某乘用車柴油機水溫高和溢水壺溢水問題的失效分析及解決措施

張　偉　段麗麗　左偲琦　趙國東　柴曉娜（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

某乘用車柴油機水溫高和溢水壺溢水問題的失效分析及解決措施

張偉1，2段麗麗1，2左偲琦1，2趙國東1，2柴曉娜1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

乘用車用某四缸渦輪增壓柴油機在試驗過程中出現(xiàn)氣缸蓋裂紋問題。為解決此問題，首先對裂紋形態(tài)進行分析，進而對可能造成裂紋的原因逐一排查，再通過仿真分析、對標(biāo)分析、試驗驗證等方法對問題真因進行確認。結(jié)果表明：氣缸蓋整體剛度低及局部結(jié)構(gòu)薄弱導(dǎo)致裂紋處疲勞安全系數(shù)低為裂紋產(chǎn)生的原因。針對氣缸蓋裂紋問題，制定了提高氣缸蓋整體結(jié)構(gòu)剛度、優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)強度的整更改措施。經(jīng)過仿真分析和試驗驗證，確認整改措施可以有效避免氣缸蓋裂紋的發(fā)生。

柴油機溢水壺溢水水溫高氣缸蓋墊片失效分析整改對策

引言

發(fā)動機的各組成系統(tǒng)從功能方面可以與人體的各器官的功能相對應(yīng)，如發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)相當(dāng)于人體的汗腺，發(fā)動機的溫度相當(dāng)于人體的體溫，發(fā)動機水溫高的后果就像人體發(fā)燒嚴重時會導(dǎo)致器官壞死一樣，導(dǎo)致零部件或者整個系統(tǒng)的損壞，甚至是整個發(fā)動機的報廢。因此若發(fā)動機出現(xiàn)水溫高時，必須引起重視。本文針對國內(nèi)某乘用車柴油機水溫高的失效模式進行分析，查找到問題真因，從而制定有效對策。

1　發(fā)動機水溫高問題描述

某柴油機搭載整車進行路試試驗，在整車運行15 000 km后，低速大負荷工況出現(xiàn)水溫報警器報警，發(fā)動機水溫高的問題；停車確認發(fā)現(xiàn)溢水壺存在溢水現(xiàn)象如圖1所示，待整車冷卻后確認水箱，冷卻液已不足，重新加滿冷卻液后，按原工況復(fù)試故障再次出現(xiàn)。

圖1　溢水壺竄水圖

2　發(fā)動機水溫高和溢水壺溢水現(xiàn)象原因分析

根據(jù)圖2所示的整車散熱系統(tǒng)示意圖和圖3所示的水溫高問題原因分析因果圖，分析發(fā)動機水溫高，溢水壺溢水原因［1-2］。

通過分析可知，導(dǎo)致發(fā)動機水溫高主要原因有［3］：

1）整車冷卻系統(tǒng)散熱能力不足，或者散熱管路堵塞，導(dǎo)致散熱不良；

2）發(fā)動機本身密封不良，高溫氣體竄入冷卻系統(tǒng)。

圖2　整車散熱系統(tǒng)示意圖

圖3　水溫高問題原因分析因果圖

2.1整車冷卻系統(tǒng)排查

2.1.1整車冷卻系統(tǒng)仿真計算

以發(fā)動機水泵流量性能曲線，各散熱器、冷卻器壓損作為輸入，對故障車輛整車散熱系統(tǒng)進行CFD分析（如圖4所示），模擬計算整車散熱器及發(fā)動機各冷卻器的冷卻液流量，確認整個冷卻系統(tǒng)的冷卻液分配情況［4］。

結(jié)論：整車冷卻系統(tǒng)各零部件流量分配合理，不存在死區(qū)，散熱器冷卻液流量占比81%，各零部件冷卻液流量滿足目標(biāo)要求，不存在局部過熱問題。發(fā)動機散熱量需求為77 kW，實際計算發(fā)動機冷卻系散熱量79 kW。

