我们去修理厂修车,经常会看到一些发动机在大修。问修理工这些发动机大修的原因,无非就是”拉缸了”、”化瓦了”、”爆缸了”、”顶缸了”、”严重烧机油”等。这些话对于我们这些汽修小白来说,无异于座山雕问杨子荣的”黑话”。今天老侯用尽可能直白的语言,来给大家说说这些话都是什么意思,来看看”拉缸”拉的是哪儿?”爆缸”爆的是什么?”顶缸”又是怎么顶的?我们在日常使用中又该如何避免这些故障的发生。

要说明这个问题,首先要简单介绍一点汽车发动机的相关知识。汽车上所使用的发动机,全称是”四冲程水冷往复活塞式发动机”,活塞在气缸中上下往复运动,完成进气、压缩、做功、排气四个冲程,并通过连杆把动力传递给曲轴,驱动曲轴旋转,把动力向外输出。在这个过程中,一对”欢喜冤家”起到了至关重要的作用:活塞-气缸。它们也是发动机中最大的运动摩擦副,是发动机最核心的机构。

首先来说说活塞。活塞是在发动机气缸中上下运动的一个圆柱体,它与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室,燃料在其中燃烧,生成的高温高压气体推动活塞向下运动,并将这个推力通过连杆传递给曲轴,带动曲轴旋转做功。活塞的工作环境是极其恶劣的,其顶部与高温、高压、具有腐蚀性的气体直接接触,承受巨大的气体压力与惯性力的作用,在高速运动时活塞表面与气缸壁之间不断发生摩擦。所以,活塞必须有足够的强度和刚度,并且具有耐磨、耐高温的性能,质量越小越好。

活塞通常采用硅铝合金铸造而成,也有部分高强化的柴油机使用高级铸铁或者耐热钢制造。活塞在结构上分为顶部、头部和裙部三部分。顶部与气缸盖、气缸壁构成燃烧室,它的形状决定了燃烧室的形状,是影响燃料燃烧状态的重要因素;头部用来安装活塞环,主要作用是用来密封气缸,并把活塞的热量传递给气缸壁;裙部主要是给活塞运动导向,并承受气缸壁施加给活塞的侧压力,现在的家用汽油机通常采用拖板式活塞裙部。活塞在形状上呈上小下大的锥形,工作时上部受热更多,膨胀更大,变成近似于圆形。

活塞在工作时会受热膨胀变形,但它的变形并不是均匀的。活塞顶部在气体压力作用下会发生弯曲变形,在侧压力作用下会发生沿活塞销轴线方向的变形,在活塞销座孔处金属较多,受热会发生椭圆形变形,上部受热多变形大,下部受热少变形小。活塞发生椭圆形变形会破坏与气缸壁之间的配合,使发动机工作异常。因此,活塞在结构上还会做一些隔热与补偿措施,比如开隔热槽、膨胀槽、采用椭圆锥形裙部、在活塞中镶嵌恒范钢片等。

此外,加强活塞的冷却与润滑也是非常重要的,有些高强化发动机有专门的机油喷嘴,给活塞喷射机油冷却降温,用油环在气缸壁上布油形成油膜润滑活塞,活塞表面做磷化处理,或者涂抹石墨,喷涂聚四氟乙烯涂层等,以提高活塞的耐磨性与耐高温性等。

再来说说发动机气缸。气缸是发动机中引导活塞上下运动的圆柱形空腔。它也是燃烧室的组成部分,要承受巨大的气体压力和高温、腐蚀等,所以要求它具有足够的强度和耐热、耐磨性。为了节约材料,降低成本,保证发动机使用寿命,在绝大多数的发动机中,都会在气缸中镶入气缸套来形成气缸工作表面。

气缸套采用耐热性较好的合金铸铁或者合金钢制造,气缸体采用比较廉价的普通铸铁或者铝合金铸造,当气缸套过度磨损后还可以单独维修或者更换,这样可以降低使用和维修成本。有些铝合金发动机不镶嵌缸套,而是在气缸壁上电化学加工一层硬质铁合金涂层。此外,把气缸套内壁加工成网格状,可以形成一个个微小的储油池,以增强对活塞的润滑。

