曾彬 何強 黃濤 聶紹偉

摘要：氣門機構(gòu)是發(fā)動機的重要部件，其工作性能直接影響發(fā)動機的工況。以賽斯納172R飛機所用的IO-360-L2A發(fā)動機為研究對象，闡述氣門機構(gòu)工作原理，分析了氣門機構(gòu)常見故障，如氣門卡阻、氣門燒蝕、氣門漏氣等，結(jié)合維護特點制定了氣門機構(gòu)維護建議，對減少氣門機構(gòu)故障具有重要意義。

關(guān)鍵詞：活塞發(fā)動機：氣門機構(gòu)：氣門卡阻：氣門燒蝕

Keywords：piston engine；valve mechanism；valve sticking；valve ablation

*中國民用航空飛行學(xué)院基金項目：賽斯納172R飛機發(fā)動機汽缸常見故障及修復(fù)技術(shù)研究（J2016-08）

1 氣門概述

1.1 氣門工作原理

氣門是發(fā)動機的重要部件，分為進氣門和排氣門，主要由氣門頭、氣門頸、氣門桿以及氣門頂組成。進氣門的作用是將空氣和燃料吸入發(fā)動機內(nèi)進行混合燃燒，排氣門的作用是將燃燒后的廢氣排出。目前，航空活塞發(fā)動機結(jié)構(gòu)形式以萊康明發(fā)動機公司的中空鈉冷氣門和大陸集團的實心氣門為主。中空鈉冷氣門利用金屬鈉的相變過程將大量熱量從氣門頭導(dǎo)向氣門桿，然后經(jīng)氣門導(dǎo)套傳向汽缸頭，汽缸頭通過散熱片由空氣散熱。

萊康明發(fā)動機公司生產(chǎn)的IO-360-L2A發(fā)動機進氣門桿是實心的，進氣門工作區(qū)域溫度比排氣門低，一般采用鉻、鎳或鎢鋼材料。排氣門主要采用鉻鎳鐵合金、鉻硅合金或鉻鈷合金制成（耐高溫、抗腐蝕、耐沖擊和磨損），排氣門桿為空心桿，內(nèi)部填充部分金屬鈉，其熔點大約為208℉，氣門的上下運動使液態(tài)鈉在桿內(nèi)循環(huán)，從而將氣門頭部的熱量傳遞到氣門桿，氣門桿又通過氣門導(dǎo)套將熱量分散到汽缸頭，汽缸頭通過散熱片由空氣散熱。這樣，氣門的溫度可以降低300℉～400℉（148℃～204℃）。

1.2 氣門機構(gòu)組成

氣門機構(gòu)包括凸輪軸、液壓挺桿、推桿、氣門搖臂、氣門、氣門座、氣門彈簧以及氣門導(dǎo)套。滾輪挺桿體在機匣內(nèi)滑進滑出，將凸輪凸起的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運動，然后將此運動傳遞到推桿、搖臂，最后傳給氣門桿端，按時打開氣門。氣門機構(gòu)的工作過程可簡單描述為：凸輪軸轉(zhuǎn)動，使氣門離開氣門座，從而打開氣門，當凸輪凸峰離開挺桿，在氣門彈簧的彈力作用下氣門關(guān)閉，氣門和氣門座緊密接觸，并通過搖臂、推桿等將挺桿體貼到凸輪上。

當氣門處于全關(guān)位時，搖臂和氣門桿端之間的間隙定義為氣門間隙。氣門間隙的作用是保障氣門在關(guān)閉時與氣門座貼合嚴密，它影響著氣門開關(guān)的定時性、氣門的升程和氣門打開所延續(xù)的時間。維護手冊規(guī)定，IO-360-L2A型發(fā)動機的氣門間隙應(yīng)在0.028～0.080in之間。氣門間隙過大或過小都會對發(fā)動機性能產(chǎn)生不良影響。氣門間隙過大使氣門晚開早關(guān)，減少了充填量，即減少了發(fā)動機的輸出功率，不利于汽缸頭的冷卻，同時還影響混合比，使慢車時混合比趨于過富油；氣門間隙過小使氣門早開晚關(guān)，易使進入汽缸的新鮮混合氣直接排入大氣，造成功率損失，使發(fā)動機經(jīng)濟性變差，導(dǎo)致慢車時混合比趨于過貧油，小功率時造成回火。

