某款發(fā)動機(jī)平衡軸頂蓋單向閥竄油問題分析及改進(jìn)

湯守哲，陳麗霞，胡廣

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336）

0 引言

發(fā)動機(jī)在燃燒過程中，曲軸箱內(nèi)會產(chǎn)生油氣，油氣需要通過油氣分離裝置進(jìn)行排出，在排出過程中需要對油和氣進(jìn)行分離，避免造成燒機(jī)油和排放不達(dá)標(biāo)問題。在油氣流動過程中，單向閥扮演重要的角色，本文對單向閥失效進(jìn)行分析和改進(jìn)。

1 問題描述

某款發(fā)動機(jī)在臺架耐久試驗(yàn)過程中出現(xiàn)2例平衡軸頂蓋竄油問題：1）問題一，臺架1000 h耐久試驗(yàn)，運(yùn)行12.5 h后，試驗(yàn)員發(fā)現(xiàn)平衡軸頂蓋單向閥處存在竄油現(xiàn)象，如圖1所示；2）問題二，臺架800 h耐久試驗(yàn)，平衡軸頂蓋存在竄油現(xiàn)象，在5500 r/min（100 N·m）工況下運(yùn)行3 min，竄油量最大為30 g，如圖2所示。

圖1 1000 h耐久試驗(yàn)竄油故障現(xiàn)象

圖2 800 h耐久試驗(yàn)竄油故障現(xiàn)象

2 原因分析

2.1 單向閥原理分析

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中曲軸箱內(nèi)的油氣通過平衡軸頂蓋（如圖3）中的單向閥排出發(fā)動機(jī)，保證曲軸箱壓力平衡。小負(fù)荷情況下，空濾后→平衡軸頂蓋補(bǔ)氣閥→曲軸箱，大負(fù)荷情況下：補(bǔ)氣閥封死[3]。

圖3 平衡軸頂蓋

單向閥主要結(jié)構(gòu)為閥座和膜片，單向閥通過膜片與閥座的間隙控制對油氣進(jìn)行流通，如圖4所示。

圖4 單向閥結(jié)構(gòu)

結(jié)合單向閥的工作原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對單竄油問題失效原因進(jìn)行分析。

2.2 臺架1000 h耐久問題一

1）對發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中的曲軸箱壓力map圖進(jìn)行分析，確定該竄油工況主要集中在4500～5500 r/min（0.9～1.1 MPa）。

2）單向閥兩側(cè)壓差異常（可能空濾堵塞、曲壓異常）。通過對空濾進(jìn)行檢測，空濾內(nèi)部清潔，無異物進(jìn)入及堵塞等問題，曲軸箱壓力正常，無嚴(yán)重壓差問題。

3）補(bǔ)氣管漏氣。對補(bǔ)氣管外觀進(jìn)行確認(rèn)，無裂紋、氣孔等本體缺陷，通過對管路施加0.1 MPa的氣壓進(jìn)行試漏，保壓能力好，補(bǔ)氣管本體無泄漏問題。

4）單向閥處存在異物。單向閥進(jìn)行通氣驗(yàn)證，正向通氣，氣體可正常通過，反向通氣，氣體截留，無法通過，說明單向閥內(nèi)部無堵塞問題。

5）單向閥膜片未裝配。對單向閥拆卸，單向閥膜片等分體零部件齊全，無漏裝零部件。

6）零部件尺寸排查。對閥座直徑、單向閥膜片尺寸、單向閥膜片行程及閥座與膜片配合尺寸進(jìn)行排查檢測，尺寸檢測滿足圖樣要求，無尺寸超差問題。

7）閥座密封面表面質(zhì)量。對表面是否存在氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷進(jìn)行排查，無明顯缺陷。

8）單向閥拆解檢測。通過對膜片進(jìn)行目視觀察，發(fā)現(xiàn)膜片內(nèi)圓失圓，通過放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)膜片內(nèi)圓存在凹陷形狀，內(nèi)圓存在磨損，如圖5所示。

圖5 故障件膜片內(nèi)圓失圓

對膜片外圓進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)膜片外圓存在注塑缺陷，缺陷表現(xiàn)為尖角結(jié)構(gòu)，確認(rèn)為注塑飛邊，如圖6所示，飛邊大小為0.2 mm×0.6 mm。

圖6 故障件閥片外圓飛邊

小結(jié)：單向閥膜片周邊存在飛邊，在開關(guān)過程中飛邊與閥體干涉，導(dǎo)致膜片關(guān)閉困難，造成膜片內(nèi)圓偏磨失圓，膜片常開，單向閥失效，導(dǎo)致單向閥竄油問題。

2.3 臺架800 h耐久問題二

1）對發(fā)動機(jī)試驗(yàn)過程中的曲軸箱壓力map圖進(jìn)行分析，確定該竄油工況主要集中在1500 r/min以上轉(zhuǎn)速的0.9～1.1 MPa，部分點(diǎn)外特性也出現(xiàn)竄油，竄油區(qū)域相對前期擴(kuò)大[4]。