2.1.2冷卻系統(tǒng)各零部件排查

1）水溫報警和電子風(fēng)扇控制策略

水溫在108℃時報警，電子扇：86℃低速開啟，95℃高速開啟，通過標(biāo)定軟件實際監(jiān)測，水溫報警溫度及電子風(fēng)扇開啟無異常。

圖4　整車冷卻系統(tǒng)CFD分析結(jié)果

2）節(jié)溫器

設(shè)計要求為76℃初開，88℃全開，全開升程8～12 mm。

故障車節(jié)溫器單體試驗：水溫為76℃時閥門開啟，水溫為88℃時閥門升程為9.2 mm，合格。

3）發(fā)動機水泵

設(shè)計流量：270 L/min，揚程：160 kPa，故障車水泵實際流量為270.25 L/min，實際揚程為160.28 kPa，合格。

4）散熱水箱

設(shè)計散熱能力：4 m/s，40 L/min≥55 kW

8 m/s，100 L/min≥55 kW

故障車實測：57.5 kW（4 m/s），105.8 kW（8 m/s）。

對散熱器加水測試管路無堵塞，更換散熱器后故障仍然未消除。

5）冷卻液加注口蓋

冷卻液加注口蓋膜片閥開啟壓力設(shè)計要求≥0.11 MPa，檢測故障車膜片閥開啟壓力0.122 MPa，合格。

2.1.3排查小結(jié)

通過上述排查可排除冷卻系統(tǒng)零部件問題。但在排查過程中發(fā)現(xiàn)，溢水壺竄滿水后，當(dāng)故障車輛靜止冷卻后，溢水壺內(nèi)冷卻液并未被吸回冷卻系統(tǒng)。

正常情況下冷卻液溢入溢水壺的情況有以下兩種情況：

1）當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生氣泡并聚集到一定程度時（壓力＞0.11MPa），頂開水箱蓋（系統(tǒng)最高點）溢入溢水壺；

2）系統(tǒng)中冷卻液受熱膨脹后，系統(tǒng)壓力頂開水箱蓋閥門，膨脹的冷卻液通過管路進入溢水壺中；

但正常情況下，當(dāng)系統(tǒng)冷卻液冷卻后，溢水壺中液體將會通過管路被吸回到整個大系統(tǒng)中。

故障車溢出的冷卻液并未被吸回系統(tǒng)，分析原因為冷卻系統(tǒng)中有氣體竄入導(dǎo)致，因此排查發(fā)動機密封性。

2.2發(fā)動機本身異常排查

發(fā)動機本身主要針對高壓燃氣的密封件排查，拆卸發(fā)動機氣缸蓋，主要排查氣缸蓋總成、氣缸蓋墊片密封性，對缸蓋螺栓力矩進行確認。

2.2.1氣缸蓋螺栓

氣缸蓋螺栓拆解力矩如表1所示。

表1　氣缸蓋螺栓拆解力矩N·m

不滿足設(shè)計要求≥120 N·m的要求，存在異常。

2.2.2氣缸蓋總成

對故障車氣缸蓋總成進行試漏，設(shè)計要求水套泄漏量：0.4 MPa壓力下，10 s內(nèi)≤8 mL，實際測試壓力：0.4 MPa，保壓時間：1 min，泄漏量：5 mL，合格。

2.2.3氣缸蓋墊片

氣缸蓋墊片與缸體結(jié)合面1、2缸之間存在熏黑痕跡（如圖5所示），疑似高壓氣體竄入氣缸體與氣缸蓋墊片之間的水腔內(nèi)，存在異常。

圖5　氣缸蓋墊片疑似竄氣部位

更換氣缸蓋墊片后復(fù)裝原缸蓋，更換新氣缸蓋螺栓，恢復(fù)整車繼續(xù)試驗，水溫高問題未復(fù)現(xiàn)。

但運行3 800 km后再次出現(xiàn)水溫高問題，并且拆卸氣缸蓋墊片確認發(fā)現(xiàn)同樣在氣缸蓋墊片與氣缸體結(jié)合面1、2缸之前存在熏黑痕跡，故障現(xiàn)象與之前相同。

