D19乘用車柴油機密封系統的設計

王 乾，邢東仕，高明杰，朱益骉，李禕旻

（上汽集團股份有限公司技術中心，上海201206）

D19乘用車柴油機密封系統的設計

王 乾，邢東仕，高明杰，朱益骉，李禕旻

（上汽集團股份有限公司技術中心，上海201206）

D19乘用車柴油機在開發過程中所發生的泄漏問題占全部問題的1/3以上。主要介紹D19乘用車柴油機密封系統的設計。為滿足歐洲市場的高可靠性要求，在密封系統設計中運用“和諧”凸筋氣缸墊、壓入式橡膠墊片、ME墊片、PTFE油封、高鎳材質墊片并輔以退耦螺母等新技術，成功解決了泄漏問題，并制訂了科學的評價標準。

乘用車柴油機評價標準密封設計

1 引言

隨著我國內燃機工業的不斷進步，國產發動機的性能、經濟性穩步提升，而“三漏”問題往往阻礙國產發動機品質的進一步提升。上汽集團自主開發的D19乘用車柴油機是面向歐洲市場的一款產品，其可靠性要求高[1]。在開發過程中，發動機“泄漏”問題占所出現問題的1/3以上。針對上述問題，在密封系統的設計中運用大量新技術，成功解決了D19柴油機“三漏”問題，并通過了1 000 h臺架耐久試驗及嚴苛的歐洲工況整車耐久試驗。

本文介紹D19乘用車柴油機密封系統的設計。

2 總體設計思路及評價標準

發動機靜密封件的工作條件非常苛刻：密封介質多樣，密封壓力差異大，工作溫度范圍寬，并受到振動、高溫等因素影響。同樣動密封件不僅工作線速度高，且也受到振動、高溫的影響[2]。

D19乘用車柴油機的密封設計盡可能選用結構緊湊、系統簡單、密封可靠、拆裝方便、成本低廉的結構形式[3]，其密封結構示意圖如圖1所示。

在密封系統設計中實現絕對的“零泄漏”是不可能的，無限提高密封標準勢必需要付出高昂的代價；只有做好成本和密封效果的平衡，才可能在汽車發動機產品上批量應用。因此，需要科學的評價標準。根據大量的發動機耐久試驗數據和市場售后反饋數據的統計，按照氣態和液態密封介質制訂了5分制評價標準，見表1。

圖1 D19乘用車柴油機密封結構示意圖

3 密封設計

受限于結構設計，D19柴油機不但密封區域多，且密封面大，因此形成了多處T形區域。在設計時根據密封件的溫度環境，將靜態密封分為低溫密封和高溫密封。除氣缸墊外，低溫密封采用固體墊片、油封及液態墊片3種密封形式，高溫密封都采用金屬墊片并輔以特殊緊固件確保密封性能，而動密封全部采用油封。

表1 泄漏量評價標準

3.1 氣缸墊

柴油機的爆發壓力高，D19柴油機的爆發壓力更高達18 MPa。因此，氣缸墊采用多層鋼板結構，同時應用激光焊接缸口環、“和諧”凸筋、橡膠涂層、T區點膠等技術。

缸口環通過增加缸孔周圍金屬層厚度，調節缸孔周圍的預壓力，從而提高該區域的靜態密封能力[4]；同時缸口環還可分擔缸口周圍凸筋的載荷，防止其因過度受壓產生蠕變，從而確保其保持一定的彈性，提高使用壽命。采用激光焊接工藝可以實現缸口環和基材的無縫連接，且焊點平整。激光焊接缸口環如圖2所示。

“和諧”凸筋是菲特爾莫古（Federal-Mogul）公司的獨有技術。凸筋采用“和諧”模具（Harmonic Tooling）沖壓而成。由于其成型時可降低25%的內應力，且可使其內應力分布更均勻，因而能提高凸筋疲勞壽命約20%。“和諧”凸筋原理見圖3。

圖2 激光焊接缸口環

圖3 “和諧”凸筋原理

在密封凸筋上涂敷橡膠涂層，橡膠涂層能填充接觸表面的微觀間隙，防止冷卻液、機油從表面的微觀間隙滲漏，從而實現微觀密封。橡膠涂層微觀密封原理見圖4。同時，橡膠涂層也可補償密封凸筋的載荷分布的不均勻性。

