柴油機缸墊沖蝕問題的分析與改進

劉方，劉俊士，高原,梁振濤，徐書慧

(長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定 071000)

0 引言

近幾年，我國經濟持續向好，汽車工業蓬勃發展，日常代步、方便快捷、性價比高、經濟性好等已不能滿足用戶對車輛的需求，用戶購車時考慮更多的是車輛針對復雜路面的通過性、惡劣環境中的舒適性、極端工況下的可靠性。針對特殊用戶、特殊用途需設計制造一款結實耐用的越野車，既要滿足城市SUV的舒適性、又要具備強悍的越野能力變得極其重要。柴油發動機低速高扭的特點使得搭載越野車具備明顯競爭優勢。

本文作者通過對某品牌國V柴油越野車出現的缸墊沖蝕問題進行分析，對設計、加工、裝配等環節進行排查，運用建模分析、發動機臺架驗證等方法，最終確定故障原因，為后期同平臺其他機型的開發奠定基礎。

1 故障描述

2017年5月，針對某品牌同一款國V四缸柴油發動機，售后市場反饋多起水溫高問題，拆解發動機確認缸蓋墊片不同程度沖蝕，失效模式為缸間竄氣，沖蝕位置在一、二缸之間，二、三缸之間，三、四缸之間，如圖1所示。

圖1 缸墊沖蝕位置

2 故障原因分析

2.1 排查過程

運用多維度分析手段，對故障發生的地域、時間、溫度、發動機生產日期、維修日期、車輛行駛里程、缸墊加工過程等維度進行分析，確認故障地點多為較高海拔或高緯度地區，反饋月份溫度20 ℃左右，其他方面無規律性。

將故障發動機拆解檢測，確認螺栓拆解力矩均大于120 N·m，滿足要求，排除螺栓力矩或者螺栓軸力衰減導致缸墊線壓力不足問題。

檢測墊片材質、殘余筋高、缸體缸蓋平面度、水套等均未發現異常。

通過上述排查，確認發動機相關零部件的加工、裝配無異常，故重點對該款機型缸墊的設計過程進行排查。根據FEA分析結果，發現此款缸墊在設計時缸間位置的線壓力最小，此款發動機最大爆壓19 MPa,需要缸墊的最低線壓力為95 MPa(5倍爆壓)，通過FEA分析，該缸墊的最小線壓力約95 MPa(見圖2)，接近最低線壓力要求，存在失效風險。

圖2 線壓力分析結果

此款發動機為高性能柴油機，設計的最高爆發壓力(以下簡稱爆壓)為19 MPa，但是實際標定為18.5 MPa，余量較小。初步分析缸墊沖蝕與發動機的高爆壓、缸墊本身線壓力不足有關。

2.2 故障復現

根據以上分析結果，隨機抽取一臺商品機進行發動機性能試驗，測試其萬有特性，發動機最高爆壓為18.35 MPa@1 400 r/min 2 MPa，其他工況均在18 MPa之內，結果如圖3所示。

圖3 臺架穩態缸壓云圖

臺架測試發動機缸壓在設計范圍之內，沒有出現超限值的情況，故安排車輛在轉轂臺架進行測試，在不同負荷下進行急加速、急減速測試，在急減速工況下(保持負荷不變，100%油門，調節坡度大小，監控發動機缸壓)，發動機1 400 r/min、70%負荷下缸壓超出限值5%。

在發動機臺架上模擬急減速工況，爆壓沖擊試驗見圖4以及表1，表中工況三到四、四到五、五到六轉換時間在5 s以內完成，工況二循環2次，其中轉速Nb時負荷要變化以達到最大爆壓工況，每循環歷時6 min，共計2 500個循環，歷時250 h，水壓上漲，拆解后確認缸墊沖蝕，故障復現。

圖4 爆壓沖擊試驗規范示意

工況轉速負荷冷卻液出水溫度工況時間備注一怠速～Nb+1000100%自然升溫30s二Nb+1000～Nb變負荷自然升溫90s循環2次三Np100%(112±2)℃Tp四怠速0自然升溫10s五停機0自然升溫10s六Np0(36±2)℃(360-30-90-10-10-Tp)s

注：Tp為發動機自然升溫到規定水溫的時間；Nb為達到最大爆壓時的某一轉速；Np為發動機達到最大功率轉速；工況一、二如果Nb+1 000 r/min超過發動機額定轉速，則直接設定為額定轉速。

3 方案制定及效果驗證

3.1 ECU控制策略優化

柴油發動機降低缸壓的方法有兩種：推遲噴油提前角和減少噴油量。由于此款發動機已經量產，發動機的功率扭矩等性能指標不能變動，所以只能在滿足排放法規的要求下適當推遲噴油提前角。根據圖4的測試規范，標定發動機瞬態缸壓在18 MPa以下。修改后的噴油提前角MAP圖如圖5所示。

圖5 修改后的噴油提前角MAP

3.2 試驗驗證

修改已量產的發動機電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)數據，相當于重新標定發動機，對試驗設備、發動機外附件、邊界條件控制、傳感器布置等按照重新標定發動機的要求執行。根據理論分析，推遲噴油提前角發動機排放的顆粒物增多，油耗增多。所以首先安排臺架原排測試，重點對比數據更改前后的煙度(使用濾紙煙度計)和燃油消耗率，臺架原排煙度變化較小，燃油消耗率能滿足設計要求，但是最低燃油消耗率的區域變小，油耗成惡化趨勢，故需要進行新標歐洲循環測試(New European Driving Cycle，NEDC)排放試驗和全球統一輕型車輛排放測試規程(World Light Vehicle Test Procedure，WLTP)循環累碳試驗。測試時，發動機轉速從1 000 r/min至4 000 r/min，負荷從0%至100%，共計收集140組數據，臺架煙度對比如圖6所示， NEDC排放測試結果見表2。

圖6 臺架煙度對比

整車原排(無DPF)CO/(g·km-1)NOx/(g·km-1)油耗/(L·10-2km-1)PM/(mg·km-1)變化量(新數據-原數據)-0.0176-0.00610.0569.6

WLTP累碳試驗在整車轉轂上進行，采用機器人駕駛車輛，操作過程中的變化點較小，1 000 km的平均再生里程如表3所示。

表3 1 000 km的平均再生里程

根據以上測試結果，對比臺架煙度、NEDC排放、WLTP累碳試驗的再生里程間隔，變化較小，確認更改后的數據有效且無其他方面影響。

4 結論及建議

(1)此款發動機的缸墊批量沖蝕問題原因是發動機瞬態缸壓超限值，爆發壓力超出缸墊密封筋的承壓極限，致使發動機缸間竄氣，導致車輛溢水壺“冒氣泡”、發動機“冒白煙”等問題發生。

(2)缸墊是發動機的關鍵零部件，在設計的時候應當留足夠的安全系數。目前設計的缸墊，將發動機缸間的2根密封筋合并成1根且筋高可變，增加線壓力同時又增加疲勞強度，具體如圖7所示。

圖7 缸間密封筋合并后設計示意

(3)該問題故障復現的工況已列入企業標準，用于考核缸墊。

(4)發動機標定階段，應當測試發動機的瞬態缸壓，避免超限值。在設計驗證階段，按照最新的企業標準重點考核缸墊對高爆壓的適應性。

(5)發動機瞬態缸壓的檢測方法：找到穩態時缸壓最高的轉速點，在該轉速點調節油門至100%，然后調節負荷，從10%升至100%，時間設定20、15、10、5 s 4個區間，過程中監控缸壓值。