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故障檢修與技術維護 |
柴油發動機敲擊聲來源和異響特征 |
摘要：技術狀況良好的發動機，在以不同的轉速運轉時，發動機發出的聲音雖然其頻率、波長、聲級和衰減系數不同，但都有一定的規律和范圍，如果發動機在運轉過程中，伴隨有其他聲響，如發出間歇或連續的金屬敲擊聲、連續的金屬摩擦聲、排氣滯喘聲等，即表明發動機運轉不正常，所伴隨的聲響為發動機異響。研究表明，發動機的異響是發動機故障的重要表現形式，是判斷分析故障的重要依據，并具有一定的規律性。經驗豐富者可通過對異響的分析判斷確診故障部位及受損程度，正確判斷故障源，減少工作上的盲目性，力爭將損失降低到最小程度。
一、發動機異響的來源
發動機異響的主要來源有以下十三點：
1、發動機附屬部件的異響，如發電機、空調壓縮機、動力轉向液壓泵、水泵、冷卻風扇等旋轉部件異響。
2、驅動皮帶打滑異響。
3、正時皮帶或鏈條異響。
4、氣門異響。
5、活塞銷運動部件異響。
6、活塞與氣缸敲擊異響。
7、活塞環的金屬敲擊聲、活塞環的漏氣異響。
8、曲軸頸與軸承之間異響。
9、曲軸平衡軸頸與軸承之間異響。
10、爆震聲。
11、進排氣系統漏氣聲。
12、回火聲。
13、放炮聲。
二、發動機異響的特征
發動機異響的聲音與正常的發動機聲音是有區別的，我們可以感知的是發動機異響聲有時候比較刺耳，而且不同在發動機不同工況下異響聲也不盡相同。這就是發動機異響的一些特征，它包括音頻特征、轉速特征、負荷特征等。
1、異響的音頻特征
指發動機異響的不同聲調。例如：曲軸主軸承響聲沉悶“鐺鐺”響，氣門腳響聲清脆“嗒嗒”響。這些異響聲的不同是源于汽車上各零部件制造的選材、形狀、尺寸大小、設計以及加工工藝等的不同而引起的。比如活塞選用鋁合金，而氣缸選用鋼鐵，機體用鑄鐵等等。
2、異響的轉速特征
異響常與發動機轉速有關，發動機的大多數常見異響的存在取決于發動機的轉速狀態。例如：異響僅在或低速運轉時存在，一般是由：活塞與壁間隙過大、活塞銷裝配過緊或連桿軸承裝配過緊、挺桿與其導孔間隙過大、配氣凸輪輪廓磨損等原因引起的；維持在某轉速時聲響紊亂，急減速時相繼發出短暫聲響。一般是凸輪軸正時齒輪破裂或其固定螺母松動、曲軸折斷、活塞銷襯套松曠、凸輪軸軸向間隙過大或其襯套松曠等原因引起的。
3、異響的負荷特征
發動機上不少異響與其負荷有明顯的關系。例如：某缸斷火，異響頓無或減輕。發響的原因一般有：活塞敲缸、連桿軸承松曠；活塞環漏氣；活塞銷折斷等。某缸斷火，則聲響加重或原來無響，此時反而出現聲響。發響的原因有：活塞銷銅套松曠；活塞裙部錐度過大；活塞銷竄出；連桿軸承蓋固定螺栓松動過甚或連桿軸瓦合金燒熔脫凈；飛輪固定螺栓松動過甚等。相鄰兩缸斷火異響減輕或消失。發響的原因有：曲軸軸承松曠等。
4、異響的溫度特征
發動機異響與溫度有關。比如有時低溫發響，溫度升高后聲響減輕，甚至消失；有時溫度升高后有聲響，溫度降低后聲響減輕或消失。比如因為活塞和氣缸的選材不一樣從而它們的熱膨脹系數也不一樣。如冷機時有異響而機溫升高后異響減輕或消失，這是由于它們的膨脹系數不一樣，冷機間隙過大有異響而當溫度升高時活塞膨脹大一些所以間隙減小異響消失。
5、異響的缸位特征
指對某一缸或相鄰兩缸斷火（油）后和復火（油）后的異響變化。例如：活塞敲缸斷火油后消失而復火(油）時異響又隨之產生。某些缸的曲軸軸瓦因潤滑不良或合金燒蝕或裝配不達標而產生異響斷火后異響消失。
6、異響的工作循環特征
發動機的異響故障往往與發動機的工作循環有明顯的關系，尤其是曲柄連桿機構和配氣機構的異響都與工作循環有關。例如：四行程發動機，凡由曲柄連桿機構引起的聲響均為發動機作功一次發響兩次；凡由配氣機構引起的聲響均為發動機作功一次發響一次。
7、異響的聽診位置特征
異響與聽診位置的關系。例如：氣門響在汽缸蓋位置，主軸承在汽缸體下部，活塞敲缸在缸體上部，進排氣異響在發動機的兩側，正時鏈條或正時鏈輪異響在發動機的前端，連接不穩定一般在發動機的后側。