2.3水溫高真因鎖定

綜上分析整車水溫高和溢水壺溢水問題原因可確定是因氣缸蓋墊片在1、2缸之間與氣缸體密封失效導(dǎo)致高溫、高壓燃氣竄入水道，導(dǎo)致水溫升高和溢水壺溢水。

2.4氣缸蓋墊片失效真因分析

該柴油機為鑄鋁氣缸蓋、鑄鐵氣缸體、12.9級螺栓，擰緊方法50 N·m+90°+120°、3.5層金屬積層式墊片，氣缸蓋墊片缸口采用翻邊結(jié)構(gòu)。采用因果圖對氣缸蓋竄氣原因進行分析如圖6所示。

通過分析，結(jié)合前期排查，氣缸蓋和氣缸體的平面度和表面質(zhì)量都沒有異常，可排除氣缸蓋和氣缸體的原因?qū)е旅芊馐?，因此對氣缸蓋墊片和氣缸蓋螺栓進行分析。

2.4.1氣缸蓋螺栓

測試10顆氣缸蓋螺栓按照50 N·m+90°+120°擰緊產(chǎn)生的軸向力，得到螺栓軸向夾緊力為87.4～95.08 kN，詳細數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6　缸墊竄氣原因分析因果圖

表2　氣缸蓋螺栓軸向力測試kN

根據(jù)夾緊力計算螺栓覆蓋系數(shù)CLR［5］：式中：FBolt為螺栓軸向夾緊力；Pmax為發(fā)動機最大爆發(fā)壓力（18 MPa）；Acyl為氣缸孔面積（mm2）。

計算得到螺栓覆蓋系數(shù)為1.88，低于經(jīng)驗值2。

測試螺栓扭矩與轉(zhuǎn)角曲線，可知螺栓按50 N· m+90°+120°工藝擰緊，尚未達到螺栓塑形變形區(qū)，在循環(huán)的爆發(fā)壓力沖擊下，氣缸蓋螺栓產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致缸蓋與缸體之間瞬時間隙，影響氣缸蓋墊片密封造成竄氣。

2.4.2氣缸蓋墊片

通過氣缸蓋墊片的外觀以及裝配痕跡可確認氣缸蓋墊片本身無質(zhì)量缺陷。

故障氣缸墊進行面壓試驗，結(jié)果每缸之間高壓紙線壓力均較近氣缸蓋螺栓位置低，遠小于經(jīng)驗值：108 MPa（6倍的最大爆發(fā)壓力），因此可判定每缸之間的位置是氣缸蓋墊片密封最薄弱的位置，能夠與故障現(xiàn)象對應(yīng)。同時發(fā)現(xiàn)其他位置面壓應(yīng)力在經(jīng)驗值附近，安全系數(shù)偏低。

然而面壓試驗的中壓紙結(jié)果卻遠大于經(jīng)驗值15 MPa。因此可說明氣缸蓋螺栓的螺栓力過多的分布在了中壓密封位置，而對高壓密封區(qū)的壓緊力偏小。

對氣缸蓋墊片密封結(jié)構(gòu)分析（如圖7及表3所示），可以判斷影響氣缸蓋螺栓力分布的因素。

圖7　氣缸蓋墊片密封結(jié)構(gòu)

表3　各層板厚度

故障狀態(tài)氣缸蓋墊片的高壓密封位置與中壓密封位置的壓縮厚度差為0.1 mm，經(jīng)CAE耦合分析，氣缸孔部位的高壓密封壓力約占總氣缸蓋螺栓力的65%～70%，中壓密封壓力約占19.5%～22%，其余為非密封位置承壓［6］。而將壓縮厚度差由0.1 mm增加0.02至0.12 mm，氣缸孔部位的高壓密封壓力約占總氣缸蓋螺栓力提升至67%～73%，中壓密封壓力約占16%～19%。綜上分析，氣缸蓋墊片的高壓密封位置與中壓密封位置的壓縮厚度差偏小導(dǎo)致影響氣缸蓋螺栓力分布不合理的原因。

