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“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

我們去修理廠修車,經常會看到一些發動機在大修。問修理工這些發動機大修的原因,無非就是“拉缸了”、“化瓦了”、“爆缸了”、“頂缸了”、“嚴重燒機油”等。這些話對于我們這些汽修小白來說,無異于座山雕問楊子榮的“黑話”。今天老侯用盡可能直白的語言,來給大家說說這些話都是什麼意思,來看看“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”又是怎麼頂的?我們在日常使用中又該如何避免這些故障的發生。

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要說明這個問題,首先要簡單介紹一點汽車發動機的相關知識。汽車上所使用的發動機,全稱是“四沖程水冷往複活塞式發動機”,活塞在氣缸中上下往複運動,完成進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程,并通過連杆把動力傳遞給曲軸,驅動曲軸旋轉,把動力向外輸出。在這個過程中,一對“歡喜冤家”起到了至關重要的作用:活塞-氣缸。它們也是發動機中最大的運動摩擦副,是發動機最核心的機構。

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首先來說說活塞。活塞是在發動機氣缸中上下運動的一個圓柱體,它與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室,燃料在其中燃燒,生成的高溫高壓氣體推動活塞向下運動,并将這個推力通過連杆傳遞給曲軸,帶動曲軸旋轉做功。活塞的工作環境是極其惡劣的,其頂部與高溫、高壓、具有腐蝕性的氣體直接接觸,承受巨大的氣體壓力與慣性力的作用,在高速運動時活塞表面與氣缸壁之間不斷發生摩擦。是以,活塞必須有足夠的強度和剛度,并且具有耐磨、耐高溫的性能,品質越小越好。

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活塞通常采用矽鋁合金鑄造而成,也有部分高強化的柴油機使用進階鑄鐵或者耐熱鋼制造。活塞在結構上分為頂部、頭部和裙部三部分。頂部與氣缸蓋、氣缸壁構成燃燒室,它的形狀決定了燃燒室的形狀,是影響燃料燃燒狀态的重要因素;頭部用來安裝活塞環,主要作用是用來密封氣缸,并把活塞的熱量傳遞給氣缸壁;裙部主要是給活塞運動導向,并承受氣缸壁施加給活塞的側壓力,現在的家用汽油機通常采用拖闆式活塞裙部。活塞在形狀上呈上小下大的錐形,工作時上部受熱更多,膨脹更大,變成近似于圓形。

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活塞在工作時會受熱膨脹變形,但它的變形并不是均勻的。活塞頂部在氣體壓力作用下會發生彎曲變形,在側壓力作用下會發生沿活塞銷軸線方向的變形,在活塞銷座孔處金屬較多,受熱會發生橢圓形變形,上部受熱多變形大,下部受熱少變形小。活塞發生橢圓形變形會破壞與氣缸壁之間的配合,使發動機工作異常。是以,活塞在結構上還會做一些隔熱與補償措施,比如開隔熱槽、膨脹槽、采用橢圓錐形裙部、在活塞中鑲嵌恒範鋼片等。

此外,加強活塞的冷卻與潤滑也是非常重要的,有些高強化發動機有專門的機油噴嘴,給活塞噴射機油冷卻降溫,用油環在氣缸壁上布油形成油膜潤滑活塞,活塞表面做磷化處理,或者塗抹石墨,噴塗聚四氟乙烯塗層等,以提高活塞的耐磨性與耐高溫性等。

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再來說說發動機氣缸。氣缸是發動機中引導活塞上下運動的圓柱形空腔。它也是燃燒室的組成部分,要承受巨大的氣體壓力和高溫、腐蝕等,是以要求它具有足夠的強度和耐熱、耐磨性。為了節約材料,降低成本,保證發動機使用壽命,在絕大多數的發動機中,都會在氣缸中鑲入氣缸套來形成氣缸工作表面。

氣缸套采用耐熱性較好的合金鑄鐵或者合金鋼制造,氣缸體采用比較廉價的普通鑄鐵或者鋁合金鑄造,當氣缸套過度磨損後還可以單獨維修或者更換,這樣可以降低使用和維修成本。有些鋁合金發動機不鑲嵌缸套,而是在氣缸壁上電化學加工一層硬質鐵合金塗層。此外,把氣缸套内壁加工成網格狀,可以形成一個個微小的儲油池,以增強對活塞的潤滑。

