輕卡發(fā)動機散熱器溢水故障解析

楊建偉

在輕卡車輛使用過程中，發(fā)動機散熱器溢水故障算是一種較為常見的故障模式，造成這種故障的原因也不盡相同，如不及時而正確的加以處置，可能會帶來發(fā)動機重大的損毀，甚至造成重大的車輛事故。因此，如何準確對發(fā)動機散熱器溢水故障進行鑒別診斷并快速處置，成為處置該故障模式較為棘手的問題。

鑒于目前國內(nèi)輕卡多采用柴油發(fā)動機動力，本文以輕卡柴油機為例進行散熱器溢水故障模式解析。

1 溢水故障及其危害

所謂發(fā)動機散熱器溢水，是指輕卡車輛在怠速狀態(tài)或正常工作過程中，出現(xiàn)從散熱器加水孔或膨脹水箱(副水箱)加水口的通氣管往外大量“翻水”、同時伴有大量氣泡外溢的現(xiàn)象。出現(xiàn)散熱器溢水故障后，將會快速消耗發(fā)動機冷卻系冷卻液，從而造成燃燒室不能及時得到有效冷卻而過熱，導致發(fā)動機不能正常工作，甚至出現(xiàn)損毀等嚴重故障。

發(fā)動機散熱器出現(xiàn)溢水故障，將會帶來以下方面危害：

(1)冷卻液大量損失，發(fā)動機冷卻能力急速下降，發(fā)動機出現(xiàn)過熱；

(2)燃燒室燃氣泄漏，發(fā)動機動力性明顯下降；

(3)燃燒室內(nèi)進入冷卻液，損害發(fā)動機活塞、氣門等零部件；

(4)發(fā)動機出現(xiàn)拉缸、拉瓦、抱死等嚴重故障；

因此在發(fā)現(xiàn)散熱器出現(xiàn)溢水現(xiàn)象或水溫表指示燈異常點亮時，應及時使發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)，分析溢水故障原因并正確加以處置，從而將發(fā)動機或車輛損失降為最低。

2 溢水故障模式分析

2.1 加油門出現(xiàn)溢水

當啟動發(fā)動機或加大油門提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，不管散熱器水溫高或低，膨脹水箱加水口均有冷卻液溢出，同時也可能伴有大量氣體噴出。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是沖缸墊(濕式缸套)或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。這是由于發(fā)動機在工作過程中，燃燒室內(nèi)的壓縮空氣或燃氣的壓力大于冷卻水道內(nèi)冷卻液的壓力，這些氣體會通過缸墊沖壞處或缸套、缸蓋較大的砂眼或裂紋處壓入發(fā)動機水道內(nèi)，迫使發(fā)動機水道內(nèi)的冷卻液從散熱器膨脹水箱加注口往外溢出或噴出。同時，此故障產(chǎn)生后可能還會出現(xiàn)發(fā)動機起動困難或無法起動、發(fā)動機抖動、動力下降、排氣管噴水或冒白煙等現(xiàn)象。

該故障模式的檢測可采取斷缸法，即分別斷開各缸高壓油管或高壓共軌單體泵的電磁閥，觀察發(fā)動機工作時散熱器膨脹水箱加注口溢水現(xiàn)象，判斷是具體哪一缸出現(xiàn)問題。當斷到某一缸時，膨脹水箱加注口溢水量明顯減小或完全消失時，則可判定該缸出現(xiàn)沖缸墊或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。圖1為因缸蓋砂眼而造成膨脹箱壓力蓋溢水的實物。

圖1 因砂眼造成膨脹箱壓力蓋溢水的缸蓋

2.2 收油門出現(xiàn)溢水

2.2.1 發(fā)動機冷卻液無氣泡溢水

在發(fā)動機起動后，不論冷卻液溫度高或低，加油門時膨脹水箱加注口不往外溢水，而收油門時則從加注口處往外溢出。出現(xiàn)這種情況的原因有:

