柴油機密封形式設計與失效模式分析

程龍

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柴油機密封形式設計與失效模式分析

程龍

（安徽江淮納威司達柴油發動機有限公司，安徽 合肥 230601）

文章論述了密封設計與失效預防在汽車工業中的重要性。闡述了密封技術的設計形式、常用材料與密封失效模式的關系，介紹了新密封技術的發展以及相應應用領域等。重點針對493柴油發動機的典型密封設計和常見失效形式及預防措施進行了闡述，對產品設計及三漏故障預防有很好的借鑒作用。

密封設計；密封失效；失效預防；新密封技術

前言

發動機是汽車的心臟，是汽車性能優劣的關鍵總成之一。發動機的整體性能水平是由各個循環體系的高效運行組成，其中密封技術是各個循環體系的最基本考核指標。密封技術涉及材料組成、結構設計和生產工藝等， 要把整個發動機的密封技術解決好，就要了解發動機的密封部件運行的基本工況，包括螺栓扭矩、螺栓孔距分布、使用溫度、密封介質和密封面壓力分布等，從而對密封結構的設計、密封材料的選材、性能指標和成型工藝進行確定。

柴油機是一種用途廣泛的原動機，柴油機工作時，除了排氣和噪聲對環境造成污染外，若柴油機的密封不好，會造成機油、燃油、冷卻液的漏泄，其漏泄如發生在機體內部，將造成柴油機的故障，如柴油與潤滑油混合、潤滑油與冷卻液混合；如發生在柴油機外部，則將可能造成柴油機故障并污染環境，即使上述漏泄未引起柴油機故障，也會污染機體表面。柴油機是一種熱力機械，在柴油機上，需要進行密封設計的部位很多，有常溫靜密封，高溫靜密封，動密封。密封的介質有燃油、機油、冷卻液、高壓燃氣和排氣。所以，在柴油機設計中，需對不同部位采用不同的密封設計，以確保可靠的密封，盡可能減少柴油機的漏泄[2]。

密封的本質在于阻止被密封的空間與周圍介質之間的質量交換。密封的方法主要有下述幾種：

（1）盡量減少密封部位

在進行容器和設備設計時，應盡可能少設置密封部位。特別是對于那些易燃、易爆、有毒、強腐蝕性介質的容器和設備，更應少采用密封連接。

（2）堵塞或隔離泄漏通道

在密封部位設置墊片，采用密封膠， 可大大提高連接的密封性能。 由于墊片或密封均具有良好的變形特性，容易與被連接元件表面貼合，填滿表面的微間隙，堵塞或減小被密封流體的泄漏通道，實現密封。

（3）增加泄漏通道中的流動阻力介質通過泄漏通道泄漏時會遇到阻力

流動阻力與泄漏通道的長度成正比，與泄漏通道的當量半徑成反比。對于墊片密封來說，適當增加墊片寬度，即增加泄漏通道長度，提高墊片的密封比壓，即減小泄漏通道的當量半徑可增加泄漏阻力，改善連接的密封。

（4）采用永久性或半永久性連接采用焊接、釬焊或利用膠粘劑可形成永久性或半永久性連接。如圖1 所示的焊接墊片密封就是一種半可拆的連接形式[3]。

圖1 焊接墊片密封形式

1 493柴油機密封形式簡介

493柴油機中密封的內容主要包括油、水、氣三個方面，密封形式大部分以靜密封為主，動密封為輔。其中靜密封按照油路、水路和氣路分別有多種密封方式。動密封包括前后主油封與曲軸之間的旋轉動密封、活塞與缸套之間的往復動密封等。

1.1 油路密封形式

油路密封分為潤滑油和燃油兩種類型，由于燃油油路需從油箱運輸到油泵，然后通過高壓油管進入噴油器噴射燃燒，高壓油管之間連接點為重點密封對象，密封形式屬于高壓靜密封，通過規定力矩以及良好設計尺寸實現墩頭之間高壓力連接，最終實現燃油密封。

