某系列柴油機缸蓋與機體結合面滲水故障探析

梁福貴，劉 楠，俸文斌

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 545007）

某系列型號的柴油機，配套13 m以上的客車在行駛12～15萬km時，配套的卡車在行駛5～10個月或5萬km左右時，經常會出現“缸蓋與機體接合面滲水”的故障，表現為缸墊滲水。這是用戶反映最強烈、最普遍的問題，也是維修服務人員最難解決的故障之一。

1 缸墊的滲水現象

為了弄清楚柴油機缸墊滲水的故障問題，筆者查閱了近兩年來該系列型號柴油機缸墊滲水的故障檔案，發現滲水故障是無規律性的，各個缸的“缸蓋與機體接合面”，都會出現不同程度的滲水現象（見圖1）。

圖1 某系列型號柴油機滲水故障現象

有部分機子在站內經維修后，一起動發動機，就出現滲水現象。有一些發動機在維修后，行駛至30～50 km又出現滲水現象；甚至有些更換了機體、缸蓋或基礎機處理后，使用5～10個月又出現了滲水現象。

2 缸墊滲水故障的原因分析

2.1 氣缸蓋與氣缸體的缺陷

在柴油機工作時，機體要承受氣壓力和慣性力。氣壓力使機體受到拉伸，氣壓力和慣性力會使機體受到彎曲和扭轉。氣缸蓋在承受較高燃氣壓力和熱應力下工作，容易造成翹曲變形，因此要求機體和缸蓋有足夠的剛度，所有連接部分還要承受相應預緊力的作用，以防止發生變形，破壞了平面密封部位的密封性，就會造成漏氣、漏水、漏油。

在維修過程中，對機體和缸蓋平面度必須進行檢查和測量，一般要求控制在100 mm長度內不平度不能超出0.04 mm范圍，超出了極限，將會引起“缸蓋與機體接合面滲水”的故障。

該系列型號柴油機因缸蓋螺栓預緊力不足，機體、缸蓋本身變形（微變）后的自我調整能力（密閉性）不好，或缸蓋、機體平面度超出極限，都會導致缸墊滲水故障時有發生。

2.2 氣缸墊的材質不達標且密封性不良

氣缸墊是氣缸蓋底部與機體頂面之間的密封件，在氣缸蓋螺栓緊固下，補償結合面不平度，以防止燃氣、冷卻水和機油發生竄漏。因此，對氣缸墊材質密封性和耐熱能力都要求較高，防止在高溫高壓燃氣及機油和冷卻水的作用下發生破損、燒損或變質，并有一定的彈性，以便能補償結合面的不平度，保證可靠的密封。

在維修拆檢中，要注意檢查氣缸墊防火圈和水道孔位置是否破損、燒損或變質（見圖2），其厚度一般控制在（1.50±0.5）mm范圍之內。

圖2 氣缸墊防火圈和水道孔

如果出現沖缸墊或損壞，將會引起燃氣與水路相通造成副水箱出現氣泡，在急加油門突然收油門時，則會出現“反水”現象，同時氣缸墊壓不緊，也會造成這種“缸蓋與機體接合面滲水”的故障。

2.3 缸蓋的螺栓失效

該系列型號柴油機缸蓋結構為一缸一蓋，缸蓋螺栓結構采用螺栓式，經調查玉柴、濰柴、康明斯、錫柴廠家同類型的六缸柴油機缸蓋螺栓（見表1），發現該系列型號使用的缸蓋螺栓最長，要求擰緊力矩最大。

表1 主要柴油機廠家六缸柴油機缸蓋螺栓規格表

目前，該系列機型采用轉角法擰緊缸蓋螺栓，但存在以下問題：

（1）擰緊力大大超出了常規擰緊力矩要求，并把螺栓擰得死死的，螺栓工作力矩值長期處于最大極限值，時間長了，容易產生疲勞應力，導致彈性度失效，失去了螺栓的韌性。

（2）主螺栓過長，剛度不夠；

（3）由于鋼材料的材質不穩定，螺紋、螺孔的加工手段是無法達到精度要求的。

以上就是在維修過后在短期內重復出現“缸蓋與機體接合面滲水”故障的主要原因。

2.4 缸套定位支承面密封性差及凸出高度不合理

常用的柴油內燃機氣缸套，分為干式氣缸套和濕式氣缸套。

干式氣缸套，氣缸外壁與冷卻水不直接接觸，缸套壁很薄，一般為1～3 mm，多數采用過盈配合，其外圓與氣缸套座孔配合過盈量D/1 500 mm（D為氣缸直徑），必須以一定的壓力壓入缸套座孔內，臺肩稍突出缸體上平面。

