重康动力（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

柴油机异响与转速、温度、负荷的关系

 

摘要：柴油机异响是故障诊断的重要指标，也是一种故障的直观表现，其产生与转速、负荷、温度、振动、工作循环等因素存在复杂的耦合关系。通过从机理、故障分析和应用三个维度，系统分析各参数对异响的影响，并提供可落地的研究框架。为了故障诊断、优化设计以及制定维护策略，康明斯公司在本文中讲述了在实际应用中识别和解决异响问题，以及如何通过柴油机实验和数据分析来预测和预防异响故障。

 

一、各参数对异响的作用机理

 

      通过对柴油机异响的分析，可以判断柴油机各工况的燃烧情况。因此，柴油机异响分析的结论对柴油机故障的诊断有着很重要的参考价值。在故障诊断中，科学有效地使用听诊器进行异响听诊，利用现代仪器及计算机对柴油机异响进行全面的分析能够帮助你解决维修难题，此外维修技术、分析思路也将得到提升与拓展。

1、转速：机械冲击与燃烧动态的平衡

（1）低速（<800 rpm）：燃烧压力波动显著，易引发低频爆震（0.5~2 kHz）；活塞惯性力不足导致连杆小端敲击异响。

（2）中高速（1500~3000 rpm）：气门弹簧共振（3~5 kHz）、齿轮啮合噪声（1~3 kHz）凸显，涡轮增压器叶片颤振可能发生。

（3）临界转速：曲轴扭转共振（如6缸机易在1200~1800 rpm出现），伴随“嗡嗡”声。

（4）案例：某柴油机在1800 rpm时出现周期性敲击声，经阶次分析发现3阶分量异常，确诊为第三缸连杆轴承磨损。

2、负荷：能量输入与机械应力的博弈

（1）低负荷：喷油压力不足导致雾化不良，燃烧延迟引发“爆震哒哒声”；涡轮增压器喘振风险增加，气流脉动产生高频啸叫（>8 kHz）。

（2）高负荷：缸内爆发压力峰值超限，活塞侧向冲击缸套（特征频段500~1500 Hz）；曲轴主轴承油膜破裂，金属直接接触产生宽频带噪声（2~10 kHz）。

（3）量化关系：试验数据显示，负荷每增加20%，活塞敲击声压级上升4~6 dB。

3、温度：材料变形与润滑状态的动态适配

（1）冷态（<50℃）：活塞与缸套间隙过大（设计间隙的2~3倍），冷启动瞬间产生“咔咔”敲击声；机油黏度过高，凸轮轴-挺柱边界润滑噪声显著。

（2）热态（>90℃）：活塞热膨胀导致间隙过小，摩擦噪声频段向高频迁移（如从800 Hz升至1.2 kHz）；高温使喷油器针阀卡滞，产生不规则“咔嗒”声（突发脉冲型信号）。

（3）临界点：某柴油发电机在65~75℃区间异响消失，因活塞膨胀补偿了初始间隙。

4、四冲程循环中各阶段的异响机理

（1）进气冲程

① 气门机构敲击声：如图1所示，进气门开启时，气门落座速度过快（尤其高转速时），或气门间隙过大（>0.3mm），导致“咔嗒”声（频率1~3 kHz）。与凸轮轴转频同步（1/2曲轴转速），冷机状态更明显。

② 涡轮增压器啸叫：如图2所示，进气气流通过增压器叶轮边缘时产生涡流脱落，引发高频哨声（>8 kHz），常见于负荷突增工况。

（2）压缩冲程

① 活塞-缸套敲击：压缩末期缸内压力骤升（可达3~5 MPa），活塞侧向力增大，若裙部间隙过大（>0.1mm），产生中频“哐当”声（500~1200 Hz）。敲击声相位位于上止点前10~20°曲轴转角（CA）。

② 喷油器预喷射噪声：高压共轨系统预喷射时，针阀快速开闭引发压力波振荡，产生“滋滋”声（6~10 kHz）。

（3）做功冲程

① 燃烧爆震：燃烧室内局部压力振荡（频率1~5 kHz）引发缸体共振，表现为“金属敲击声”。爆震强度与滞燃期正相关，可通过压力传感器检测（dp/dφ > 5 bar/°CA）。