2 氣門機構(gòu)常見故障

根據(jù)歷年來的故障統(tǒng)計與分析，該型發(fā)動機氣門機構(gòu)故障大多為氣門卡阻，其次氣門漏氣、氣門燒蝕現(xiàn)象也比較常見。

2.1 氣門卡阻

1）故障現(xiàn)象

一架賽斯納172R飛機自引進以來，其IO-360-L2A發(fā)動機多次發(fā)生氣門卡阻故障，嚴重影響飛行安全。

排氣門卡阻一般發(fā)生在巡航或下降階段改變油門位置的瞬間，冷發(fā)啟動時也容易發(fā)生。故障初期發(fā)動機有輕微瞬間抖動，后期瞬間抖動次數(shù)頻繁，轉(zhuǎn)速和進氣壓力下降，故障汽缸排氣溫度不顯示，汽缸頭溫度持續(xù)下降，排氣管放炮，冒黑煙。對發(fā)動機進行內(nèi)部檢查可發(fā)現(xiàn)，故障汽缸的活塞上留有氣門與活塞撞擊后形成的月牙形凹坑。

此故障通常發(fā)生在2號缸和4號缸的排氣門上。排氣門卡阻后，排氣門卡阻的汽缸不工作，而其他汽缸正常工作，發(fā)動機就會出現(xiàn)持續(xù)抖動，排氣管冒黑煙。發(fā)生排氣門卡阻的EGT和CHT異?；驘o指示。

由于發(fā)動機氣門桿和氣門導(dǎo)套的膨脹速率不一樣，氣門與氣門導(dǎo)套的間隙變小，導(dǎo)致氣門往復(fù)移動時的摩擦阻力可能大于氣門彈簧的回復(fù)力，使氣門卡阻在氣門導(dǎo)套內(nèi)，無法在設(shè)定的時機移動到規(guī)定的位置，造成氣門卡阻。

2）氣門卡阻與噴嘴堵塞的區(qū)別

通常采用地面試車和分解氣門機構(gòu)的方法來判斷氣門卡阻，地面試車時發(fā)現(xiàn)某個汽缸的EGT迅速下降或無指示而其他汽缸無明顯變化時，可初步判斷是氣門卡阻（因氣門卡阻后該汽缸基本不工作）。然后對汽缸進行壓縮性試驗，如果輸出壓力在正常范圍內(nèi)則可以排除氣門燒蝕的情況，再進一步分解氣門機構(gòu)，檢查氣門是否發(fā)生了卡阻。

氣門卡阻現(xiàn)象與燃油噴嘴堵塞故障現(xiàn)象較為類似，其對比如表1所示。

3）氣門卡阻的關(guān)聯(lián)影響

維護經(jīng)驗以及統(tǒng)計結(jié)果顯示，活塞發(fā)動機的氣門卡阻多發(fā)生在排氣門上，高發(fā)于7～10月，特別是進入夏季，溫度升高、大氣污染、發(fā)動機過富油等引起發(fā)動機散熱不暢，不完全燃燒產(chǎn)生的污染物在氣門聚集，易造成氣門卡阻故障。

排氣門卡阻在關(guān)閉位，將導(dǎo)致推桿和推桿套彎曲（見圖1），引起滑油外泄，同時高溫高壓燃氣無法排出汽缸而倒流入進氣系統(tǒng)，會影響其他汽缸的正常工作。

如果排氣門卡阻導(dǎo)致汽缸推桿和推桿套彎曲，引起滑油泄漏，短時間無法安全著陸，很可能因滑油泄漏過多而導(dǎo)致發(fā)動機失效。

排氣門卡阻故障發(fā)生時，因故障汽缸無法產(chǎn)生有效功率，為了確保一定的飛行高度，不得不增加其他汽缸的輸出功率，將導(dǎo)致燃油消耗量劇增，如無法在燃油耗盡前安全著陸，可能引發(fā)嚴重的飛行事故。

排氣門卡阻在開位將導(dǎo)致大多數(shù)的混合氣在電嘴點火前就被排出汽缸外，并在其他缸排出的高溫燃氣作用下在排氣管中不完全燃燒，產(chǎn)生黑煙，同時發(fā)動機因功率減小而引發(fā)振動，嚴重時將導(dǎo)致活塞和排氣門相碰撞而出現(xiàn)機械損傷。

2.2 氣門漏氣

通常情況下，氣門漏氣是由于活塞和活塞漲圈之間配合不正確造成的。另外，氣門與氣門座之間配合不緊密也易造成氣門漏氣。氣門連續(xù)不斷地開關(guān)，加上燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓氣流對氣門座持久的熱腐蝕和撞擊，極易造成氣門漏氣。氣門漏氣會降低發(fā)動機的輸出功率，嚴重時將導(dǎo)致發(fā)動機無法正常工作。

