發動機氣缸墊密封失效分析及設計優化

孫祺翔 李萌之 孫亞東 余樹翠 肖 翔 劉玉銘

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

汽油發動機氣缸墊位于氣缸體和氣缸蓋之間，靠多個高強度的氣缸蓋螺栓提供夾緊力，密封發動機燃燒室、高壓油道、低壓油道、冷卻水通道和鏈輪箱等[1]。

氣缸墊在高溫高壓和脈沖負荷條件下工作，因其密封的流體（燃氣、潤滑油和冷卻水）的物理性能和化學性能差別極大，使得其所處的環境極其惡劣[2]。

隨著發動機采用增壓技術和向小型化方向推進，發動機氣缸壓力、氣缸蓋螺栓預緊力、氣缸蓋溫度都相應提高[3]，對氣缸墊的密封提出了更高的要求，導致發動機工作過程中常常產生密封失效問題。

本文以某型號發動機氣缸墊滲油問題為失效案例，經過系統排查，確認失效原因為氣缸墊局部支撐結構強度不足。通過對氣缸墊局部支撐結構進行優化，經過有限元分析，研究了不同氣缸墊局部支撐高度對密封壓力及氣缸蓋提升量的影響，確認了最優局部支撐高度，并通過了臺架耐久試驗。

1 問題背景

某型號發動機在進行冷熱沖擊試驗過程中，在發動機進氣側，氣缸體與氣缸蓋的結合面發生了滲油問題。滲油失效如圖1 所示。

圖1 滲油失效

通過確認臺架發動機狀態及試驗參數，發現試驗過程及參數均無異常，排除了結合面以外其他零部件存在滲油問題。

2 問題排查與分析

2.1 滲油問題確認

根據發動機進氣側氣缸體與氣缸蓋的結合面出現滲油問題，為確認滲油位置，在發動機機油中加入顯影劑，清理結合面滲油痕跡。繼續運行發動機1h，觀察氣缸體與氣缸蓋的結合面，發現相同位置滲油問題復現。通過熒光燈觀察，滲油位置油跡存在熒光反應，確認該處氣缸墊密封失效，存在滲油問題。如圖2 所示。

圖2 滲油問題復現

2.2 滲油問題排查

2.2.1 氣缸墊排查

針對故障發動機氣缸墊滲油問題，對拆機過程進行了重點跟蹤，發現在進氣側的回油道位置，氣缸墊局部支撐存在較為明顯的壓痕，且壓痕不連續，如圖3 所示。

圖3 故障發動機進氣側氣缸墊局部支撐壓痕

對故障發動機氣缸墊局部支撐尺寸進行檢測發現，耐久試驗后，進氣側回油道位置，氣缸墊局部支撐存在明顯的變形，高度由0.15 mm 降低至0.1 mm，具體如圖4 所示。

圖4 經過耐久試驗氣缸墊局部支撐高度變化

2.2.2 氣缸體排查

對故障發動機試驗前后氣缸體頂面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進行檢測，檢測結果見表1。

表1 氣缸體頂面滲油位置的表面質量檢測結果 μm

對故障機發動機氣缸體的本體硬度、機械性能進行檢測，檢測結果見表2。

表2 氣缸體本體硬度、機械性能的檢測結果

2.2.3 氣缸蓋排查

對故障發動機試驗前后氣缸蓋底面滲油位置的平面度、粗糙度、波紋度進行檢測，檢測結果見表3。

表3 氣缸蓋底面滲油位置表面質量的檢測結果 μm

對故障發動機氣缸蓋本體硬度、機械性能進行檢測，檢測結果見表4。

表4 氣缸蓋本體硬度、機械性能的檢測結果

2.2.4 氣缸蓋螺栓排查

故障發動機氣缸蓋螺栓序號的對應位置如圖5所示。

圖5 氣缸蓋螺栓位置序號示意圖

對故障發動機氣缸蓋螺栓裝機、拆機力矩進行排查，排查結果見表5。對故障發動機氣缸蓋螺栓的機械性能進行檢測，檢測結果見表6。

表5 氣缸蓋螺栓裝機、拆機力矩排查結果

表6 氣缸蓋螺栓機械性能的檢測結果

2.3 排查結果總結

通過對故障發動機相關零部件的排查分析，發現氣缸體、氣缸蓋、氣缸蓋螺栓均無異常。

經過對故障發動機氣缸墊進行排查分析，發現氣缸墊現有的局部支撐為半筋密封結構，筋寬×筋高=1.2 mm×0.15 mm，該尺寸在臺架試驗后存在明顯的變形，筋高下降明顯。在冷熱沖擊試驗過程中，氣缸墊局部支撐高度的降低加大了氣缸體、氣缸蓋的相對變形量，大大降低了氣缸墊局部支撐附近密封筋的抗疲勞能力，在較長時間的循環沖擊負荷及熱變形的雙重作用下，導致氣缸墊滲油失效。

3 優化及驗證

3.1 優化方案

對氣缸墊局部支撐進行優化設計，由原先的條狀支撐設計調整為點狀支撐設計，目的是加強氣缸墊局部支撐的強度，保證在冷熱沖擊試驗過程中氣缸墊局部支撐不變形。優化設計如圖6 所示。

圖6 氣缸墊點狀局部支撐示意圖

3.2 CAE 分析

為了保證氣缸墊局部支撐對密封筋的密封壓力和氣缸蓋提升量產生影響，對不同局部支撐高度的氣缸墊進行有限元分析，以確認最優局部支撐高度。氣缸墊局部支撐取樣點示意圖如圖7 所示。

圖7 局部支撐優化位置取樣點示意圖

不同氣缸墊局部支撐高度下密封筋的密封壓力 分析如圖8 所示。

圖8 不同氣缸墊局部支撐高度下密封筋的密封壓力分析

不同氣缸墊局部支撐高度下，不同取樣點密封筋的密封壓力分析結果見表7。

表7 不同取樣點密封壓力分析結果 MPa

不同氣缸墊局部支撐高度下氣缸蓋提升量分析如圖9 所示。

圖9 不同氣缸墊局部支撐高度下氣缸蓋提升量分析

不同氣缸墊局部支撐高度下，不同取樣點氣缸

蓋提升量分析結果見表8。

表8 不同取樣點氣缸蓋提升量分析結果 μm

基于CAE 分析結果，在保證密封筋的密封壓力情況下，選擇較小的氣缸蓋提升量方案。綜合評估以上有限元分析結果，優選局部支撐高度為0.08 mm的方案。

3.3 試驗驗證結果

氣缸墊局部支撐優化后，進行臺架冷熱沖擊驗證試驗。發動機拆機后點狀支撐連續且清晰，如圖10所示。

圖10 優化后氣缸墊局部支撐壓痕

耐久試驗后，進氣側回油道位置，氣缸墊局部支撐高度基本無變化，一致性良好，如圖11 所示。

圖11 優化后經過耐久試驗氣缸墊局部支撐高度變化

臺架冷熱沖擊驗證試驗結果表明，氣缸墊局部支撐優化措施有效。

4 結論

本文的氣缸墊局部支撐優化設計對降低氣缸體和氣缸蓋的初始變形、降低變形較大位置的密封筋密封壓力，改善密封筋疲勞性能都有積極作用。可以得出以下幾點結論：

1）氣缸墊局部支撐設計需保證強度，只有足夠的強度才能保證局部支撐的有效性及持久性，減小氣缸體、氣缸蓋變形量及保護局部支撐附近的密封筋。

2）通過有限元分析的方法，可以得出最優局部支撐高度，既能保證密封筋的密封壓力，也能保證氣缸蓋提升量。