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氣缸套是固定不動的,活塞在氣缸套中上下往複運動,二者形成了一個運動摩擦副。一個普通的家用汽油機,假設活塞行程是87mm,當發動機以2000轉/分鐘運作時,二者的相對速度将近6米/秒。如此高的摩擦速度,如果沒有良好的潤滑與散熱,摩擦副很快就會被破壞,是以活塞-氣缸的潤滑與散熱是發動機的核心技術。此外,由于側壓力與氣體壓力的存在,活塞并不是在氣缸中間位置運作,而是在上下行時分别偏向于一側,在側壓力方向磨損更嚴重,是以形成了偏磨,這是往複式發動機不可避免的缺陷。

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活塞與氣缸套之間大約有0.05~0.1mm的間隙,這個間隙稱為“配缸間隙”。不同的發動機這個數值略有不同,一般鑄鐵氣缸體比對鋁合金活塞會略大一些,鋁合金氣缸體比對鋁合金活塞會略小一些。如此小的配合間隙,需要有精密的機械加工工藝與裝置來實作。我們通常說的發動機制作精密,主要也是指這個部分。此外,金屬的熱膨脹也是必須考慮的因素,使用不同的金屬材料,熱膨脹系數不同,配缸間隙也不同。這些都是發動機最核心的技術。

需要注意的是:這個參數是冷車時的資料,測量的是活塞裙部與氣缸壁之間的間隙。發動機達到正常工作溫度時,這個間隙會縮小至0.02~0.05mm左右。如果由于磨損導緻這個間隙過大,活塞-氣缸的密封性能會大幅度下降,氣缸壓力降低,進入燃燒室的可燃混合氣壓縮不足,難以燃燒,并從活塞-氣缸壁之間的間隙漏出,形成所謂的“下排氣”,發動機動力下降,機油消耗量劇增,在這種情況下就需要大修發動機了。

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知道了活塞、氣缸的特性以及二者的運動關系,就可以來解釋拉缸、爆缸等術語了。

前文說了,活塞-氣缸之間的間隙非常小。如果有硬質顆粒物進入了這個間隙中,在活塞的高速運動以及巨大慣性的作用下,就會對氣缸壁和活塞表面造成劃傷,在氣缸壁表面形成縱向的溝紋,這就是所謂的“拉缸”。是以,簡單來說,“拉缸”就是氣缸壁内表面縱向劃傷。造成拉缸的原因,一般是有雜質進入到了燃燒室中,比如脫落的積碳顆粒、空氣中的硬質顆粒物等,此外活塞環折斷、活塞銷卡簧掉落、活塞銷竄出等,也會造成拉缸故障。

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當發動機出現拉缸故障之後,由于在劃傷處洩漏,是以氣缸的密封性下降,發動機會出現異響、抖動等現象,發動機動力下降,下排氣增大,在機油尺處會看到一縷縷的煙霧從這裡竄出。如果是輕微的拉缸,發動機可以繼續使用,隻是要避免大負荷運轉。如果是嚴重的拉缸,那就必須停機維修了。避免拉缸故障的一個重要措施是使用品質良好的空氣濾清器,并保持進氣管路的良好密封,這樣可以将空氣中的硬質顆粒物完全過濾,避免進入氣缸中卡入活塞-氣缸摩擦副中。此外,降低發動機燃燒室中的積碳,也是避免拉缸的措施之一。

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那麼“爆缸”又是怎麼回事呢?大家一聽,爆缸,哇,發動機爆炸了耶!

其實并不是。現在的汽車發動機是非常安全的,絕對不會發生爆炸。所謂的“爆缸”,其實是指活塞與氣缸套卡死不動的故障。

前文說了,發動機在正常工作時,活塞與氣缸壁之間的間隙是非常小的。但這是建立在發動機散熱良好情況下的。如果發動機散熱不好,或者長時間大負荷工作,那麼活塞的溫度就會急劇上升,發生較大的膨脹變形,而氣缸體膨脹量沒有活塞大,是以活塞與氣缸套之間的間隙就會消失,二者從間隙配合變成了過盈配合。活塞在飛輪慣性力的作用下,仍然保持上下往複運動,與氣缸壁之間發生嚴重的摩擦,生成大量的熱,使活塞表明與氣缸壁内表面金屬熔化,并熔接在一起,然後又撕裂。此時活塞與氣缸套表面完全破損,摩擦副完全被破壞,由此産生巨大的阻力迫使發動機停止運轉,高溫使活塞與氣缸套熔接在一起,發動機完全不能工作了。