濕式氣缸套，外表直接與冷卻水接觸，缸套壁一般為5～8 mm，其外圓表面有兩個凸出的圓環密封定位，上部一般采用凸緣外圓定位或凸緣下面一段圓柱定位，機體缸孔上止口支承。機體缸孔上止口與缸套凸緣外圓為間隙配合，其間隙一般為0.015～0.043 mm，缸套的密封，大都是依靠底凸緣底面與機體上止口支承面在缸蓋螺栓緊固后來實現的，故對兩支承面的加工精度和表面粗糙度要求較高。氣缸套裝入機體上的氣缸套座孔，頂面略高出氣缸體平面（缸套凸出高）約0.05～0.15 mm，使氣缸墊片在這里壓得更緊，密封性更可靠。濕式氣缸套下凸緣上，通常有2～3道圓環槽，槽中裝入耐熱、耐油的橡膠水封圈（防水膠圈），起到密封作用。

該系列機型機體為平分式結構，缸孔加工成上止口支承定位缸套的缸孔，同時設計成與濕式缸套配合使用，機體與缸套為間隙配合；缸套壁厚為8.50 mm。定位方式為上部外圓表面兩個凸出的圓環密封定位，下部采用下面一段圓柱定位。支承方式為機體缸孔上止口支承。缸套凸出高度要求在0.02～0.08 mm范圍內。缸套的密封，是依靠凸緣底面與機體上止口支承面在缸蓋螺栓緊固后來實現的，氣缸套下部采用2道防水膠圈來密封（見圖3）。

圖3 某系列機型發動機缸套與機體配合形式

調查發現：

（1）濰柴機采用干式氣缸套，氣缸外壁與冷卻水不直接接觸，漏水現象很多是缸蓋、缸墊的問題，因干式缸套不會從缸套周邊漏水。

（2）康明斯、錫柴機雖采用濕式缸套，但沒出現批量從缸套周邊漏水的故障。

（3）該系列機型批量發生從缸套周邊漏水故障，而其他各系列機型卻沒有。

3 多次整改效果不理想的原因探析

針對上述出現的“缸蓋與機體接合面滲水”故障問題，我們進行了多次整改，主要改進方法是：

（1）從2008年5月開始，采用3道封水圈的缸套裝機；

（2）從2010年1月開始，采用改進后的氣缸墊和氣缸蓋裝機；

（3）從2010年12月開始，采用轉角法擰緊缸蓋螺栓。

整改后，情況有所好轉，但均未能徹底解決。我們對其產生的原因，多次再做了探析。

3.1 缸套凸出高度

該系列缸套凸出高度要求在0.02～0.08 mm，為理論值0.05～0.15 mm的下限值，預壓量偏小。在實踐中測得實際缸套凸出高度均低于0.05 mm，在預緊力的作用下，就有可能會出現氣缸墊片壓得不夠緊，造成缸蓋與機體面密封性差，引起沖缸墊或損壞。在柴油機工作時，氣缸內的高溫高壓的燃氣與水路相通，造成副水箱出現“氣泡”，在急加油門突然收油門時，出現“反水”的現象，同時也會造成“缸蓋與機體接合面滲水”的故障。

3.2 支撐面密封與缸套定位

該系列機型系列缸套定位和支承面，存在結構上不合理、密封不良的問題，造成冷卻水上竄至缸墊而滲水。

經調查，玉柴、濰柴、康明斯、錫柴廠家同類型六缸柴油機主要參數，見表2所列。

表2 主要柴油機廠家六缸柴油機主要參數對比表

3.2 .1對支撐面密封的分析

（1）在對比后發現：在最高排量、功率、轉速、扭矩上，玉柴均比濰柴高，但缸徑比濰柴小，行程比濰柴長，說明玉柴主要是通過提高行程來實現這些指標的。

（2）調查了玉柴、濰柴、康明斯、錫柴廠家同類型六缸機缸套結構（見表3），經對比后發現：該系列機型機采用濕式缸套，行程達到145 mm，缸套采用上止口支承。

表3 主要柴油機廠家六缸柴油機缸套機構對比表

（3）按機型功率統計，發現發動機滲水故障率隨著機型功率段增大而升高（如圖4）。

圖4 該系列機型各功率段故障率情況

由此可知，隨著功率段增大，機子滲水故障率也隨著升高。也就是說，在柴油機工作時，功率越大，氣缸內的爆壓隨著增大，同時氣缸的振動量也隨著增大，在壓縮行程和作功行程上下推力的作用下，缸套在機體缸孔內存在上下顫抖越大，出現縫隙接觸現象。當氣缸蓋螺栓緊固氣缸墊與機體頂面接觸壓力不足時，缸套在機體缸孔內上下顫抖量更大，缸套支承面出現縫隙接觸的幾率也就更大，導致密封不良，冷卻水在壓力的作用下，從下而上竄到機體面上，氣缸墊也同時出現縫隙接觸，造成“缸蓋與機體接合面滲水”的故障。