潤滑油路密封包括以下：

1）機冷器與機體間密封——密封形式：橡膠密封圈；

2）油泵與機體間密封——密封形式：橡膠密封圈；

3）缸體與油底殼之間密封——密封形式：橡膠密封圈或密封膠密封；

4）齒輪室與缸體間密封——密封形式：紙墊片；

5）缸蓋護罩與缸蓋之間密封——密封形式：橡膠密封圈；

6）機油壓力傳感器密封——密封形式：螺紋密封膠；

7）渦輪增壓器進回油路密封——密封形式：銅墊片+卡箍緊固密封；

8）發電機真空泵進回油管路密封——密封形式：銅墊片+卡箍緊固密封；

9）曲軸與機體、油底殼之間的密封——密封形式：油封密封圈；

10）缸蓋與機體之間密封——密封形式：復合鋼制墊片。

橡膠密封圈和復合鋼制墊片如下圖2所示：

圖2 橡膠圈及進排氣管墊片

1.2 水路密封形式

水路密封主要針對發動機冷卻液的密封及防銹處理，水路密封包括以下：

1）進水管焊合件與機體間密封——密封形式：紙墊片；

2）出水口與節溫器殼體間密封——密封形式：紙墊片；

3）缸蓋與機體之間密封——密封形式：復合鋼制墊片；

4）水泵與機體間密封——密封形式：橡膠密封圈；

5）EGR冷卻器進水管與缸蓋間密封——密封形式：橡膠密封圈；

6）鋼管與膠管管路之間密封——密封形式：卡箍緊固密封。

紙墊片及卡箍如下圖3所示：

圖3 紙墊片及卡箍

1.3 氣路密封形式

發動機氣體包含新鮮空氣系統、燃油混合氣、燃燒后高溫廢氣等幾種密封形式，任何一處均需要做好密封處理，否則對發動機性能及排放均有影響，氣路密封主要包含以下：

1）EGR冷卻器與進出氣管路間——密封形式：單層或多層鋼制墊片以及石墨墊片；

2）進氣歧管、排氣歧管與缸體間——密封形式：復合鋼制墊片；

3）缸蓋與機體之間——密封形式：復合鋼制墊片；

4）渦輪增壓器與排氣彎管間——密封形式：雙層鋼制墊片或復合鋼制墊片；

5）EGR閥與管路之間——密封形式：多層鋼制墊片；

6）催化器兩端——密封形式：多層鋼制墊片或石墨復合墊片；

7）活塞環密封——密封形式：活塞環與缸套動態摩擦密封。

密封墊片及活塞環見如圖4所示：

圖4 鋼制墊片及活塞環

2 493柴油機典型密封失效模式分析及預防

2.1 泄漏的危害與形式

若不能做好密封方面的工作就會導致柴油機各種泄漏及污染，漏泄如發生在柴油機的內部，將造成柴油機故障，如柴油與潤滑油混合、潤滑油與冷卻液混合；如發生在柴油機外部，則將可能造成柴油機故障并污染環境，即使上述漏泄未引起柴油機故障，也會污染柴油機的外表面，影響產品美觀與企業形象。

泄漏的種類劃分有多種，這里列出兩種：

2.1.1按泄漏的機理分類

（1）界面泄漏：在密封件（墊片、填料）表面和與其接觸件的表面之間產生的一種泄漏。如法蘭與墊片之間、填料與軸或填料箱之間的泄漏。

（2）滲透泄漏：介質通過密封件（墊片、填料）本體毛細管滲透出來，這種泄漏發生在致密性較差的植物纖維、動物纖維和化學纖維等材料制成的密封件上。

（3）破壞性泄漏：密封件由于急劇磨損、變形、變質、失效等因素，使泄漏間隙增大而造成的一種泄漏。

2.1.2按泄漏的密封部位分類

（1）靜密封泄漏：無相對運動密封副間的一種泄漏。如法蘭、螺紋、箱體、卷口等結合面的泄漏。相對而言，這種泄漏比較好處理。

（2）動密封泄漏：有相對運動密封副間的一種泄漏。如旋轉軸與軸座間、往復桿與填料間、動環與靜環間等動密封的泄漏。這種泄漏較難處理。

（3）關閉件泄漏：關閉件（閘板、閥瓣、球體、旋塞、節流錐、滑塊、柱塞等）與關閉座（閥座、旋塞體等）間的一種泄漏。這種密封形式不同于靜密封和動密封，它具有截止、換向、節流、調節、減壓、安全、止回、分離等作用，它是一種特殊的密封裝置，這種泄漏很難處理。