圖4 橡膠涂層微觀密封原理

在缸蓋、缸體及鏈條罩蓋形成的T形區域內采用特殊的預點膠結構。缸蓋螺栓上緊后，預點膠受壓擠出，配合鏈條罩蓋墊片的蜂窩結構，形成多層密封“微腔”，增大了泄漏通道阻力，實現可靠密封。氣缸墊預點膠密封結構及工作原理見圖5。

圖5 氣缸墊預點膠密封結構及工作原理

3.2 油封

油封通常用于動密封處，一般要求油封材料的摩擦阻力小、摩擦系數穩定，耐磨性好，且磨損后具備一定的自動補償能力。D19柴油機額定轉速高達4 000 r/min，且燃油經濟性要求高，因此，曲軸前、后端油封均采用了聚四氟乙烯（PTFE）油封。

聚四氟乙烯具有良好的化學性能、熱穩定性和自潤滑性。由于其摩擦系數極低，且具有一定的記憶功能，可自動補償磨損，因此廣泛應用于發動機油封。聚四氟乙烯油封沒有彈簧骨架，因而對軸的偏心不敏感，適應性好。又因其唇口寬，與軸的接觸面長度可達5～7 mm，形成的油膜寬度大，泄漏阻力大；且其唇口內壁刻有與軸轉向相反的螺紋槽，當軸旋轉時會產生一個向內推力，阻止流體外流[5]，即“泵吸回送”原理。綜上所述，聚四氟乙烯油封可以實現無泄漏。聚四氟乙烯油封及工作原理見圖6。

圖6 聚四氟乙烯（PTFE）油封及工作原理

同時，還在噴油器及噴油器壓板螺栓靜態密封處應用了特殊結構橡膠油封實現徑向密封，其截面結構如圖7所示。

圖7 特殊結構橡膠油封

3.3 固體墊片

D19柴油機上也大量應用固體墊片，其中又分為壓入式（Press-in-Place）橡膠墊片、ME（Metal-Elastomer Gasket）墊片及金屬墊片三類。

3.3.1 壓入式橡膠墊片

橡膠材料具有良好的彈性及寬泛的工作溫度范圍、優異的耐油性和耐腐蝕性，且易于變形產生接觸壓力，達到密封效果，因此常用作墊片材料。壓入式橡膠墊片，一般采用模壓成型，形狀靈活、成本低廉；又因其對安裝法蘭的平面度、粗糙度要求較低，可以通過按壓方式嵌入殼體凹槽，實現預裝或快速裝配，因此在發動機上的應用日益廣泛[6]。可根據密封表面特點選取不同的橡膠墊片截面形狀，常見的截面形狀如圖8所示。

圖8 壓入式橡膠墊片截面形狀

壓入式橡膠墊片和殼體凹槽之間的配合非常重要。由于橡膠存在應力松弛特性，即在一定的應變下，其接觸壓力隨時間下降。為保持足夠的接觸壓力，墊片必須有一定的壓縮形變；但壓縮率過大，會造成過大的高寬比，使墊片失穩、扭曲，影響其密封性能。而橡膠遇到油、液或溫度升高時會發生膨脹，若填充率過高，則橡膠內部應力上升，會造成墊片開裂，也會導致密封失效。因此還需控制橡膠墊片的填充率。根據經驗，通常壓縮率為20%～30%，填充率為85%～95%。

在D19柴油機上，橡膠墊片應用于凸輪軸罩蓋、機油模塊、進氣歧管等處。凸輪軸罩蓋的橡膠墊片材料選用ACM，截面形狀采用圖8中的f形狀。針對真空泵座與缸蓋接觸處所形成的三角區域，則采用特殊結構，產生足夠壓力，保證密封性。另在T區處設計蜂窩結構，以形成密封“微腔”，確保密封。為防止橡膠墊片預裝后掉落及工作時扭曲變形，在橡膠墊片兩側面上設計凸起，起到輔助支撐作用。凸輪軸罩蓋橡膠墊片如圖9所示。

圖9 凸輪軸罩蓋橡膠墊片

機油模塊的橡膠墊片采用AEM材料，截面采用圖8中的a形狀。該形狀除具有密封作用外，還可以隔斷振動的傳遞，對降低NVH問題有利；但是對法蘭面寬度要求高，一般需保持在10 mm左右。

3.3.2 ME墊片

ME墊片是一種新型的密封墊片，其結構特點是在金屬基板邊緣硫化橡膠材料，通過橡膠的彈性變形實現密封。ME墊片一般截面如圖10所示。金屬基板可精確控制橡膠的變形量，防止橡膠扭曲、變形或壓潰，從而確保密封可靠。同時其橡膠材料、金屬基板及密封結構形式多樣，可根據不同的密封表面要求靈活運用[7]。