(1)散熱器上水室或氣缸蓋至膨脹水箱的通氣管堵塞或不暢通。

這是由于加油門發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，水泵在高轉(zhuǎn)速下工作，此時缸蓋內(nèi)部、發(fā)動機出水管及散熱器上水室內(nèi)冷卻液的壓力很大，而散熱器芯部散熱管內(nèi)、下水室及水泵進水管內(nèi)的冷卻液均處于負壓狀態(tài)，散熱器散熱管內(nèi)的冷卻液在快速地往下水室流動，如突然松開油門或停機，水泵工作效率急速降低甚至或停止工作，此時缸蓋、發(fā)動機出水管、散熱器上水室內(nèi)的冷卻液壓力仍然比較大，在這些部位，較大壓力的冷卻液會按照原來的流動方向繼續(xù)運行，如果散熱器上水室或氣缸蓋至膨脹水箱的通氣管堵塞或不暢通的話，由于高壓及慣性的作用，散熱器上水室的冷卻液快速往水箱下水室流動，造成下水室及其出水管內(nèi)冷卻液的壓力迅速提高，高壓的作用使得冷卻液沿著膨脹水箱進水管快速反向涌入膨脹水箱內(nèi)，從而造成膨脹水箱溢水或大量噴水。

(2)膨脹水箱壓力蓋損壞、開啟壓力過低。

正常的情況下，標準大氣壓下零海拔時水的沸點為100 ℃，而在水溫超過80 ℃時液體內(nèi)部已經(jīng)開始產(chǎn)生氣泡，海拔越高水的沸點就越低，液體內(nèi)產(chǎn)生氣泡的溫度也會隨著海拔的升高而降低。目前使用的內(nèi)燃機工作時的正常水溫一般為70～90 ℃，為了使內(nèi)燃機能夠正常工作，設計人員設計了多種開啟壓力的膨脹水箱壓力蓋，以提高冷卻液在散熱器內(nèi)沸點的溫度，便于在各種環(huán)境下使用。如果膨脹水箱壓力蓋已經(jīng)損壞或使用開啟壓力偏低，則壓力蓋處容易出現(xiàn)溢水或噴水現(xiàn)象。圖2 為正常工作的膨脹箱壓力蓋，圖3 為已經(jīng)失效的膨脹箱壓力蓋。

圖2 開啟壓力為0.11 MPa 的壓力蓋

圖3 失效的膨脹箱壓力蓋

(3)膨脹水箱位置過低。

目前，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)均為閉式的，在閉式冷卻系統(tǒng)中，冷卻液初始是常溫的，隨著發(fā)動機工作時間延長或負荷的增大，冷卻液要受熱膨脹，而冷卻系統(tǒng)內(nèi)的總?cè)莘e是不會改變的，這些膨脹出來的冷卻液就要有存放空間，這就是設計膨脹水箱的原因。如果膨脹水箱安裝位置低于冷卻系統(tǒng)內(nèi)的散熱器及水管的高度，冷卻液就會從膨脹水箱中溢出，造成冷卻系統(tǒng)內(nèi)混入空氣，從而影響冷卻循環(huán)效果。

這是由于水蒸氣混在水中無法分離，膨脹水箱壓力蓋的閥門雖然能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的壓力，但在調(diào)節(jié)過程中會放掉部分水蒸氣，冷卻時又會吸進一部分空氣。冷卻系中的空氣、水蒸汽和水一起循環(huán)，會使冷卻能力下降，水泵的泵水量降低，造成冷卻系內(nèi)壓力不穩(wěn)定和冷卻液的不斷消耗，同時還可能導致冷卻液濃度升高而腐蝕發(fā)動機部件。所以，在散熱器、發(fā)動機體上部容易積存空氣和水蒸汽的地方引出氣管與膨脹水箱上部相連，將散熱器、缸蓋上部空氣和水蒸汽引導至膨脹水箱內(nèi)。在這里，水蒸汽會冷凝為水，后又可通過補充水管進入散熱器，從而使水泵進水口處保持較高的水壓，增大了泵水量。而積存在膨脹水箱液面以上的空氣，得到了冷卻，不再受熱膨脹，因而膨脹水箱變成了冷卻系內(nèi)壓力上升的緩沖器和膨脹空間，使壓力始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在正常的情況下，膨脹水箱解決了水氣分離和冷卻液過快消耗的問題。一般情況下，膨脹水箱多用透明材料制成，也可用金屬材料制成，位置應略高于散熱器及缸蓋上平面，這樣可以十分直觀的檢查冷卻液的消耗情況。圖4 為膨脹水箱的合理布置狀態(tài)。