（4）本體泄漏：殼體、管壁、閥體、船體、壩身等材料自身產生的一種泄漏。如砂眼、裂縫等缺陷的泄漏[3]。

2.2 潤滑油路密封失效及預防

493柴油機油路泄漏主要發生在曲軸密封、缸蓋密封等位置。典型失效模式為發動機后端漏油、氣缸蓋罩漏油、油底殼漏油以及傳感器滲油等失效形式。

發動機后端油封漏油的原因主要是后油封在動密封過程中發生泄漏，導致發動機后端滲漏，嚴重影響發動機外表面美觀及清潔度。發生漏油的原因是裝壓后油封時，未考慮主軸承蓋與后油封之間的不可見空間，導致二者之間形成積油槽。在油封和曲軸相對運動過程中，產生潤滑油泄漏。氣缸蓋罩漏油主要是密封膠條布置不均或者零件尺寸不符合要求等因素產生，故障圖片如圖5；油底殼漏油有兩種原因：一是針對鐵質油底殼密封用的膠條存在做工粗糙、硬度太大等問題，導致無法與機體和油底殼貼合，不能達到密封的效果，二是針對鋁制油底殼涂抹密封膠不均勻或者涂膠量過少等因素會導致密封失效，出現漏油問題。機油壓力傳感器滲油主要是傳感器接頭上透氣口或者螺紋密封位置有滲漏，可通過合理設置透氣口孔徑和涂抹螺紋密封膠并設定合理力矩的方法規避滲油現象。

因此在不可見部位的密封設計時要充分進行三維數模驗證以及剖切面校核，充分避免產生積液槽，影響潤滑油及冷卻液的容量，進而避免漏液問題產生。

圖5 氣缸蓋罩密封失效形式

2.3 水路密封失效及預防

493柴油機水路密封失效主要集中在出水口、機冷器取水口以及進水管焊接件與機體等液體過渡部位。

出水口和進水管焊合件與機體連接通過紙墊片密封實現，根據國家規定，逐漸更換掉石棉材質零部件，石棉橡膠板具有壓縮率好、回彈率高、致密性好、橫向抗拉強度大等優點，更換為紙質墊片后，未明確規定墊片的壓縮率，導致墊片過硬，回彈率差，最終無法達到密封規定平面度零件的目的。機冷器進水管與缸蓋通過橡膠圈來實現密封效果，橡膠圈具有壓縮性好，強度、壓縮回彈性好以及耐介質性好等優點，但是壓縮永久變形大，耐溫性差，強度低，易損壞等缺點，橡膠密封圈必須實現過盈配合方可實現密封效果，在裝配過程中，由于配合孔邊緣較銳利，容易產生膠圈邊緣破損現象，裝配后目測無法發現，只有熱試或零公里時方可發現問題。

因此在設計紙墊片等密封件時，需要充分考慮紙墊片的特性，主要包括回彈率，橫向抗拉強度等參數，須覆蓋零部件平面度，保證墊片密封效果。水管密封圈主要注意裝配時的操作方法，特別是新員工裝配性培訓及監控，保證按照正確裝配工藝安裝，可通過涂潤滑油等方法使橡膠圈順滑裝配到配合孔中并保證橡膠圈完好無損，降低故障率。

2.4 氣體密封失效及預防

在柴油機中氣體密封失效主要針對排氣側泄漏， EGR冷卻器進氣端是最容易泄漏氣體的部位，此種情況在生產單位及客戶使用過程中均有發生，這種失效模式修改周期長，費用高，問題隱蔽性強，修改難度大，因此應該在設計之初就應該充分考慮各種因素對墊片密封的影響。

針對此種失效模式，應在保證墊片厚度滿足法蘭平面度設計值的同時充分考慮EGR冷卻器法蘭的受熱變形對密封面的影響。以EGR冷卻器墊片漏氣為例，墊片波形高度0.3mm，密封法蘭平面度各為0.1mm。按照理論值，此墊片能夠實現密封要求。但是在熱試過程及客戶零公里過程中發生過多例漏氣漏煙現象。最后發現故障原因是EGR法蘭在受熱后產生變形，導致平面度超差，最大平面度達到0.35mm,遠大于密封墊片的密封能力，后通過采用雙層墊片加高波形的方式解決此問題。