3.2 .2對缸套下部分不滲水的分析

關于缸套下部分不滲水的問題，是因為柴油機爆壓時，活塞工作部分更多是在缸套上半部分，該部分受到的抖動大、溫度比下半部分更高，缸套支承面產生縫隙接觸幾率也就更大，所以就容易造成滲水。經分析可知：

（1）康明斯雖采用濕式缸套，但其支承面是設在中部，抗抖動性好，因此缸套支承面密封性好，不會輕易出現從缸套周邊漏水故障。

（2）錫柴雖采用濕式缸套，但其缸徑、排量較小，受到抖動也較小，因此出現從缸套周邊漏水故障較少。

（3）對比相近行程的YC6L機上，缸套也是采用中部支承定位，沒有輕易出現從缸套周邊漏水故障。

看來，我們在設計該系列機型缸套支承定位上沒有繼承好，只考慮了改進的一方面，而忽略了由此帶來的另一方面的問題，存在先天設計不足的問題。

3.3 維修裝配的工藝不當

在走訪全國各地服務站的過程中，發現有部分服務站在維修過程中存在以下問題，這都會引起柴油機發生“缸蓋與機體接合面滲水”的故障。

（1）對機體、缸蓋平面檢查不到位，沒有按照檢查平面度“一般要求控制在100 mm長度內，不平度不能超出0.04 mm”范圍內執行；缸套凸出高度，基本上沒有用百分表檢測（標準值為0.05～0.12 mm），出現了部分超差值較大，缸套凸出高度不符合要求的現象；

（2）拆檢缸蓋后，發現缸套與機體上止口上部位周邊出現水銹，沒有及時對缸套拆下檢查第一道防水圈是否燒蝕或損壞和查找其他原因；

（3）對機體、缸蓋、機體缸孔、缸套、螺釘孔（螺釘孔過深，是無法清洗或吹干凈的）和缸蓋螺栓，清洗不夠干凈，沒有及時更換全部缸蓋螺栓；

（4）對缸蓋螺栓力矩要求的擰緊力矩不足，出現有假力矩現象，大部分服務站的力矩扳手還是使用老式的“普通力矩公斤扳手”，無法滿足現狀要求。

4 處理技巧

針對目前該系列機型機出現的“缸蓋與機體接合面滲水”故障，在維修過程中，我們總結了注意“5個確保”的處理技巧，并且加以靈活應用。

（1）確保柴油機機體和缸蓋的平面度要求。在維修過程中，對機體和缸蓋平面度必須進行檢查和測量。檢查其是否存在缺陷或出現翹曲變形，測量平面度一般要求控制在100 mm長度內，不平度不能超出0.04 mm范圍，如果在變形量超差不大的情況下，必要時進行修磨平整，達到技術要求，或更換相關新件；

（2）確保缸套凸出高度。用百分表檢測缸套凸出高度，要求在0.05～0.12 mm范圍內為合格，若出現超差，必須拆檢缸套查找原因處理，清理干凈機體缸孔止口位置，可用比較法更換新缸套試驗，若無法達到技術要求時，則更換新機體處理；

總的來說，該算法占用資源少、處理速度快，尤其適用于在圖像目標的檢測場合中實現硬件加速，因此該算法不僅適用于在線紙病檢測系統，同時也適用于其他實時性較強的應用中，可以針對不同的應用場合靈活控制分塊的數量，完成對圖像目標的檢測和提取，以提高系統的實時性。

（3）確保缸墊的密封。拆檢缸蓋后，若發現缸套與機體上止口上部位周邊出現水銹，必須及時拆下缸套，檢查第一道防水圈是否燒蝕或損壞，缸套支承面是否密封良好，確保缸墊密封性；

（4）確保零部件的清潔。對機體、缸蓋、機體缸孔、缸套、螺釘孔、缸蓋螺栓必須進行清理，或清洗吹干凈，

（5）確保缸蓋螺栓力矩足夠。更換新缸蓋墊片，必須同時全部更換新的缸蓋螺栓，防止出現假力矩，力矩扳手則要求服務站選擇280～760 N·m的牌號可調整力矩扳手，擰緊方法為由中間向兩端對稱交叉地進行擰緊，且分3～4次逐次擰緊到規定值。力矩值的要求是：主螺栓300～350 N·m，副螺栓150～180 N·m即可。