圖10 ME墊片一般截面

D19柴油機的鏈條罩蓋不但密封面積大，且跨越缸蓋、缸體、下缸體等多個零件，形成多處T型區域，常規墊片無法可靠密封，因此采用ME墊片。材料選用鍍鋅鋁板和AEM橡膠，詳細結構如圖11所示。

該墊片一般截面如A-A所示。壓縮后形成兩道線密封，提高了可靠性。上部T形結合處依靠彈性體的凸出量和上部密封橡膠條的蜂窩結構配合，并輔以點膠進行密封；下部T形結合處依靠彈性體的凸出量和硅膠配合進行密封。對于其它T形結合處，ME墊片自帶蜂窩結構，如圖11(c)所示。為提高金屬板材利用率，并增加ME墊片對密封零件累計公差的適應性，采用了橡膠拼合結構，如圖11(b)所示。

圖11 D19柴油機ME墊片結構

3.3.3 金屬墊片

金屬墊片主要依靠凸筋產生的接觸壓力進行密封，常用的凸筋結構見圖12。金屬墊片材質一般采用鋼板或橡膠涂覆鋼板，而基材鋼板根據回彈性要求常采用低碳鋼或不銹鋼。對于氣態介質的密封通常采用鋼板；而對于液態介質的密封一般采用橡膠涂覆鋼板，T形區域密封也可輔以點膠。

D19柴油機的EGR管法蘭處密封采用鋼板全凸筋墊片；而剛性較弱的后油封支架則采用帶凸筋的不銹鋼涂覆橡膠墊片，同時在T形區域輔以點膠，實現可靠密封。

圖12 凸筋結構

3.3.4 液態墊片

液態墊片填充性好，密封可靠，且成本低廉，已大量應用于發動機的密封。D19柴油機主要采用厭氧膠和硅膠（RTV）。

厭氧膠一旦隔絕氧氣，在密封表面金屬元素的催化作用下能迅速固化，形成可靠密封[8]。鑒于上述特點，厭氧膠非常適合于剛性較好的兩個金屬加工表面間的密封。為隔絕氧氣，不僅密封面間的間隙要小，還需要均勻可靠的夾緊載荷以減少密封面的位移。因此，在真空泵座與缸蓋接合面、各堵塞與工件之間采用厭氧膠密封。

硅膠柔軟且具有良好的彈性和抗振性，適用于密封間隙較大部位的密封。硅膠涂覆后，通過吸收空氣中的水分縮合硫化，固化成彈性體，形成密封墊片。

除合理布置緊固件和特殊法蘭面結構外，硅膠的選用也是密封設計的重點，需根據生產工藝及生產節拍綜合考慮。硅膠的選用主要考慮3個方面的性能：粘度、固化時間和粘結強度。硅膠的粘度越高，則其彌補密封間隙的能力越強。固化時間要合適，主要是脫粘、結殼到完全固化的時間。受生產節拍的限制，完全固化時間太短，會來不及完成裝配動作，而完全固化的時間太長，又影響生產效率。粘結強度表征膠水和密封表面的親和程度，粘結強度太低，則抵抗不了振動對密封面的影響，已固化的墊片容易被撕裂而造成泄漏。在D19柴油機開發實踐中，就硅膠的選型進行了專門的對比試驗，最終選定樂泰5900（LOCTITE）。對比試驗結果見表2。

3.4 高溫密封

高溫區域的密封一直是發動機開發的難點之一。發動機的高溫密封區域主要是排氣歧管與缸蓋接合面以及增壓器與排氣歧管接合面。

在高溫狀態下，墊片凸筋保持壓縮回彈特性是確保密封可靠的關鍵；而緊固件的軸向力是確保墊片凸筋預緊載荷的又一關鍵。

柴油機工作時排氣溫度可達830℃以上，排氣歧管受熱膨脹量大；而柴油機負荷降低或停機時，排氣歧管的收縮又受到緊固件的約束。若約束過大，則排氣歧管在熱應力和機械應力的共同作用下易發生變形、開裂；若約束過小，在排氣歧管變形的“搓拉”作用下，緊固件會松弛、夾緊力減小，墊片凸筋載荷下降，導致排氣歧管法蘭處漏氣。而排氣歧管與缸蓋接合處具有一定的冷卻條件，溫度一般保持在350～450℃，普通不銹鋼或合金鋼材質墊片即能滿足溫度要求。綜上而言，排氣歧管變形的“搓拉”作用是導致密封問題的主要原因。因此需要一種既能保持一定夾緊力，又能避免“搓拉”松弛的特殊緊固件結構。