2.4.3氣缸蓋墊片失效真因

綜上分析，氣缸蓋墊片密封失效的原因可以概括為以下兩方面：

1）氣缸蓋螺栓擰緊力矩設(shè)計不合理，導(dǎo)致氣缸蓋螺栓軸向夾緊力偏小，影響氣缸蓋墊片密封。

2）氣缸蓋墊片的高壓密封位置與中壓密封位置的壓縮厚度差偏小，中、低壓密封壓力分布不合理，影響最大爆發(fā)壓力工況的密封。

因氣缸蓋墊片和氣缸蓋螺栓的設(shè)計不合理，最終導(dǎo)致高壓氣體竄入發(fā)動機冷卻水套，使水溫升高，溢水壺溢水。

3　整改措施及效果驗證

3.1整改措施

綜合分析過程及結(jié)果，針對存在異常的氣缸蓋螺栓和氣缸蓋墊片制定整改措施進行驗證。

3.1.1氣缸蓋螺栓

優(yōu)化擰緊工藝提升螺栓軸向夾緊力，將缸蓋螺栓擰緊工藝在50 N·m+90°+120°基礎(chǔ)上再擰緊60°進行實際驗證；考慮擰緊公差共驗證3種擰緊方案，確認扭矩及軸向夾緊力如表4所示。

表4　各擰緊方案扭矩及夾緊力

使用提升后最小軸向夾緊力計算缸蓋螺栓覆蓋系數(shù)，結(jié)果螺栓覆蓋系數(shù)為2.02，大于經(jīng)驗值2。

通過分析，優(yōu)化后的擰緊工藝在不同摩擦系數(shù)下均可以使螺栓達到非比例延伸0.2%，說明氣缸蓋螺栓已達到塑形變形區(qū)。

綜上確認可知氣缸蓋螺栓擰緊工藝調(diào)整后，螺栓覆蓋系數(shù)滿足經(jīng)驗值要求，并且已經(jīng)達到塑形變形區(qū)，符合產(chǎn)品性能要求。

3.1.2氣缸蓋墊片

通過減小中壓密封位置中間墊板厚度，增加密封高、中壓密封位置的壓縮厚度差，可以在不改變氣缸蓋墊片整體壓縮厚度的同時，改善氣缸蓋螺栓力的分布，因此選擇將2#鋼板的厚度由0.6±0.02減小到0.58±0.02方案，如表5所示。

表5調(diào)整后各層板厚度1#鋼板厚度2#鋼板厚度3#鋼板厚度4#鋼板厚度0.3±0.0180.58±0.020.2±0.0130.4±0.02

使高壓密封位置與中壓密封位置的壓縮厚度差為0.12 mm，增加0.02 mm。增加氣缸蓋螺栓力在高壓密封位置的分布。實際經(jīng)過面壓測試，整改前后狀態(tài)如圖8、圖9所示。

圖8　整改前狀態(tài)面壓試驗結(jié)果

圖9　整改后狀態(tài)面壓試驗結(jié)果

更改后氣缸蓋墊片中壓密封位置壓力明顯較更改前降低，高壓密封壓力由113MPa提升至131MPa。

3.2效果試驗驗證

按照優(yōu)化后的氣缸蓋螺栓擰緊工藝，使用新狀態(tài)氣缸蓋墊片裝配發(fā)動機，按照前期故障工況進行整車可靠性試驗，完成60 000 km整車路試試驗未出現(xiàn)水溫高，溢水壺溢水問題，整車可靠性試驗通過（如圖10所示）。