5 處理案例

5.1 案例之一

上海交通大眾汽車服務有限公司滬B97498車號13M金龍13m XMQ6140客車配該系列機型390-30出現滲水故障的處理。

（1）該車的維修歷史：

2011年3月13日該車行駛17萬km，修理廠檢修發現第四、五缸出現滲水現象，作更換第四、五缸氣缸墊及缸套、活塞、活塞環的處理；

2011年3月14日該車維修結束，用戶行駛不到30 km，第四、五缸又出現滲水，經檢查發現第六缸也出現滲水，再次作更換氣缸墊的處理。

2011年5月29日該車又出現第二、三缸這兩個缸之間出現滲水，修理廠請求玉柴派專家前往現場會診。

其一是更換“四配套”防水圈、6個缸套、6個氣缸墊與全部缸蓋螺栓；

其二是應用故障維修處理的技巧中“五個確保”的方法，進行處理。

（3）處理結果。經跟蹤回訪，該車輛行駛3萬多km，共歷時2個月，到目前為止沒有出現滲水現象，用戶表示滿意。

5.2 案例之二

龍巖市暢豐車隊閩F51113牽引車（拖頭車），格爾發HFC4250KR1K3汽車配套該系列機型340-33發動機，出現缸墊漏水現象的處理。

（1）該車的維修歷史：

2011年4月1日，車輛已運行了40 133 km，出現了第一、第二、第三缸的氣缸墊滲水現象，客戶開車到龍巖新宇服務站處理，當時更換氣缸墊；

2011年4月2日，該車維修結束，用戶行駛一天多時間，第四缸又出現滲水，更換氣缸并且上膠處理；

2011年4月17日，車輛運行44 501 km，又出現第二、三缸缸墊滲水，更換氣缸墊處理；

2011年5月16日，客戶又反映，發動機一、三缸缸墊漏水，運行了52 463 km。

（2）處理方法：

其一，更換6個氣缸墊和全部缸蓋螺栓；

其二，應用故障維修處理的技巧中“五個確保”的方法，進行處理。

（3）處理結果。經跟蹤回訪，車輛已行駛了2萬多km，共歷時2個多月，沒有出現滲水現象，用戶表示滿意。

6 初步結論

從服務的實踐上看，按上述方法處理該系列機型柴油機“滲水”故障，至目前為止都是切實有效的。可見：

（1）氣缸蓋與氣缸體缺陷、氣缸墊材質不達標、密封性不良、維修裝配工藝不當這3種情形，在該系列機型機中發生缸墊滲水，屬偶發性的，采取正確的技術工藝規范，是可以控制的。

（2）該系列機型氣缸套定位支承，設在上部而不是在中部定位，由于行程大，活塞工作時產生抖動，正對曲軸曲拐方向的缸套壁受徑向壓迫力較大，造成缸套傾斜，從而密封不好；缸蓋螺栓過長且技術要求擰緊力矩達到上限、缸套凸出高度過小，經過一段工作時間后會產生失效，這3種情形容易引起缸套上部支承面滲水，屬系統性長期潛在故障，需通過設計的更改，方可加以解決。

7 改進意見

（1）嚴格控制缸套凸緣底面和機體上止口支承面的加工精度和表面粗糙度，確保兩者密封可靠；

（2）嚴格控制缸套突出高度，氣缸套裝入機體上的氣缸套座孔，頂面略高出氣缸體平面，用百分表檢測缸套凸出高度，要求在0.05～0.12 mm范圍內，方為合格；

（3）改進缸蓋螺栓結構，螺栓加粗，縮短長度，提高螺栓強度和韌性，使氣缸墊片在這里壓得更緊，密封性更可靠；

（4）改進機體缸孔和缸套結構，在缸套中部位置增加一道約20～50 mm的定位圈，在非工作面開設通道，讓冷卻水流通，解決缸套行程過長，在柴油機工作時壓縮行程和作功行程上下推力的作用下，缸套在機體缸孔內存在上下顫抖出現縫隙接觸問題，同時確保了缸套的穩定性，對解決降低機油耗和燃油耗高的問題，有著很大的幫助作用；

（5）也可以考慮把一缸一蓋改為六缸一蓋。

8 結束語

通過多年工作實踐，使筆者深深體會到，柴油機產品品質的提高，總是在實踐—改進—提高—再實踐—再改進—再提高的良性循環過程中成熟的。而個人的成長，也同樣是在學習—實踐—提高—再學習—再實踐—再提高的良性循環過程中，積累工作經驗。筆者結合實際工作經驗，就柴油機缸墊漏水故障，提出了一些維修技巧和改進意見，希望對維修服務人員處理故障和產品的設計改進，能產生借鑒作用。

[1]蔣向佩.汽車柴油機構造與使用[M].北京：機械工業出版社，1992.

[2]楊智勇.發動機維修手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.

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