圖4 正常工作狀態(tài)的膨脹水箱

2.2.2 發(fā)動機冷卻液內(nèi)有氣泡溢水

在發(fā)動機啟動后，散熱器內(nèi)部冷卻液開始進行大循環(huán)時，膨脹水箱內(nèi)部能觀察到循環(huán)的冷卻液中有氣泡出現(xiàn)，隨著發(fā)動機的持續(xù)運行或工作負荷增大，冷卻液溫度越來越高，膨脹水箱內(nèi)的氣泡越來越多，壓力也越來越大，待膨脹箱內(nèi)的壓力大于壓力蓋彈簧預緊力時，壓力蓋內(nèi)蓋被打開，過高壓力的氣體及冷卻液就會從膨脹箱加注口噴出。只要能找到這些氣體的來源就可以找出故障的根源。

(1)空壓機缸蓋有砂眼、裂紋或冷卻水管漏氣。

斷開并堵塞空壓機進、回冷卻水管，打開膨脹水箱壓力蓋，起動發(fā)動機讓發(fā)動機怠速或加油門至中高速，觀察加注口內(nèi)冷卻液的情況，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于空壓機缸蓋。此缸蓋在氣缸底部或壓縮空氣后氣道內(nèi)有砂眼或裂紋，由于空壓機壓縮空氣時氣體壓力大于冷卻系內(nèi)冷卻液的壓力，壓力差的作用把壓縮空氣從空壓機缸蓋的砂眼、裂紋處壓入冷卻系內(nèi)，或是從空壓機回水冷卻管漏氣處吸進外界空氣壓入冷卻水道內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則空壓機沒有問題。原來斷開的空壓機進、回冷卻水管暫時不要恢復。圖5 為正常工作狀態(tài)的空壓機。

圖5 正常工作狀態(tài)的空壓機

(2)暖風散熱器有砂眼或暖風水管漏氣。

在發(fā)動機機體上分別斷開并堵塞暖風進、回水管，打開膨脹水箱壓力蓋，起動發(fā)動機讓發(fā)動機怠速或加油門至中高速，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于暖風散熱器或暖風水管。此暖風散熱器或暖風水管有砂眼、裂紋、焊縫松脫故障，因為它們的內(nèi)部在發(fā)動機工作時處于負壓狀態(tài)，環(huán)境空氣的壓力大于它們內(nèi)部的壓力，壓力差的作用使得環(huán)境的空氣進入暖風水管內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則暖風散熱器或暖風水管沒有問題。斷開的暖風進、回水管暫時不要恢復。

(3)散熱器或出水管漏氣。

該故障排除需要拆下發(fā)動機水泵皮帶，起動發(fā)動機，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于散熱器、散熱器出水管(即水泵進水管)的漏氣。這是由于散熱芯部散熱排管砂眼、焊縫松脫或出水管道(水泵進水管)有漏氣部位，該部位在水泵工作時處于負壓狀態(tài)，環(huán)境空氣的壓力大于該部位內(nèi)部的壓力，壓力差的作用使得環(huán)境空氣進入冷卻水道內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則散熱器或出水管沒有問題。原來拆下的水泵皮帶暫時不要恢復。圖6 為出現(xiàn)砂眼的散熱器。