圖10　整車可靠性氣缸蓋墊片狀態(tài)確認

4　結(jié)論

通過上述驗證可以證明，氣缸蓋螺栓擰緊工藝不合理，氣缸蓋墊片斷差高度設(shè)計不合理是導(dǎo)致整車水溫高，溢水壺溢水問題的根本原因，氣缸蓋螺栓的擰緊角度增加，氣缸蓋墊片的壓縮厚度差增加兩種方案并行實施后，同工況驗證故障未復(fù)現(xiàn)，問題得到徹底解決。

5　結(jié)束語

合理應(yīng)用質(zhì)量工具可顯著提升問題分析效率，應(yīng)用因果分析圖可直觀地分析出產(chǎn)生失效的強相關(guān)因子，從而能夠做到有的放矢的排查確認，確保問題分析的全面性。

面對復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，針對不同模塊的不同功能分成各個小系統(tǒng)排查，如將整車水溫高問題分成整車冷卻系統(tǒng)和發(fā)動機密封系統(tǒng)兩個方向，可明顯降低排查分析難度，更容易明確進一步的分析方向。

1陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2006

2孫麗麗，章敏.質(zhì)量工具在汽車設(shè)計開發(fā)中的集成應(yīng)用［J］.上海汽車，2013（8）：50-53

3孫模師，胡建立，劉洪德，等.L系列柴油機沖氣缸墊故障的原因分析及解決［J］.內(nèi)燃機動力裝置，2006（6）：51-53

4黃榮華，王光文，成曉北，等.車用柴油機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化試驗及模擬分析［C］.2007年APC聯(lián)合學(xué)術(shù)年會論文集，北京，2007

5何聯(lián)格.柴油機關(guān)鍵件螺栓連接組合結(jié)構(gòu)非線性力學(xué)特性研究［D］.北京：北京理工大學(xué)，2015

6張燕燕.密封墊片的應(yīng)力場分布影響因素及數(shù)值模擬［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2007

征稿啟事

《小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)》（雙月刊）是由教育部主管，天津大學(xué)主辦，天津內(nèi)燃機研究所、天津摩托車技術(shù)中心承辦的專業(yè)性學(xué)術(shù)期刊。主要刊發(fā)：小型內(nèi)燃機技術(shù)研究與工程應(yīng)用；小型內(nèi)燃機應(yīng)用車輛技術(shù)研究與工程應(yīng)用；摩托車技術(shù)研究與應(yīng)用；小型內(nèi)燃機及應(yīng)用車輛領(lǐng)域、摩托車及相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中的新成果、新技術(shù)、新工藝、新材料，以及內(nèi)燃機、地面車輛行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測、檢測儀器設(shè)備研制等。在欄目安排上，既有相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者高水平的學(xué)術(shù)論文，又有來自行業(yè)科研生產(chǎn)一線科技工作者最新的實踐應(yīng)用和經(jīng)驗總結(jié)。

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《小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)》

編輯部

Failure Analysis and Corrective Actions of High Cooling Liquid Temperature and Water Overflow of Overflow Canteen of Diesel Engine for Passenger Car

Zhang Wei1，2，Duan Lili1，2，Zuo Siqi1，2，Zhao Guodong1，2，Chai Xiaona1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

This paper introduces a local diesel engine failure mode about cooling liquid temperature exceeding heat limit value（95℃），and water overflowing of overflow canteen.Using of quality tool cause and effect analysis diagram，analyzing direction is defined.Combing the failure phenomenon，checking the whole car cooling system and engine parts，finally it's targeted that the cylinder head gasket expiration is the main reason.Then effective measures for the expiring reason of the cylinder head gasket had been made，so the issues that water temperature exceeded heat limit value and water overflowing from overflow canteen were solved.

Diesel engine，Water overflowing of overflow canteen，Cooling liquid temperature，Cylinder head gasket，F(xiàn)ailure analysis，Corrective actions

TK422

A

2095-8234（2016）04-0091-06

2016-05-05）

張偉（1989-），男，本科，主要研究方向為汽車發(fā)動機設(shè)計。