[杂谈] 梗死斯巴鲁发动机的真凶

2016-04-24 12:41作者：爱车的诺诺249523666话题：技术解读   
[导读]汽车有生命，但天生不会说话，发动机惨烈梗死，谁来替它揭示真相？今天，诺诺为大家带来了又一篇悬疑侦破，一层层揭开这台水平对置发动机惨烈梗死真相
        

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【诺诺公告】
上周，央视体育频道的赛车时代节目组来找诺诺录制了一期节目，想“涨姿势”的诺粉可以登录央视官网观看重播哦~关键词：换季保养和自驾出行的注意事项。

【写在前面】
诺诺属于工程师中的细节分子，看到蛛丝马迹就喜欢顺藤摸瓜。今天要展示给各位诺粉的案子，是一台斯巴鲁发动机的死因分析。发动机死相很惨，某种程度上讲，真还脱不了水平对置的干系。老规矩，请各位诺粉准备好瓜子饮料哈。

图：爱车的诺诺-北京店

【罕见的损伤模式】
前不久去北京出差，看到北京店里架着一台大修的斯巴鲁，据说发动机缸体被打了一个洞，连夜拖过来的。

图：摘下来的动力总成

图：发动机缸体上的破洞

发动机缸体穿孔，本不觉得有啥新奇的，但我走到大修件，看到拆出来的活塞时，我duang的一下蒙B了！顿时兴趣盎然，说什么都要探个究竟。于是赶紧发老板令，要求技研部介入调查，吴部长和万总编也先后从上海飞抵北京。

图：断成两半的活塞“饼干”

以前见过不少缸体损伤的维修案例，多半都是连杆断裂导致的，常见的是发动机呛水后，再次打火，导致连杆、气门等机件损坏，可从来没见过活塞裂两半的。很显然，这一次，活塞群部的拉伤痕迹已经不再是主角了。

图：活塞侧面的拉伤痕迹

来不及细想，接下来油底壳里的金属屑，又让所有人倒抽一口冷气。

图：油底壳里的金属碎末
几张照片，足以说明这台发动机经历了怎样一场残忍的折磨。故障发生时，不是车主亲自驾驶的，汽车自己也不会说话，那就轮到技研部工程师去剖析车子的血泪史了。
发动机损坏集中在第3缸，邵师傅用镊子把碎片一个一个夹出来，替我们擦干净后排在了一起。

图：3缸活塞及连杆的主要残骸

从这些残片的材质和形态上，不难辨认它们“生前跟着谁混”，属于哪个零件。这样一来，结合各个零件的动作原理，以及零件的损伤形态，就可以去推断损坏的机理，甚至推理出失效发生的因果关系了。
【诺式排查开始】
好戏开演之前，我得普及一下发动机的主要零件术语，免得后面提到什么零件，大家云里雾里。请大家先看看图里的这些名词，后面聊到时就能对上号了。

图：活塞连杆的专业术语

这台发动机拆解时，所有轴瓦都是抱死状态，曲轴根本无法转动。拆开轴瓦后，发现轴颈上的油孔不少被堵，相应的轴瓦当然得不到机油润滑了（连杆大头就是抱在轴瓦上的，靠输油孔流出的机油润滑）。

图：正常的轴颈油孔

图：即将被堵死的轴颈油孔

图：被完全堵死的轴颈油孔

仔细查看堵塞油孔的物质，确认是铝，就是油底壳里面看到的那些铝屑，进入油道后，再跟着机油从油孔中挤出来。在轴瓦极其狭窄的缝隙里，铝屑几乎无处可去，只有被轴瓦碾压的份儿。一圈一圈地碾啊碾，铝屑前仆后继，直到塞满整个油孔，轴瓦失去了机油的供给，当然就抱死转不动了！
【铝屑来自何处？】
这些铝屑是从哪里来的呢？(=@__@=)
发动机里的主要铝制零部件无外乎缸体、缸盖和活塞了，缸盖无损伤，活塞的残骸都是块状的，那个尺度是进不了油道的，那我们仔细看看缸体吧。