② 连杆轴承异响：爆发压力使连杆大端轴承油膜破裂，金属直接接触产生宽频噪声（2~4 kHz），负荷越高越显著。

（4）排气冲程

① 排气门烧蚀噪声：高温导致气门密封不严，高压燃气泄漏产生高频“嘶嘶”声（3~6 kHz）。

② EGR阀振动：废气再循环阀开闭时的气流冲击引发阀门颤振，噪声频段集中在800~2000 Hz。

5、振动：异响能量的传递与调制

（1）传递路径：

① 结构传播：活塞敲击→连杆→曲轴→主轴承→缸体（主要传递低频成分）；

② 空气传播：燃烧噪声→缸盖表面辐射（以中高频为主）。

（2）调制效应：齿轮啮合误差引发幅值调制，边频带间隔等于轴转频（如啮合频率±轴频）；滚动轴承缺陷导致冲击序列周期性出现，包络谱中可见故障特征频率。

 

图1  柴油机气门机构图示

图2  增压器异响易出现的位置和区域

 

二、柴油机异响与转速的关系

      柴油机运转时的大多数常见异响的存在与柴油机的转速状态有关。在不同的转速时，异响的特征有所不同，掌握柴油机异响的特性，是判断柴油机存在异响的原因的关键所在。

1、低速时出现异响

      柴油机异响只是在怠速或低速运转时存在。产生该类异响的原因有：

（1）活塞和汽缸壁之间的间隙过大,造成冲击；

（2）活塞销与连杆衬套装配过紧或连杆轴承装配间隙过小；

（3）气门挺杆与导孔之间的间隙过大；配气机构凸轮轴轮廓磨损等。

2、减载时出现异响

      柴油机在某个转速范围内时声响紊乱，突然减载时发出短暂声响。发响的原因有：

（1）凸轮轴正时齿轮破裂或其固定螺母松旷；

（2）曲轴折断；

（3）活塞销与衬套之间配合松旷；

（4）凸轮轴的轴向间隙过大形成游动或其衬套松旷。

（5）曲轴主轴承径向配合间隙过小，运转中发出特别尖锐而刺耳的声音，当转速提高时响声更为明显，曲轴主轴承径向间隙过大时，运转中发出沉闷的“霍霍”冲击声。

3、加载时出现异响

      柴油机的异响在突然加载时出现，维持高速运转时声响仍然存在。发生异响的原因主要有：

（1）连杆轴承配合间隙过大、轴瓦表面烧熔;

（2）曲轴轴承配合间隙过大；

（3）活塞销断裂；

（4）曲轴断裂。

表1   柴油机异响与转速的关系

 

三、柴油机异响与负荷的关系

      柴油机的异响与负荷存在明显关系，诊断时可采取逐缸断火解除该汽缸负荷的方法进行试验，通常采用有单缸断火法、双缸断火法，分别解除一缸或两缸的负荷，以鉴别异响与断火汽缸负荷的关系。当某缸断火时，异响减轻或消失。

1、常见的异响发生原因

（1）该缸活塞敲缸；

（2）连杆轴承松旷；

（3）气门或气门座烧蚀漏气；

（4）活塞环漏气；

（5）活塞销断裂。

2、单缸断火后发生异常的原因

      当某缸断火时，异响反而加重，或原来无异响，此时反而出现异响。原因有：

（1）活塞销衬套松旷；

（2）活塞裙部锥度过大；

（3）活塞削卡环折断活塞销窜出；

（4）连杆螺栓松动或连杆轴瓦表面耐磨合金烧蚀；

（5）飞轮固定螺栓松动过甚。

3、相邻两缸断火后发生异响的原因

      当相邻两缸断火时异响减轻或消失，发响的原因有：

（1）活塞销或连杆小端磨损

原因：断火后，燃烧压力消失，活塞对销的冲击力减小，异响减弱。

表现：冷车时响声明显，断火后声音减轻（尤其是相邻两缸共享同一曲轴位置时）。

（2） 活塞与缸壁间隙过大

原因：断火时气缸内压力降低，活塞侧向摆动减少，敲击声减弱。

表现：怠速或低速时明显的“敲缸声”，断火后声音减轻。

（3）曲轴主轴承或连杆轴承磨损

原因：相邻两缸断火后，曲轴受力平衡改变，轴承负荷减轻，异响可能暂时消失。

表现：低速急加速时响声明显，断火后声音变化。

（4）气门机构故障

原因：相邻缸断火可能导致气门负荷变化（如液压挺柱压力波动）。

表现：怠速时“嗒嗒”声，断火后因油压调整声音减弱。

（5）爆震或早燃

原因：断火后燃烧异常消失，爆震导致的金属敲击声减轻。

表现：大负荷时明显，断火后异响消失。

 表2  柴油机异响与负荷的关系

 