圖6 出現(xiàn)砂眼的散熱器

(4)機體沖缸墊、缸套或缸蓋有砂眼或裂紋。

首先起動已拆除水泵皮帶的發(fā)動機，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則這些空氣(氣泡)來自于發(fā)動機內(nèi)部。如同上述，該故障的排除可以采取斷缸法，即分別斷開各缸高壓油管或高壓共軌單體泵的電磁閥，觀察發(fā)動機工作時散熱器膨脹水箱加注口溢水現(xiàn)象，判斷是具體哪一缸出現(xiàn)問題。當斷到某一缸時，膨脹水箱加注口溢水量明顯減小或完全消失，則可判定該缸出現(xiàn)沖缸墊或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。圖7 為第1 缸底部已經(jīng)銹蝕的缸蓋。

圖7 第1 缸底部已經(jīng)銹蝕的缸蓋

3 防止和解決溢水問題的途徑

綜上所述，發(fā)動機散熱器溢水故障是一個復雜的系統(tǒng)問題，占柴油機正常使用故障的30%以上，該故障的防止和解決涉及到方方面面的問題，因此，必須從柴油機的冷卻系設計、機體裝配、使用保養(yǎng)等多方面入手，才能有效解決問題，具體歸納起來，有如下方面：

3.1 合理設計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

合理設計發(fā)動機散熱器冷卻系統(tǒng)，是有效解決散熱器溢水問題的關鍵所在。在冷卻系設計階段，選取合適流量、揚程的水泵，適當尺寸的散熱器及風扇，適合使用環(huán)境溫度的膨脹箱壓力蓋以及優(yōu)化設計的冷卻水道等，使冷卻液流向和流量分配合理、冷卻容積得到最佳利用，避免采用可能引起局部過熱、冷卻液循環(huán)不暢的不正常設計結(jié)構。圖8 為優(yōu)化設計的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)圖。

圖8 優(yōu)化設計的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)圖

3.2 提升機體制造及裝配精度

據(jù)不完全統(tǒng)計，加油門出現(xiàn)壓力蓋溢水的燃氣80%以上是發(fā)動機缸蓋與缸體之間泄漏的燃氣。因此，提升及優(yōu)化氣缸墊的設計結(jié)構、材料以及制造工藝，將能有效保證氣缸墊密封高溫高壓燃氣及冷卻液的作用。同時，提高缸蓋、缸體的配合面加工精度及清潔度，提升缸體缸蓋裝配工藝精度，也是解決散熱器溢水的一個行之有效的途徑。圖9 為某發(fā)動機復合材料氣缸墊。

圖9 復合氣缸墊

3.3 良好的使用和保養(yǎng)

當前，各個主機廠在整車出廠時均配有使用保養(yǎng)手冊，對散熱器的使用及保養(yǎng)也有詳細的要求，如必須使用規(guī)定牌號的長效防凍防銹冷卻液，嚴格按保養(yǎng)周期進行加注或更換冷卻液等，其一個很重要的原因就是防止散熱器冷卻水道內(nèi)結(jié)垢或遭到腐蝕，從而影響冷卻能力。

另一方面，在散熱系及發(fā)動機機體例行保養(yǎng)中，如更換水泵、皮帶或氣缸墊等重要部件，一定要使用主機廠批準認可的正規(guī)零件，切勿使用劣質(zhì)產(chǎn)品，從而造成散熱系故障的早期發(fā)生。

事實證明，良好的使用和保養(yǎng)習慣，不僅能有效減少發(fā)動機散熱系故障的發(fā)生，同時還能有效延長整機及整車的使用壽命。

4 結(jié)語

輕卡發(fā)動機散熱器溢水故障是一種較為常見且嚴重的故障模式，其影響因素涉及面較廣，分析和處理相對較為復雜，因此在處理該類故障時一定要仔細觀察、認真分析、逐一排除。同時，優(yōu)化冷卻系設計、提升機體加工及裝配精度、嚴格按照使用手冊進行保養(yǎng)等，將是有效降低散熱器溢水問題的有效途徑。

(注：本文作者單位，東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院。)