8、異響伴隨現象特征
發動機在發生某些異響故障時，常常伴隨出現其他故障現象。例如：主軸承和連桿軸承響常伴隨機油壓力低，點火漏電聲響常伴隨發動機抖動。活塞敲缸伴隨著排氣冒藍煙，節氣門異響伴隨著排氣滯喘。
三、柴油機異響故障分析
1、凸輪軸軸承的敲擊聲
凸輪軸機構示例如圖1所示。凸輪軸軸承的敲擊聲是一種發悶的、有節奏的“嗒嗒”聲，比曲軸軸承的異響聲稍尖銳一些。康明斯發電機在發響的同時凸輪軸軸承附近的缸體上有振動現象，反復變換柴油發電機轉速，響聲及振動較為明顯。
（1）原因
① 軸承與凸輪軸配合間隙過大或磨損過甚。
② 推力墊片磨損過甚或調整不當，使凸輪軸軸向間隙過大，產生軸向竄動。
③ 凸輪軸彎曲或變形。
④ 軸承合金燒毀或脫落。
（2）診斷與處理方法
① 用聽診器或旋具抵觸在氣缸體凸輪軸軸承附近聽診，若有振動響聲，則可確診為凸輪軸軸承發響。
② 響聲規律一般是怠速、中速時較清晰，高速時聲音雜亂或減弱。
③ 若凸輪軸竄動，應進行軸向間隙調整，更換或調整推力墊片。
④ 凸輪軸變形或軸承間隙過大應進行修理。
⑤ 若軸承合金燒毀或脫落，應更換。
（3）凸輪軸與凸輪軸軸承孔的檢查
凸輪軸易磨損的部位有兩處：
（1）凸輪升程區
即凸輪基圓到凸輪頂端的距離，該部位磨損會影響氣門升程高度，即氣門打開的高度，從而影響進排氣的質量。請查看凸輪升程的標準值與使用極限表，超過極限要及時更換凸輪軸。
（2）凸輪軸軸頸與軸承孔的配合。
凸輪軸軸承有兩種形式，一種為下座上蓋，測量此種軸承孔時，必須用規定的扭矩旋緊軸承蓋螺栓后，才能測量孔徑的尺寸；另一種為整圓襯套式的軸承孔，此種軸承孔，凸輪軸安裝時必須從一端穿入軸承孔內，因此凸輪軸上的幾個軸承孔尺寸大小就不一樣，其配合間隙也有區別。
2、正時齒輪的異常響聲
配氣機構組成示例如圖2所示。柴油發電機怠速運轉時，發出輕微的“嘎啦嘎啦”聲，中速時響聲明顯，高速時響聲較雜亂，正時齒輪蓋處響聲較為明顯，不受斷缸及柴油發電機溫度變化的影響。
（1）判斷方法
在怠速到中速以前，不斷改變柴油機轉速，在柴油發電機的前面和凸輪軸一側聽，響聲明顯即可能是正時齒輪響，而后將柴油機轉速定在響聲較大位置，用金屬棒等在正時齒輪蓋一側導音聽，如響聲反應較強，可斷定是正時齒輪響。正時齒輪的異常響聲必須及時排除，這是因為柴油機的缸蓋下部大多是平面，由于正時齒輪響會使配氣相位改變，可能引起氣門與活塞相撞而造成嚴重的機械事故。
（2）原因及處理方法
① 正時齒輪處缸體前端的噴油嘴堵塞或噴油口過小，造成正時齒輪缺油而磨損加劇，產生不正常的響聲，此時應停機檢查，排除噴油嘴雜質及油污。
② 正時齒輪軸竄動發響，多因凸輪軸軸向限位裝置失效，或因正時齒輪固定螺釘松動而脫出所致。此時應更換凸輪軸軸向限位裝置或正時齒輪固定螺釘。
③ 正時齒輪個別牙齒損傷發響。在怠速運轉時，可聽到一種周期性的雙響聲，并隨柴油發電機轉速的升高，響聲越來越劇烈且周期縮短。此時應更換損壞的正時齒輪。
④ 更換正時齒輪后，齒輪的嚙合較差，此時會有一定的異常響聲。這種情況若磨合一段時間后，響聲會自行消除；有的是因齒隙過大或過小而發出的噪聲，如果響聲長期存在，則應檢查或更換正時齒輪。
曲軸、凸輪軸的正時齒輪經更換或安裝后不平整，致使嚙合失常，應調整、修復或更換正時齒輪。
（3）正時檢查
① 正時鏈條的檢查。
正時鏈條磨損后伸長，不但產生噪聲還會破壞鏈輪的配合，必須及時更換。測量鏈條伸長的方法有兩種：一種是拉緊鏈條后用卡尺測量 20 節鏈節的長度。當節距為 9.525mm 時，其 20 節標準長度為 190.5mm ，使用極限為 193.5mm ；當節距為 12.7mm 時，其 20 節標準長度為 254mm ，使用極限為 258mm 。另一種方法是，用鏈條半鏈輪包起來，將鏈條中間部位拉起來，當其間隙超過半個齒高時，就表示鏈條已不能使用。
② 正時齒帶的檢查。
現在很多采用聚氨酯制造的正時齒帶，若齒帶上出現裂紋，膠質磨損，缺齒，帆布層顯露時，均應更換。