图：发动机缸体及曲轴

图：缸体内部的伤痕

缸体内部可谓是伤痕累累，这些都是连杆的功劳，断掉的连杆在缸体里面乱捅乱戳，导致缸体内伤不轻。正是这种“刨削”动作产生大量铝屑，堵塞了润滑油道。
轴瓦抱死的原因算是找到了吧，但是抱死已经是整个故障历程中最后一步了，因为这时发动机已经无法旋转，也无法启动，接下来的桥段就是通知北京店咯。
那么，抱死之前发生了什么？损伤是按怎么一个顺序演化的？谁是因谁是果？我们必须继续探寻。
【活塞、连杆为啥分家？】
无论如何，我们最终发现一大堆碎片，活塞的下半身被扯掉，上半身裂开成两半。那么，连杆为什么会跟活塞扯开呢？

图：活塞裙部被拉断？

想扯断活塞，必须有巨大的向下拉力。正常工作的发动机，只有在进气冲程，活塞才是被连杆拉着向下走的，而其他所有冲程里，活塞和连杆都是相互挤压的关系。但进气冲程的下拉力很小（抽空气进来要不了多少力气嘛，就算堵住进气，让活塞抽真空，最多也才一个大气压嘛~），所以设计时不需要考虑活塞裙部是否足够抗拉，这里的用材也因此相对薄弱。但是摆在我们眼前的残骸，分明是活塞的下半身被硬生生拉掉了，想着都蛋疼，到底咋回事呢？

图：丢了下半身的第3缸活塞

似乎唯一的可能就是：活塞在往下走的过程中被什么东西卡住了……
几个工程师，翻来覆去，把30多个活塞碎片逐一检查，终于在一块来自活塞裙部的碎片上发现了证据！

图：活塞碎片上的损伤痕迹

这个痕迹，类似彗星以切角撞击地球的痕迹，当这个活塞还在气缸里飞速运动时，唯独有楔形的碎片进入缝隙后，才可以导致这个挤压划伤。仔细观察，挤压造成的沟槽越靠上越宽，越深，这说明活塞在异物进入缝隙后，往下越走越紧，异物也越划越深，最后划痕的终点，就是活塞卡死的地方。这时，其他缸还在工作，继续推动曲轴转动，连杆被迫向下运动，那么就硬生生把第3缸活塞的下半身拉断了。
总结一下今天的分析，我画了一个示意图，这样诺粉们理解起来就形象多了。

图：异物卡死活塞示意图

【哪里来的异物呢？】
诺诺的分析一向不会见好就收，既然证明是异物卡死，那么下一个问题就来了：卡死活塞的异物是啥呢？会不会是油底壳里的铝屑呢？
从逻辑上分析，活塞卡死在先，接着是连杆脱离，然后连杆开始在缸体内自由刨削，才产生的铝屑。所以卡死活塞的凶手不可能是铝屑，一定另有其人！
时间不早了，明天咱们继续分解！

【写在前面】
上一集讲到诺诺去北京店考察，接触到了一桩离奇的斯巴鲁发动机惨案：发动机缸体穿孔，活塞裙部被拉断，活塞顶部如饼干般断成两半，发动机内出现大量碎屑。案情调查刚有眉目，又陷入了僵局——活塞好好的，咋就冒出来一个异物，把它卡死了呢？

图：损坏的发动机零件

没有读过上一集的车友，请到爱车的诺诺订阅号（icheNuonuo）查看历史消息。这一集我们继续探寻让活塞卡死的凶手。诺粉们，瓜子饮料准备好！
【是谁卡死了活塞？】
为了寻找到可疑的碎片，我们把大修现场拆下来的所有零件都看了一遍，意外地在第四缸连杆上发现了奇怪的细节。

图：挤压变形的第4缸轴瓦

可能有人对轴瓦比较陌生。轴瓦是连杆大头里面的摩擦副，由于造型类似瓦片，所以叫轴瓦。

图：轴瓦示意图

轴瓦应该是下图这样的外形（尽管图中轴瓦内壁有些磨损）：

图：轴瓦的正常外形

看出奇怪的地方来了吧？第4缸的轴瓦两侧长出了“护翼”，扁扁的，延伸得很远。技师费了很大劲把这片轴瓦从连杆上抠下来，和还算正常的轴瓦合了张影，见下图。

图：轴瓦长出了“护翼”