气缸套是固定不动的,活塞在气缸套中上下往复运动,二者形成了一个运动摩擦副。一个普通的家用汽油机,假设活塞行程是87mm,当发动机以2000转/分钟运行时,二者的相对速度将近6米/秒。如此高的摩擦速度,如果没有良好的润滑与散热,摩擦副很快就会被破坏,所以活塞-气缸的润滑与散热是发动机的核心技术。此外,由于侧压力与气体压力的存在,活塞并不是在气缸中间位置运行,而是在上下行时分别偏向于一侧,在侧压力方向磨损更严重,因此形成了偏磨,这是往复式发动机不可避免的缺陷。

活塞与气缸套之间大约有0.05~0.1mm的间隙,这个间隙称为”配缸间隙”。不同的发动机这个数值略有不同,一般铸铁气缸体匹配铝合金活塞会略大一些,铝合金气缸体匹配铝合金活塞会略小一些。如此小的配合间隙,需要有精密的机械加工工艺与设备来实现。我们通常说的发动机制作精密,主要也是指这个部分。此外,金属的热膨胀也是必须考虑的因素,使用不同的金属材料,热膨胀系数不同,配缸间隙也不同。这些都是发动机最核心的技术。

需要注意的是:这个参数是冷车时的数据,测量的是活塞裙部与气缸壁之间的间隙。发动机达到正常工作温度时,这个间隙会缩小至0.02~0.05mm左右。如果由于磨损导致这个间隙过大,活塞-气缸的密封性能会大幅度下降,气缸压力降低,进入燃烧室的可燃混合气压缩不足,难以燃烧,并从活塞-气缸壁之间的间隙漏出,形成所谓的”下排气”,发动机动力下降,机油消耗量剧增,在这种情况下就需要大修发动机了。

知道了活塞、气缸的特性以及二者的运动关系,就可以来解释拉缸、爆缸等术语了。

前文说了,活塞-气缸之间的间隙非常小。如果有硬质颗粒物进入了这个间隙中,在活塞的高速运动以及巨大惯性的作用下,就会对气缸壁和活塞表面造成划伤,在气缸壁表面形成纵向的沟纹,这就是所谓的”拉缸”。所以,简单来说,”拉缸”就是气缸壁内表面纵向划伤。造成拉缸的原因,一般是有杂质进入到了燃烧室中,比如脱落的积碳颗粒、空气中的硬质颗粒物等,此外活塞环折断、活塞销卡簧掉落、活塞销窜出等,也会造成拉缸故障。

当发动机出现拉缸故障之后,由于在划伤处泄漏,所以气缸的密封性下降,发动机会出现异响、抖动等现象,发动机动力下降,下排气增大,在机油尺处会看到一缕缕的烟雾从这里窜出。如果是轻微的拉缸,发动机可以继续使用,只是要避免大负荷运转。如果是严重的拉缸,那就必须停机维修了。避免拉缸故障的一个重要措施是使用质量良好的空气滤清器,并保持进气管路的良好密封,这样可以将空气中的硬质颗粒物完全过滤,避免进入气缸中卡入活塞-气缸摩擦副中。此外,降低发动机燃烧室中的积碳,也是避免拉缸的措施之一。

那么”爆缸”又是怎么回事呢?大家一听,爆缸,哇,发动机爆炸了耶!

其实并不是。现在的汽车发动机是非常安全的,绝对不会发生爆炸。所谓的”爆缸”,其实是指活塞与气缸套卡死不动的故障。

前文说了,发动机在正常工作时,活塞与气缸壁之间的间隙是非常小的。但这是建立在发动机散热良好情况下的。如果发动机散热不好,或者长时间大负荷工作,那么活塞的温度就会急剧上升,发生较大的膨胀变形,而气缸体膨胀量没有活塞大,因此活塞与气缸套之间的间隙就会消失,二者从间隙配合变成了过盈配合。活塞在飞轮惯性力的作用下,仍然保持上下往复运动,与气缸壁之间发生严重的摩擦,生成大量的热,使活塞表明与气缸壁内表面金属熔化,并熔接在一起,然后又撕裂。此时活塞与气缸套表面完全破损,摩擦副完全被破坏,由此产生巨大的阻力迫使发动机停止运转,高温使活塞与气缸套熔接在一起,发动机完全不能工作了。

