮轴轴承发响。
② 响声规律一般是怠速、中速时较清晰，高速时声音杂乱或减弱。
③ 若凸轮轴窜动，应进行轴向间隙调整，更换或调整推力垫片。
④ 凸轮轴变形或轴承间隙过大应进行修理。
⑤ 若轴承合金烧毁或脱落，应更换。
（3）凸轮轴与凸轮轴轴承孔的检查
凸轮轴易磨损的部位有两处：
（1）凸轮升程区
即凸轮基圆到凸轮顶端的距离，该部位磨损会影响气门升程高度，即气门打开的高度，从而影响进排气的质量。请查看凸轮升程的标准值与使用极限表，超过极限要及时更换凸轮轴。
（2）凸轮轴轴颈与轴承孔的配合。
凸轮轴轴承有两种形式，一种为下座上盖，测量此种轴承孔时，必须用规定的扭矩旋紧轴承盖螺栓后，才能测量孔径的尺寸；另一种为整圆衬套式的轴承孔，此种轴承孔，凸轮轴安装时必须从一端穿入轴承孔内，因此凸轮轴上的几个轴承孔尺寸大小就不一样，其配合间隙也有区别。
2、正时齿轮的异常响声
配气机构组成示例如图2所示。柴油发电机怠速运转时，发出轻微的“嘎啦嘎啦”声，中速时响声明显，高速时响声较杂乱，正时齿轮盖处响声较为明显，不受断缸及柴油发电机温度变化的影响。
（1）判断方法
在怠速到中速以前，不断改变柴油机转速，在柴油发电机的前面和凸轮轴一侧听，响声明显即可能是正时齿轮响，而后将柴油机转速定在响声较大位置，用金属棒等在正时齿轮盖一侧导音听，如响声反应较强，可断定是正时齿轮响。正时齿轮的异常响声必须及时排除，这是因为柴油机的缸盖下部大多是平面，由于正时齿轮响会使配气相位改变，可能引起气门与活塞相撞而造成严重的机械事故。
（2）原因及处理方法
① 正时齿轮处缸体前端的喷油嘴堵塞或喷油口过小，造成正时齿轮缺油而磨损加剧，产生不正常的响声，此时应停机检查，排除喷油嘴杂质及油污。
② 正时齿轮轴窜动发响，多因凸轮轴轴向限位装置失效，或因正时齿轮固定螺钉松动而脱出所致。此时应更换凸轮轴轴向限位装置或正时齿轮固定螺钉。
③ 正时齿轮个别牙齿损伤发响。在怠速运转时，可听到一种周期性的双响声，并随柴油发电机转速的升高，响声越来越剧烈且周期缩短。此时应更换损坏的正时齿轮。
④ 更换正时齿轮后，齿轮的啮合较差，此时会有一定的异常响声。这种情况若磨合一段时间后，响声会自行消除；有的是因齿隙过大或过小而发出的噪声，如果响声长期存在，则应检查或更换正时齿轮。
曲轴、凸轮轴的正时齿轮经更换或安装后不平整，致使啮合失常，应调整、修复或更换正时齿轮。
（3）正时检查
① 正时链条的检查。
正时链条磨损后伸长，不但产生噪声还会破坏链轮的配合，必须及时更换。测量链条伸长的方法有两种：一种是拉紧链条后用卡尺测量 20 节链节的长度。当节距为 9.525mm 时，其 20 节标准长度为 190.5mm ，使用极限为 193.5mm ；当节距为 12.7mm 时，其 20 节标准长度为 254mm ，使用极限为 258mm 。另一种方法是，用链条半链轮包起来，将链条中间部位拉起来，当其间隙超过半个齿高时，就表示链条已不能使用。
② 正时齿带的检查。
现在很多采用聚氨酯制造的正时齿带，若齿带上出现裂纹，胶质磨损，缺齿，帆布层显露时，均应更换。
③ 正时齿带轮的检查
检查正时齿带轮的外径的磨损。
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柴油机凸轮轴结构图 |
柴油机配气机构结构图. |
3、工作粗暴（燃烧异响）
（1）主要原因
① 柴油选择不当。