这个“护翼”咋长出来的呢？我得先科普一下锻造的基本知识了。
古代，工匠把铁条烧红后，锻打成刀剑兵器。因为人们发现铁在温度升高至800℃左右，晶体组织间更容易产生相对运动，金属内部变形阻力急剧减少，呈现高度可塑性，这个时候就容易把它敲成想要的形状。所以自古以来就有“趁热打铁”的说法。

图：高温锻造

锻造，有两个必要条件：1、高温；2、不断地锤击；
我们也可以理解成，这时的铁虽然还是固体，但已经可以在一定的压力下“流动”了（有点橡皮泥的感觉了）。
这种“护翼”其实就是轴瓦材料在满足锻造条件后，软化的金属沿零件缝隙“流动”产生的结果。
有人会说开玩笑，发动机里，泡着机油呢，可以达到800℃么？！
随着制造技术的发展，近现代还出现了低温锻造技术，的确不再需要加热到800℃以上了，但也是数百度的水平，比发动机里的正常温度高得多。
那这里到底达到过多少度呢？我们看看连杆接触轴瓦的表面金属颜色即可。

图：连杆的轴瓦安装面颜色

这种蓝色的痕迹，就是铁材质经历过高温冷却后的效果，即表面生成四氧化三铁的颜色。化学课上学过，要生成这种物质，得让铁在纯氧中燃烧。现实的含氧环境中，把铁加热到400℃以上，并持续足够长时间，冷却下来也会发蓝。这里的蓝色痕迹已经说明很多问题了。（hi~，你们见过频繁暴力制动后，发蓝的刹车盘么？）
加上活塞的上下运动，燃烧冲击，轴瓦又满足了“不断受到锤击”的条件，因此材料在软化状态下，寻找缝隙“横向流淌”，遇到曲轴就开始拐弯前进，流着流着，发动机下课了，一切宣告结束，最终就定格在这种“护翼”造型上了。

图：材料发生流动后的轴瓦

被锻造得最充分的当属出现损坏的第3缸了，轴瓦已经荡然无存，全部从缝隙中“挤出去”了，只剩下游荡在油底壳里的薄薄碎片。

图：第3缸轴瓦的薄片状残骸

其他缸的轴瓦也好不到哪里去，下图就是一片正准备“开溜”的轴瓦，可以明显看到中间部分已经开始变薄、变宽了。

图：中部开始发生变形的轴瓦

插入一句，下面这张图就是第3缸对应的曲轴轴颈，唯独这里油孔没有半点铝屑阻塞，轴颈上也没有铝屑碾磨痕迹，只是轴颈表面发蓝而已。

图：第3缸对应的曲轴轴颈

这充分说明，当铝屑在油路中肆意横行时，这里的轴瓦早已变成薄片，灰飞烟灭了。够大的间隙足以让铝屑畅行无阻，既没有造成堵塞，也没有造成碾磨。

图：曲轴上唯独第3缸处没有铝屑

OK，回到锻造。既然保持着锻打变形，那就轴瓦的的温度一直持续在比较高的区间。这里远离燃烧室，摩擦则是升温的唯一方式，也就是说轴瓦转动时，摩擦产生的热量，已经超出了机油的循环冷却能力，造成轴瓦处持续升温，最终达到了适合锻造钢铁的温度，再加上被燃烧冲击反复锻打，导致失效。
这也说明，发动机处于这个异常工况不是一时半会了，而是有什么原因造成的慢性自残。
如此看来，轴瓦处异常摩擦，导致大量产热，是最初的诱因。过热的轴瓦在燃烧冲击的反复作用下，挤出曲轴缝隙，形成薄片残骸。也只有钢质残片可以把铝质活塞啃出深深的沟槽，它们就是卡住活塞的异物！

图：活塞被异物卡滞形成的挤压沟槽

阻挡活塞下行的凶手终于找到了，上一集里的疑云也随之解开了。但是这件案子还有一个很离奇的现象呢，就是像饼干一样齐刷刷断成两半的活塞，这又是谁干的呢？会不会是爆震给炸的啊？爆震的原因是什么？如果是爆震的贡献，那么会不会是先炸成两半，再扯断下半身呢？… …
我和吴部长的脑子开始乱起来了，让我们先静一下，请等待诺诺下回分解。

图：断成两半的第3缸活塞