四、柴油机异响与温度的关系

1、低温时异响的原因

      在柴油机温度较低时存在异响，当温度升高后异响显著减轻甚至消失。产生异响的原因有：

（1）活塞与缸壁配合间隙过大；

（2）活塞因机油压力过低而润滑不良。

2、温度升高后异响的原因

      在柴油机温度升高后存在异响，当温度降低后异响显著减轻或甚至消失。产生异响的原因有：

（1）燃烧室过热引起的早燃；

（2）活塞裙部椭圆的长、短轴方向相反；

（3）活塞的椭圆度过小、活塞与缸壁之间的配合间隙过小；

（4）活塞变形；

（5）各活塞环与环槽之间的配合间隙过小。

 表3  柴油机异响与温度的关系

 

五、柴油机异响与工作循环的关系

      柴油机存在异响故障往往与柴油机的工作循环过程有明显的关系，尤其是曲柄连杆机构和配气机构存在异响与工作循环有明显的关系。

1、曲柄连杆机构故障引起异响的原因

      对于四行程柴油机，由曲柄连杆机构存在故障引起的异响均会因柴油机作功一次而发响两次；由配气机构故障引起的异响均只回因柴油机作功一次而发响一次。由曲柄连杆机构故障引起异响的原因有：

（1）活塞与汽缸配合间隙过大使活塞敲击气缸壁；

（2）活塞销与连杆衬套配合间隙过大而发出的敲击声；

（3）活塞碰击气缸盖；

（4）连杆轴承配合间隙过大形成冲击；

（5）活塞环或槽磨损严重形成漏气；

（6）曲轴主轴承配合松旷形成撞击；

（7）曲轴断裂。

2、由配气机构故障引起的异响其原因

（1）气门间隙过大使摇臂与气门脚形成碰击；

（2）挺杆与其导孔间隙过大形成敲击；

（3）凸轮轴轮廓磨损；

（4）气门杆与其导管间隙过大；

（5）气门弹簧折断；

（6）凸轮轴正时齿轮破裂；

（7）气门座圈松脱；

（8）气门在导管中卡滞不能关闭。

表4  柴油机异响与柴油机工作循环的关系

      若异响与柴油机的工作循环无关，则应根据其发响区域进行诊断。一般情况下，与工作循环无关的异响是柴油机的附件存在故障而引起的；如果是与工作循环无关的机件发出连续的金属摩擦声，一般是某些部件的旋转件有故障，如发电机、冷却水泵、空压机等，可根据异响存在的部位进行判断。

六、柴油机异响与机体部位的关系

      声音是由于物体发生振动而产生的。所以，当柴油机产生异响时，必然会因为某些部件产生了一定程度的振动，根据振动的部位及特点，可以辅助诊断发生异响的原因。柴油机常见异响所引起的振动部件和区域可以按如附图3所示进行划分，可分为4个区域（A- A、B- B、C- C、D- D）和两个部位（正时齿轮盖、机油加注口）。

1、A- A区域

      该区域可以听到燃烧室、主轴承和气门等部位的异响。根据异响的特点可以辅助诊断活塞顶碰击缸盖、气缸凸肩磨损过甚、气门座圈松旷脱落、曲轴折断以及主轴承配合间隙过大的敲击声等故障。

2、B- B区域

      该区域在汽缸盖的气门室一侧,可以听察气门摇臂组合件及气门挺杆等部位， 如在气门室对面，可辅助诊断活塞敲缸的汽缸和大致部位；在机油加注口处可以听察并辅助判断活塞销异响、连杆轴承异响以及活塞环漏气异响等故障。

3、C- C区域

      该区域可以听察凸轮轴衬套异响和正时齿轮的异响，可根据异响特点辅助诊断凸轮衬套配合松旷故障以及凸轮轴正时齿轮破裂或其固定螺母松动等故障。

4、D- D区域

      该区域是在气缸体与油底壳分开面的附近（凸轮轴的对面），在此区域听察可以辅助判明主轴承发响或曲轴断裂等故障的大致部位。

5、正时链盖区域

      该区域是在柴油机的前端曲轴皮带轮的后面，在此区域借助听诊器可以判断曲轴正时链轮、凸轮轴正时链轮、机油泵及链条等原因引起的异响故障。

6、机油加注口

     该区域是在气门室盖上面加注机油的位置，在此位置打开机油加注口盖就可以明显的听到气门的响声，进而判断异响的部位。

 

图3  柴油机振动引起的异响区域

图4  柴油机机油加注口位置示意图

 

总结：

柴油机出现某些异响故障时，常常会伴随出现其他故障现象。因此，这些伴同现象就成为辅助诊断异响原因的重要依据。上述内容详细阐述了转速、负荷、温度和振动的影响，并提出了研究方法和应用建议。通过系统研究各参数与异响的关联性，结合多物理场耦合分析与智能诊断技术融，可显著提升异响故障识别率（试验验证从传统方法的78%提升至93%），优化柴油机故障诊断的准确性和效率，减少非计划停机，为柴油机可靠性设计与状态维护提供科学支撑。

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