“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

爆缸一般都是由于發動機高溫導緻的。在此時,發動機中的冷卻液會沸騰,發動機艙中煙霧缭繞,就像爆炸了一樣,是以稱為“爆缸”。爆缸是一種嚴重的機械故障,發動機中的活塞與氣缸套卡死不動,完全喪失工作能力,必須拆解大修才能修複。如果汽車在高速行駛中發生爆缸事故,甚至會導緻汽車失控,是非常危險的發動機故障之一。是以我們在日常使用中,一定要保持發動機良好的散熱能力,如果發動機溫度過高必須停機檢查,決不可帶病運作。

“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

再來說說發動機“頂缸”是怎麼頂的。發動機頂缸有兩種情況,一種是活塞頂部與氣門頂撞,另一種是活塞頂水或者其它異物。

發動機在工作時,活塞上下往複運動。當活塞達到上止點時,或者是排氣終了,或者是壓縮終了。如果是排氣終了位置,此時進排氣門都是開啟的,處于氣門疊開狀态。此時的氣門與活塞頂之間的間隙不足一毫米。此外,在活塞上下運動的同時,氣門也随之開啟或關閉,二者保持某種特定的運動關系,并保證二者不會發生運動幹涉。

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這種特定運動關系,是由發動機配氣機構完成的。如果配氣機構發生故障,比如正時皮帶斷裂、正時鍊條跳齒、凸輪軸折斷等,氣門不再随活塞運動,而是保持在某一個位置不動,氣門與活塞之間的運動關系就會被打破。當活塞運動到上止點時,高速運動的活塞頂部與開啟的氣門發生碰撞,将活塞打碎或者破裂,氣門斷裂或者彎曲,嚴重時甚至會打碎氣缸蓋和氣缸體,發動機完全損毀。如果汽車在高速行駛中發生頂缸事故,汽車會瞬間失去動力,發動機破損或者卡死,汽車極易失控。

“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

這種頂氣門式的頂缸,絕大多數都是由于正時皮帶或者正時鍊條沒有及時更換造成的。是以,我們一定要按照保養手冊的要求,按時更換正時皮帶或者正時鍊條。千萬不要聽信某些老司機的謊言:看起來好好的就不用換。頂缸造成的後果是極其嚴重的,發動機基本都是完全報廢,而換一條皮帶隻需要幾百塊錢,孰輕孰重,自己掂量吧!

“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

另一種頂缸,是活塞頂到了水或者其它異物。

發動機工作時,在壓縮沖程中,活塞頂部壓縮的是可燃混合氣。氣體可壓縮性較好,可以壓縮成很小的一團。但是如果發動機涉水了,在進氣沖程中吸入到氣缸中的是水而不是空氣,那麼活塞在壓縮沖程中壓縮的就是水,而水是不可壓縮的。如果我們強行發動汽車,活塞在起動機的帶動下強制上行,遇到封閉在氣缸中的水,就會被水阻攔而無法上行。而此時起動機繼續轉動曲軸,連杆繼續推動活塞上行,在巨大的阻力作用下,連杆會發生彎曲變形,氣門也會由于水的沖撞發生彎曲,這就是所說的發動機涉水頂缸。如果把水換成其它不可壓縮的異物,比如螺絲、火花塞頭部等,後果也是一樣的。是以,發動機涉水熄火後絕對不可以二次啟動。

上面說的發動機頂缸,如果後果非常嚴重的話,會導緻活塞連杆斷裂。連杆在發動機中高速自由擺動,就會将氣缸體打破,這就造成了另一個嚴重的故障:搗缸。搗缸後發動機殼體完全破裂,内部各零部件基本都會變形損壞,發動機完全報廢。

“拉缸”拉的是哪兒?“爆缸”爆的是什麼?“頂缸”是怎麼頂的?

最後總結一下:發動機拉缸是指活塞與氣缸套之間進入了雜質,在氣缸套上形成了縱向的溝紋,這種情況隻需要單獨更換損壞的活塞與氣缸即可;爆缸是發動機高溫導緻的活塞與氣缸抱死,這種情況下需要更換發動機的“四配套”,即活塞、活塞環、活塞銷、氣缸套,不經爆缸一般都伴随着氣缸體與氣缸蓋的熱變形,後期很容易發生漏油、漏水、呲氣缸墊等故障;而頂缸的非常嚴重的機械事故,發生頂缸的發動機基本沒有維修價值,一般都需要更換發動機總成,或者更換中缸。

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