表2 硅膠性能對比試驗表

D19柴油機排氣歧管墊片采用SUS301不銹鋼材質，雙半凸筋結構，參見圖12(c)，單面涂覆MoS2減摩涂層。而排氣歧管緊固件，則采用內德史羅夫（Nedschroef）公司專有的退耦螺母技術[9]。退耦螺母由螺母本體和墊塊2部分組成，如圖13所示。螺母為21CrMoV5-7材質，表面鍍銅處理，采用楔形螺紋，將軸向載荷均勻分布到各個螺牙，可有效抵御振動，防止松弛[10]；螺母外圓面打有3個沖點，旋緊后變形，實現防松功能；螺母底面法蘭刻有花紋，以增大與墊塊之間的摩擦力。墊塊也采用21CrMoV5-7材質，表面鍍覆無機減摩涂層。墊塊采用翻邊與螺母本體聯在一起，作為整體零件使用。退耦螺母的工作原理是：盡量降低墊塊與排氣歧管法蘭間的摩擦系數，以減少排氣歧管法蘭對墊塊的“搓拉”作用；同時增大墊塊與螺母本體間的摩擦系數，消除墊塊與螺母本體間的位移，避免墊塊“搓拉”螺母，實現防松功能。

圖13 退耦螺母

對于增壓器與排氣歧管結合面的密封，基于增壓器的結構特點，變形量不是影響密封的主要因素；而由于散熱條件相對較差，在830℃的排氣溫度作用下，增壓器法蘭的實際工作溫度往往高達650～680℃，這會使墊片及緊固件發生蠕變，導致壓縮回彈特性下降、預緊載荷松弛，從而產生泄漏。因此，解決蠕變問題是確保密封的關鍵。

D19柴油機增壓器墊片采用高鎳材質，在650℃的溫度下仍可保持穩定的機械性能[11]，同時設計翻邊結構，以防止墊片凸筋被壓潰，從而保證增壓器墊片具備足夠的壓縮回彈特性，如圖14所示。緊固件采用高溫性能優異的A286材質，即使在650℃的溫度下持續工作，仍能保證材料性能不會急劇衰退，從而保證預緊載荷，實現可靠密封。

圖14 增壓器墊片翻邊結構

4 試驗驗證

D19乘用車柴油機嚴格按照歐洲標準進行可靠性試驗，主要進行的臺架耐久試驗有熱沖擊及深度熱沖擊、600循環排氣歧管裂紋試驗、250 h高速試驗、450 h耐久試驗、1 000 h耐久試驗等。而搭載整車進行的道路耐久試驗有高速高負荷工況（DS44）、普通道路工況（NRD）、綜合耐久工況（G5+）及16萬公里的歐洲車載診斷系統（EOBD）試驗等。采用上述密封設計后，臺架試驗根本上杜絕了“漏水”、“漏油”等問題。受限于排氣歧管與增壓器接合法蘭的剛度問題，在3 000循環排氣歧管裂紋試驗后，排氣歧管與增壓器接合處還存在著輕微的漏氣（參見表1，等級4），而在整車上未發現上述問題，“三漏”問題得以徹底解決。

5 結論

通過采用先進的密封技術，徹底解決了D19乘用車柴油機的“三漏”問題，并通過了嚴苛的歐洲工況整車耐久試驗，達到了歐洲上市的品質要求。同時，D19柴油機的密封系統設計經驗對其它發動機的開發具有一定的借鑒意義。

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TheDesign of Sealing System of the D19 Passenger Diesel Engine

Wang Qian,Xing Dongshi,Gao Mingjie,Zhu Yibiao,Li Yimin
（SAIC Group Co.,Ltd.,Technical Center,Shanghai 201206,China）

More than one third incidents were the leakage problem during the D19 passenger vehicle diesel engine development.This paper describes the design of the sealing system of the D19 passenger vehicle diesel engine.Advanced sealing technology package such as"harmonic"bead cylinder head gasket, Press-in-place rubber seal,Metal-Elastomer Gasket,PTFE oil seal,high nickel gasket and decoupling nut were applied to meet the durability of the European market and reasonable evaluation criteria were also formulated.The bench and vehicle tests showed that the leakage problems were fixed perfectly.

passenger vehicle diesel engine,evaluation criteria,seal,design

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.001

來稿日期：2013-10-10

王乾（1977-），男，工程師，主要研究方向為發動機設計開發。