如果柴油的十六烷值低，就使得燃油着火延迟期加长，此间喷入气缸的燃油相对较多，已进入气缸的燃油同时燃烧的概率加大，燃烧速率加剧，气缸内压力急速上升，柴油机工作自然粗暴。因此，应选用十六烷值高的柴油。柴油的自燃性好，着火延迟期短，着火后进入气缸的燃油量相对减少，着火后压力升高的速度降低。此时，柴油机工作相对柔和、平稳。而十六烷值太高，也将造成柴油机冒黑烟、经济性能下降等问题。十六烷值的选用与柴油机的使用转速有关，对于车用中高速柴油机，十六烷值的范围应该在40-50之间。
② 供油时间过早。
如果供油时间过早，此时气缸内的压力和温度相对较低，喷油气缸的燃油与空气的混合过程变慢，这使得着火延迟期加长，导致柴油机着火燃烧过程变得缓慢，这同样导致柴油机燃烧粗暴。且过大的供油提前角还将造成柴油机动力下降、油耗增加、起动困难等其他故障。
③ 喷油延续时间过小。
与喷油提前角一样，喷油延续时间对柴油机性能同样有着重要影响。在喷油量一定的条件下，喷油延续时间短，则喷油速率过快，此时虽可获得较好的油耗及排气烟色，但也带来柴油机燃烧粗暴的负面效果。
④ 各缸供油量不一样。
如果某个气缸的供油量较大，则该气缸在运行过程中就可能发出清脆的、有节奏的敲击声。
（2）柴油机工作粗暴的危害
柴油机工作粗暴，一般是由于燃烧瞬间的爆发力和运动惯性力激发而引起内部机构的机械振动所致。这将加剧气缸活塞的磨损，增加活塞连杆所受的冲击力，使连杆和曲轴产生变形，从而导致机体变形等故障出现，严重影响柴油机的使用寿命。与此同时，这些振动通过与之刚性连接的零部件的振动及柴油机外表向外界辐射出噪声，污染环境。
（3）故障诊断与排除
当柴油机出现燃烧异响（敲缸或工作粗暴）后，应着重进行下述方法的检查，找出故障源并排除，确保柴油机的正常工作。
① 如果响声有节奏，表明各个气缸工作情况类似，应检查喷油正时。
喷油时间过早，气缸内会发出尖锐、清脆和有规律的敲击声；如果喷油正时正常，应检查空气滤清器是否堵塞、进气管是否堵塞、橡胶接管是否凹瘪等，使柴油机进气量不足。如果存在这些堵塞，应该予以清除或修复。
② 如果敲击声无一定规律，且排气冒黑烟，表明各个气缸工作情况不一致。
可能是喷油器滴油、出油阀磨损或卡住造成部分缸的供油量增大。喷油器滴油可用拆卸排气管的方法或单缸断油法判断；出油阀磨损可用手油泵压油时拆下高压油管的方法检测，如果此时出油阀接头处有柴油溢出，则说明出油阀漏油，应查明原因并予以排除。
③ 供油量不均。
供油量不均时，如果某个缸的喷油量过多，该气缸就会产生强烈的有节奏的“哒、哒、哒”的燃烧噪声并可能冒黑烟，此时可用单缸断油法判断故障缸。某个气缸断油后，敲击声消失，则该气缸就是故障缸，酌情予以修复。
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图3 柴油机爆震故障原因 |
图4 柴油机爆震故障诊断流程图 |
总结：
柴油机使用的燃料是较难挥发又较易自燃的柴油，柴油是在压缩行程终了时，在高压下高速喷入燃烧室、被细化成微粒、迅速蒸发并与空气混合。由于油气混合时间短，且这种不均匀可燃混合气不是由外源点燃，而是燃油在高温、高压下的自燃，就使得气缸内压力在燃烧瞬间上升很快，导致柴油机工作粗暴、噪声大。如果在油气混合的某些环节出现不协调的情况（如个别缸的喷油时间不合适、喷油量较大等）时，将导致柴油机燃烧状况的进一步恶化，噪声增大，出现类似金属敲击的“哒、哒、哒”声。柴油机出现这种情况后，危害很大。此时应停机检查，排除故障，避免更大的故障发生。
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