爆缸一般都是由于发动机高温导致的。在此时,发动机中的冷却液会沸腾,发动机舱中烟雾缭绕,就像爆炸了一样,所以称为”爆缸”。爆缸是一种严重的机械故障,发动机中的活塞与气缸套卡死不动,完全丧失工作能力,必须拆解大修才能修复。如果汽车在高速行驶中发生爆缸事故,甚至会导致汽车失控,是非常危险的发动机故障之一。所以我们在日常使用中,一定要保持发动机良好的散热能力,如果发动机温度过高必须停机检查,决不可带病运行。

再来说说发动机”顶缸”是怎么顶的。发动机顶缸有两种情况,一种是活塞顶部与气门顶撞,另一种是活塞顶水或者其它异物。

发动机在工作时,活塞上下往复运动。当活塞达到上止点时,或者是排气终了,或者是压缩终了。如果是排气终了位置,此时进排气门都是开启的,处于气门叠开状态。此时的气门与活塞顶之间的间隙不足一毫米。此外,在活塞上下运动的同时,气门也随之开启或关闭,二者保持某种特定的运动关系,并保证二者不会发生运动干涉。

这种特定运动关系,是由发动机配气机构完成的。如果配气机构发生故障,比如正时皮带断裂、正时链条跳齿、凸轮轴折断等,气门不再随活塞运动,而是保持在某一个位置不动,气门与活塞之间的运动关系就会被打破。当活塞运动到上止点时,高速运动的活塞顶部与开启的气门发生碰撞,将活塞打碎或者破裂,气门断裂或者弯曲,严重时甚至会打碎气缸盖和气缸体,发动机完全损毁。如果汽车在高速行驶中发生顶缸事故,汽车会瞬间失去动力,发动机破损或者卡死,汽车极易失控。

这种顶气门式的顶缸,绝大多数都是由于正时皮带或者正时链条没有及时更换造成的。所以,我们一定要按照保养手册的要求,按时更换正时皮带或者正时链条。千万不要听信某些老司机的谎言:看起来好好的就不用换。顶缸造成的后果是极其严重的,发动机基本都是完全报废,而换一条皮带只需要几百块钱,孰轻孰重,自己掂量吧!

另一种顶缸,是活塞顶到了水或者其它异物。

发动机工作时,在压缩冲程中,活塞顶部压缩的是可燃混合气。气体可压缩性较好,可以压缩成很小的一团。但是如果发动机涉水了,在进气冲程中吸入到气缸中的是水而不是空气,那么活塞在压缩冲程中压缩的就是水,而水是不可压缩的。如果我们强行发动汽车,活塞在起动机的带动下强制上行,遇到封闭在气缸中的水,就会被水阻拦而无法上行。而此时起动机继续转动曲轴,连杆继续推动活塞上行,在巨大的阻力作用下,连杆会发生弯曲变形,气门也会由于水的冲撞发生弯曲,这就是所说的发动机涉水顶缸。如果把水换成其它不可压缩的异物,比如螺丝、火花塞头部等,后果也是一样的。所以,发动机涉水熄火后绝对不可以二次启动。

上面说的发动机顶缸,如果后果非常严重的话,会导致活塞连杆断裂。连杆在发动机中高速自由摆动,就会将气缸体打破,这就造成了另一个严重的故障:捣缸。捣缸后发动机壳体完全破裂,内部各零部件基本都会变形损坏,发动机完全报废。

最后总结一下:发动机拉缸是指活塞与气缸套之间进入了杂质,在气缸套上形成了纵向的沟纹,这种情况只需要单独更换损坏的活塞与气缸即可;爆缸是发动机高温导致的活塞与气缸抱死,这种情况下需要更换发动机的”四配套”,即活塞、活塞环、活塞销、气缸套,不经爆缸一般都伴随着气缸体与气缸盖的热变形,后期很容易发生漏油、漏水、呲气缸垫等故障;而顶缸的非常严重的机械事故,发生顶缸的发动机基本没有维修价值,一般都需要更换发动机总成,或者更换中缸。

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