③ 正時齒帶輪的檢查
檢查正時齒帶輪的外徑的磨損。
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柴油機凸輪軸結構圖 |
柴油機配氣機構結構圖. |
3、工作粗暴（燃燒異響）
（1）主要原因
① 柴油選擇不當。
如果柴油的十六烷值低，就使得燃油著火延遲期加長，此間噴入氣缸的燃油相對較多，已進入氣缸的燃油同時燃燒的概率加大，燃燒速率加劇，氣缸內壓力急速上升，柴油機工作自然粗暴。因此，應選用十六烷值高的柴油。柴油的自燃性好，著火延遲期短，著火后進入氣缸的燃油量相對減少，著火后壓力升高的速度降低。此時，柴油機工作相對柔和、平穩。而十六烷值太高，也將造成柴油機冒黑煙、經濟性能下降等問題。十六烷值的選用與柴油機的使用轉速有關，對于車用中高速柴油機，十六烷值的范圍應該在40-50之間。
② 供油時間過早。
如果供油時間過早，此時氣缸內的壓力和溫度相對較低，噴油氣缸的燃油與空氣的混合過程變慢，這使得著火延遲期加長，導致柴油機著火燃燒過程變得緩慢，這同樣導致柴油機燃燒粗暴。且過大的供油提前角還將造成柴油機動力下降、油耗增加、起動困難等其他故障。
③ 噴油延續時間過小。
與噴油提前角一樣，噴油延續時間對柴油機性能同樣有著重要影響。在噴油量一定的條件下，噴油延續時間短，則噴油速率過快，此時雖可獲得較好的油耗及排氣煙色，但也帶來柴油機燃燒粗暴的負面效果。
④ 各缸供油量不一樣。
如果某個氣缸的供油量較大，則該氣缸在運行過程中就可能發出清脆的、有節奏的敲擊聲。
（2）柴油機工作粗暴的危害
柴油機工作粗暴，一般是由于燃燒瞬間的爆發力和運動慣性力激發而引起內部機構的機械振動所致。這將加劇氣缸活塞的磨損，增加活塞連桿所受的沖擊力，使連桿和曲軸產生變形，從而導致機體變形等故障出現，嚴重影響柴油機的使用壽命。與此同時，這些振動通過與之剛性連接的零部件的振動及柴油機外表向外界輻射出噪聲，污染環境。
（3）故障診斷與排除
當柴油機出現燃燒異響（敲缸或工作粗暴）后，應著重進行下述方法的檢查，找出故障源并排除，確保柴油機的正常工作。
① 如果響聲有節奏，表明各個氣缸工作情況類似，應檢查噴油正時。
噴油時間過早，氣缸內會發出尖銳、清脆和有規律的敲擊聲；如果噴油正時正常，應檢查空氣濾清器是否堵塞、進氣管是否堵塞、橡膠接管是否凹癟等，使柴油機進氣量不足。如果存在這些堵塞，應該予以清除或修復。
② 如果敲擊聲無一定規律，且排氣冒黑煙，表明各個氣缸工作情況不一致。
可能是噴油器滴油、出油閥磨損或卡住造成部分缸的供油量增大。噴油器滴油可用拆卸排氣管的方法或單缸斷油法判斷；出油閥磨損可用手油泵壓油時拆下高壓油管的方法檢測，如果此時出油閥接頭處有柴油溢出，則說明出油閥漏油，應查明原因并予以排除。
③ 供油量不均。
供油量不均時，如果某個缸的噴油量過多，該氣缸就會產生強烈的有節奏的“噠、噠、噠”的燃燒噪聲并可能冒黑煙，此時可用單缸斷油法判斷故障缸。某個氣缸斷油后，敲擊聲消失，則該氣缸就是故障缸，酌情予以修復。
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圖3 柴油機爆震故障原因 |
圖4 柴油機爆震故障診斷流程圖 |
總結：
柴油機使用的燃料是較難揮發又較易自燃的柴油，柴油是在壓縮行程終了時，在高壓下高速噴入燃燒室、被細化成微粒、迅速蒸發并與空氣混合。由于油氣混合時間短，且這種不均勻可燃混合氣不是由外源點燃，而是燃油在高溫、高壓下的自燃，就使得氣缸內壓力在燃燒瞬間上升很快，導致柴油機工作粗暴、噪聲大。如果在油氣混合的某些環節出現不協調的情況（如個別缸的噴油時間不合適、噴油量較大等）時，將導致柴油機燃燒狀況的進一步惡化，噪聲增大，出現類似金屬敲擊的“噠、噠、噠”聲。柴油機出現這種情況后，危害很大。此時應停機檢查，排除故障，避免更大的故障發生。
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