氣門密封性檢查是指指發(fā)動機處于熱發(fā)停車的狀態(tài)下，當汽缸壁和漲圈之間還有均勻潤滑時，找到該汽缸壓縮行程上的死點，固定住螺旋槳，從汽缸上拆下一個容易接近的電嘴，然后將地面氣源的輸入壓力調(diào)至80psi，從該電嘴孔處連接一接頭對汽缸充氣。如果輸出壓力表上的值不低于60psi，且各汽缸的壓力差值不超過15psi，則說明各汽缸的密封性良好。如果某個汽缸與壓力最高的汽缸的壓力差值為10～15psi時，則需要對壓力低的汽缸進行核查，以確保進排氣門無明顯漏氣。

對于氣門漏氣故障，首先需要判斷是否由氣門卡阻造成。若氣門機構(gòu)正常，則再考慮是否存在氣門和氣門座之間的密封帶燒蝕或有沉積物，甚至是氣門燒裂缺塊的情況。判斷方法是：確保飛機未接通電源，用手搬動螺旋槳，如果在氣門附近聽到氣體泄漏的嘶嘶聲或者口哨聲，說明排氣門漏氣；若燃調(diào)處傳出聲音，則可判斷進氣門漏氣；若從機匣通大氣孔處傳出聲音，則可判斷為活塞與漲圈配合不正確導(dǎo)致的漏氣。

確定為氣門漏氣故障后，汽缸壓力通常很低甚至為零，機務(wù)人員可以拆下汽缸，堵住電嘴安裝孔并關(guān)閉氣門，向汽缸里灌入汽油等液體，通過觀察是否有液體從氣門處滲漏來驗證。

2.3 氣門燒蝕

氣門在汽缸內(nèi)承受高溫、腐蝕和工作應(yīng)力，工作溫度高達1400℉，同時氣門關(guān)閉時對氣門座的沖擊負荷很大，撞擊次數(shù)較多，如轉(zhuǎn)速在2000rpm時每分鐘撞擊1000次。進氣門受到新鮮混合氣的清洗，散熱較容易，排氣門的工作條件卻更為惡劣。排氣行程中高溫氣流通過排氣門和氣門桿，使排氣門受熱程度比進氣門嚴重，散熱又不足，故排氣門溫度比進氣門高，因此排氣門多發(fā)生燒蝕的故障，如圖2所示。

根據(jù)該型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際運行環(huán)境分析，排氣門運行溫度過高導(dǎo)致排氣門的抗腐蝕保護層被破壞是排氣門燒蝕的根本原因，而高鉛燃油中的鉛沉積在排氣門密封面上，導(dǎo)致排氣門散熱不良是排氣門過熱的主要原因。

如果氣門與氣門座間的密封帶燒蝕或有沉積物，將導(dǎo)致排氣門與氣門座密封不嚴，高溫燃氣長時間烘烤排氣門桿，造成排氣門桿單位時間內(nèi)吸熱量過多而產(chǎn)生燒蝕，燒蝕后的排氣門無法關(guān)嚴，造成能量損失，各氣缸的功率將出現(xiàn)不均衡，最終導(dǎo)致發(fā)動機運行不穩(wěn)定。

3 氣門機構(gòu)維護建議

根據(jù)維護經(jīng)驗，從維護角度給出預(yù)防該型發(fā)動機氣門機構(gòu)故障的常見措施，以降低氣門機構(gòu)故障發(fā)生率或避免故障的發(fā)生，保障飛行安全。

1）定期檢查氣門間隙，按該型發(fā)動機工作單卡定期對氣門機構(gòu)進行維護。同時，認真清潔和潤滑氣門機構(gòu)，將積鉛積炭清潔干凈，防止灰塵等雜質(zhì)進入發(fā)動機內(nèi)部。

2）檢查滑油通道是否暢通，保障滑油系統(tǒng)的正常工作，使氣門桿得到良好的潤滑，盡量減少氣門桿和氣門導(dǎo)套間的沉積物，降低其生成速率。

3）使用無鉛汽油或低鉛汽油。特別是夏季飛行過程中應(yīng)保持發(fā)動機溫度不致過高，注意氣缸散熱，保持汽缸頭溫度低于400℉。

4）在拆裝氣門彈簧過程中，應(yīng)避免工具劃傷氣門桿，并清洗去除積炭等污染物。檢查氣門、氣門座等有無裂紋，有無磨損、刻痕、刮傷等缺陷；檢查有無機械損傷或燃燒造成的損傷，若有損傷則報廢此氣門。

5）發(fā)動機停車后不能馬上打開發(fā)動機整流罩，防止發(fā)動機因溫度急劇降低而造成氣門機構(gòu)故障。

6）發(fā)動機試車時，避免發(fā)動機在地面長時間小轉(zhuǎn)速運行，注意冷暖機，尤其是正確調(diào)節(jié)貧富油可以明顯降低排氣門和排氣門導(dǎo)套上沉積物的生成速率，進而降低排氣門卡阻的發(fā)生率。

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作者簡介

曾彬，工程師，主要研究方向：航空器維修與適航。