因此，在密封設計過程中，不僅要考慮冷態狀況下的密封，更要關注零部件受熱變形后的影響，規避零部件自身特性缺陷造成的失效模式。

3 先進密封技術簡介

近年來新發展的密封技術大致有密封面開槽的表面改形密封技術、控制平衡比技術、多端面密封技術、平行面密封技術、彈性伸縮的波紋管密封技術、窄面密封技術、多端面密封技術、流體阻塞密封技術、零逸出密封技術、安全密封技術、監控密封技術、組合密封技術以及液態密封技術等，利用這些新技術和新概念出現很多新結構。

隨著計算機技術的快速發展，有限元仿真技術已成為產品設計、分析人員的有力工具。采用現代有限元仿真技術對發動機各種密封墊進行仿真研究，可以充分考慮各結構的物理特性，排除客觀復雜干擾，找出結構的缺點不足并提出解決方案，確定最佳的方案匹配結果，能使大量的實際問題解決在產品設計環節，降低開發成本，縮短產品的設計周期。比如有限元法對柴油發動機氣缸墊的密封性能的可靠性進行分析和研究。通過 ANSYS Workbench 平臺，充分模擬氣缸墊、缸體、缸蓋和螺栓的裝配體在工況下的密封情況，計算氣缸墊與缸體、缸蓋的密封接觸壓力，并根據計算結果分析其在關鍵部位的密封的可靠性，總結并提出相應的解決方法[4]-。

按原材料特點，墊片可分為固體墊片和液體墊片（液態密封膠）２種。固體墊片靠壓縮回彈特性來實現密封，因此可靠的密封需要較高的夾緊力，有時即使施加很大的夾緊力，也無法用固體墊片將法蘭面的溝底100％填充，從而無法從根本上杜絕滲漏通道。使用液態密封膠可以輕易解決固體墊片固有的缺陷，如圖6所示。

圖6 液態密封示意圖

液體密封墊片具有良好的填充特性，能夠將法蘭面上凸凹不平的間隙完全填平，從而阻斷泄漏；液態密封膠成液態狀，并有一定的黏性，對接合面有良好的黏附效果，能保證所有基面各點黏附在一起，有效地防止界面泄漏；同時，液態密封膠不存在任何的壓縮變形，沒有內應力，沒有松弛和蠕變，沒有彈性破壞等破壞因素，而且膠體的黏度很高，使液態密封墊片具有突出的防滲漏效果。液態密封膠墊片技術作為解決發動機“跑、冒、滴、漏”問題的一種防漏、治漏的新技術，在發動機上會有越來越多的應用[5]。

通過不斷的新技術創新，必然能夠實現各種不同需求、不同場合的密封要求，為保證工業生產及發動機良好運轉提供有力保障。

4 結論

本文主要圍繞柴油機密封技術的設計與失效模式進行了分析，主要包括1）密封的原理及結構形式，2）493柴油機的密封形式；3）493柴油機典型密封失效形式及預防措施；4）先進密封形式簡介等內容。

作為對柴油機密封技術的探討與梳理，對高速柴油機的密封設計原理及失效形式和預防措施進行了簡單介紹，通過梳理密封方面的問題，對后續密封件的設計與失效形式預防將起到借鑒的作用，并能夠通過最新密封技術和最少的資源來解決更加復雜的密封問題。

[1] 楊彬.汽車發動機用高性能復合密封墊片研制開發[D].吉林大學. 2011.4,1-2.

[2] 陳敏,劉曉敘.現代中,小型柴油機密封設計技術[J].廣州:潤滑與密封,2001(5),68-69.

[3] 田伯勤.新編機械密封實用技術手冊[S].北京:中國機械工業協會,2005.11.

[4] 李衛民,孫嵩楠,王月婷.柴油發動機密封性能的研究[J].遼寧:機械設計與制造,2014（7）,155-158.

[5] 邢東仕.發動機液態密封墊片技術[J].北京:新技術新工藝,2013（1）, 12-15.

Diesel engine sealing design and failure mode analysis

Cheng Long

( Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This paper discusses the importance of seal design and failure prevention in automobile industry. In this paper, the design of the sealing technology form, commonly used materials and sealing failure mode, the relationship between the development of new sealing technology are introduced and the corresponding application fields, etc. Focus on typical 493 diesel engine seal design and common failure forms and prevention measures are expounded, for product design and three leakage fault prevention has a good reference.

seal design; seal failure; failure to prevent; seal of new technology

B

1671-7988(2018)24-154-04

U464.172

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1671-7988(2018)24-154-04

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程龍，就職于安徽江淮納威司達柴油發動機有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.055