2）單向閥兩側(cè)壓差異常。通過對空濾進(jìn)行檢測，空濾內(nèi)部清潔，無異物進(jìn)入及堵塞等問題，曲軸箱壓力正常，無嚴(yán)重壓差問題。

3）補(bǔ)氣管漏氣。對補(bǔ)氣管外觀進(jìn)行確認(rèn)，無裂紋、氣孔等本體缺陷，通過對管路施加0.1 MPa的氣壓進(jìn)行試漏，保壓能力好，補(bǔ)氣管本體無泄漏問題。

4）單向閥處存在異物。對單向閥進(jìn)行通氣驗(yàn)證，正向通氣，氣體可正常通過，反向通氣，氣體截留，無法通過，說明單向閥內(nèi)部無堵塞問題。

5）單向閥膜片未裝配。對單向閥拆卸，單向閥膜片等分體零部件齊全，無漏裝零部件。

6）零部件尺寸排查。對閥座直徑、單向閥膜片尺寸、單向閥膜片行程及閥座與膜片配合尺寸進(jìn)行排查檢測，尺寸檢測滿足圖樣要求，無尺寸超差問題。

7）膜片和閥座密封面表面質(zhì)量。對表面是否存在氣孔、飛邊及裂紋等質(zhì)量缺陷進(jìn)行排查，無明細(xì)缺陷。

8）故障件拆解排查。發(fā)現(xiàn)膜片內(nèi)圓與閥座外圓存在接觸，經(jīng)過放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)膜片與閥座有干涉情況，如圖7、圖8所示。

圖7 膜片與閥座干涉圖

圖8 干涉部位放大圖

拆卸不竄油的單向閥，對膜片與閥座之間的配合進(jìn)行對比分析，膜片與單向閥不干涉，間隙實(shí)測為0.05 mm，如圖9所示。

圖9 膜片與閥座間隙圖

9）零部件尺寸排查。選取失效件和合格件進(jìn)行對比分析，對膜片和閥座尺寸件檢測，檢測結(jié)果如表1所示，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，2個單向閥的膜片圓柱度存在較大差異。

表1 檢測數(shù)據(jù)

小結(jié)：膜片與閥座間隙在運(yùn)行的過程中，由于膜片圓柱度超差，膜片重力原因，存在膜片與閥座干涉，關(guān)閉困難，造成竄油問題[2]。

2.4 結(jié)構(gòu)分析

單向閥結(jié)構(gòu)如圖4所示，膜片和閥座之間無有效支撐，且膜片在整機(jī)狀態(tài)為豎直狀態(tài)，在重力作用下產(chǎn)生徑向微變形，不利于膜片關(guān)閉，存在失效的隱患[1]。

結(jié)論：1）問題一，單向閥膜片周邊存在飛邊，在開關(guān)過程中飛邊與閥體干涉，導(dǎo)致膜片關(guān)閉困難，導(dǎo)致單向閥竄油問題。2）問題二，由于膜片圓柱度超差，導(dǎo)致膜片與閥座干涉，在運(yùn)行的過程中間隙不足，導(dǎo)致膜片關(guān)閉困難，造成竄油問題。3）膜片在整機(jī)狀態(tài)為豎直狀態(tài)，膜片和閥座之間無有效支撐，膜片因重力存在變形、膜片與閥座干涉問題導(dǎo)致膜片關(guān)閉困難。

3 整改對策

1）方案一：將膜片工藝由注膠改為沖壓，保證膜片尺寸及公差，避免飛邊產(chǎn)生。

2）方案二：對膜片圓柱度進(jìn)行100%投影監(jiān)控，保證膜片尺寸合格。

3）方案三：結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化單向閥結(jié)構(gòu)，在膜片和閥座之間增加彈簧，如圖10所示，實(shí)現(xiàn)自密封，避免出現(xiàn)竄油問題。

圖10 更改后單向閥結(jié)構(gòu)

4 效果驗(yàn)證

1）方案一：整改后樣件進(jìn)行臺架竄油試驗(yàn)，共計(jì)驗(yàn)證55臺發(fā)動機(jī)，均未出現(xiàn)竄油問題。

2）方案二+方案三：優(yōu)化后樣件臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，完成補(bǔ)氣試驗(yàn)、竄油試驗(yàn)及單向閥耐久試驗(yàn)，均無異常，方案通過。

5 結(jié)語

通過以上分析和整改，針對單向閥竄油問題，首先應(yīng)先將單向閥的原理搞清楚，再結(jié)合故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，對主要結(jié)構(gòu)膜片進(jìn)行制造質(zhì)量和尺寸分析，確定由于膜片與閥座干涉導(dǎo)致膜片關(guān)閉不到位，采取膜片的制造質(zhì)量，采用提高膜片密封能力的方案對竄油問題進(jìn)行整改。