某乘用车柴油机水温高和溢水壶溢水问题的失效分析及解决措施

张　伟　段丽丽　左偲琦　赵国东　柴晓娜（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某乘用车柴油机水温高和溢水壶溢水问题的失效分析及解决措施

张伟1，2段丽丽1，2左偲琦1，2赵国东1，2柴晓娜1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

乘用车用某四缸涡轮增压柴油机在试验过程中出现气缸盖裂纹问题。为解决此问题，首先对裂纹形态进行分析，进而对可能造成裂纹的原因逐一排查，再通过仿真分析、对标分析、试验验证等方法对问题真因进行确认。结果表明：气缸盖整体刚度低及局部结构薄弱导致裂纹处疲劳安全系数低为裂纹产生的原因。针对气缸盖裂纹问题，制定了提高气缸盖整体结构刚度、优化局部结构强度的整更改措施。经过仿真分析和试验验证，确认整改措施可以有效避免气缸盖裂纹的发生。

柴油机溢水壶溢水水温高气缸盖垫片失效分析整改对策

引言

发动机的各组成系统从功能方面可以与人体的各器官的功能相对应，如发动机的冷却系统相当于人体的汗腺，发动机的温度相当于人体的体温，发动机水温高的后果就像人体发烧严重时会导致器官坏死一样，导致零部件或者整个系统的损坏，甚至是整个发动机的报废。因此若发动机出现水温高时，必须引起重视。本文针对国内某乘用车柴油机水温高的失效模式进行分析，查找到问题真因，从而制定有效对策。

1　发动机水温高问题描述

某柴油机搭载整车进行路试试验，在整车运行15 000 km后，低速大负荷工况出现水温报警器报警，发动机水温高的问题；停车确认发现溢水壶存在溢水现象如图1所示，待整车冷却后确认水箱，冷却液已不足，重新加满冷却液后，按原工况复试故障再次出现。

图1　溢水壶窜水图

2　发动机水温高和溢水壶溢水现象原因分析

根据图2所示的整车散热系统示意图和图3所示的水温高问题原因分析因果图，分析发动机水温高，溢水壶溢水原因［1-2］。

通过分析可知，导致发动机水温高主要原因有［3］：

1）整车冷却系统散热能力不足，或者散热管路堵塞，导致散热不良；

2）发动机本身密封不良，高温气体窜入冷却系统。

图2　整车散热系统示意图

图3　水温高问题原因分析因果图

2.1整车冷却系统排查

2.1.1整车冷却系统仿真计算

以发动机水泵流量性能曲线，各散热器、冷却器压损作为输入，对故障车辆整车散热系统进行CFD分析（如图4所示），模拟计算整车散热器及发动机各冷却器的冷却液流量，确认整个冷却系统的冷却液分配情况［4］。

结论：整车冷却系统各零部件流量分配合理，不存在死区，散热器冷却液流量占比81%，各零部件冷却液流量满足目标要求，不存在局部过热问题。发动机散热量需求为77 kW，实际计算发动机冷却系散热量79 kW。

2.1.2冷却系统各零部件排查

1）水温报警和电子风扇控制策略

水温在108℃时报警，电子扇：86℃低速开启，95℃高速开启，通过标定软件实际监测，水温报警温度及电子风扇开启无异常。

图4　整车冷却系统CFD分析结果

2）节温器

设计要求为76℃初开，88℃全开，全开升程8～12 mm。

故障车节温器单体试验：水温为76℃时阀门开启，水温为88℃时阀门升程为9.2 mm，合格。

3）发动机水泵

设计流量：270 L/min，扬程：160 kPa，故障车水泵实际流量为270.25 L/min，实际扬程为160.28 kPa，合格。

4）散热水箱

设计散热能力：4 m/s，40 L/min≥55 kW

8 m/s，100 L/min≥55 kW

故障车实测：57.5 kW（4 m/s），105.8 kW（8 m/s）。

对散热器加水测试管路无堵塞，更换散热器后故障仍然未消除。

5）冷却液加注口盖

冷却液加注口盖膜片阀开启压力设计要求≥0.11 MPa，检测故障车膜片阀开启压力0.122 MPa，合格。

2.1.3排查小结

通过上述排查可排除冷却系统零部件问题。但在排查过程中发现，溢水壶窜满水后，当故障车辆静止冷却后，溢水壶内冷却液并未被吸回冷却系统。

正常情况下冷却液溢入溢水壶的情况有以下两种情况：

1）当系统中产生气泡并聚集到一定程度时（压力＞0.11MPa），顶开水箱盖（系统最高点）溢入溢水壶；

2）系统中冷却液受热膨胀后，系统压力顶开水箱盖阀门，膨胀的冷却液通过管路进入溢水壶中；

但正常情况下，当系统冷却液冷却后，溢水壶中液体将会通过管路被吸回到整个大系统中。

故障车溢出的冷却液并未被吸回系统，分析原因为冷却系统中有气体窜入导致，因此排查发动机密封性。

2.2发动机本身异常排查

发动机本身主要针对高压燃气的密封件排查，拆卸发动机气缸盖，主要排查气缸盖总成、气缸盖垫片密封性，对缸盖螺栓力矩进行确认。

2.2.1气缸盖螺栓

气缸盖螺栓拆解力矩如表1所示。

表1　气缸盖螺栓拆解力矩N·m

不满足设计要求≥120 N·m的要求，存在异常。

2.2.2气缸盖总成

对故障车气缸盖总成进行试漏，设计要求水套泄漏量：0.4 MPa压力下，10 s内≤8 mL，实际测试压力：0.4 MPa，保压时间：1 min，泄漏量：5 mL，合格。

2.2.3气缸盖垫片

气缸盖垫片与缸体结合面1、2缸之间存在熏黑痕迹（如图5所示），疑似高压气体窜入气缸体与气缸盖垫片之间的水腔内，存在异常。

图5　气缸盖垫片疑似窜气部位

更换气缸盖垫片后复装原缸盖，更换新气缸盖螺栓，恢复整车继续试验，水温高问题未复现。

但运行3 800 km后再次出现水温高问题，并且拆卸气缸盖垫片确认发现同样在气缸盖垫片与气缸体结合面1、2缸之前存在熏黑痕迹，故障现象与之前相同。

2.3水温高真因锁定

综上分析整车水温高和溢水壶溢水问题原因可确定是因气缸盖垫片在1、2缸之间与气缸体密封失效导致高温、高压燃气窜入水道，导致水温升高和溢水壶溢水。

2.4气缸盖垫片失效真因分析

该柴油机为铸铝气缸盖、铸铁气缸体、12.9级螺栓，拧紧方法50 N·m+90°+120°、3.5层金属积层式垫片，气缸盖垫片缸口采用翻边结构。采用因果图对气缸盖窜气原因进行分析如图6所示。

通过分析，结合前期排查，气缸盖和气缸体的平面度和表面质量都没有异常，可排除气缸盖和气缸体的原因导致密封失效，因此对气缸盖垫片和气缸盖螺栓进行分析。

2.4.1气缸盖螺栓

测试10颗气缸盖螺栓按照50 N·m+90°+120°拧紧产生的轴向力，得到螺栓轴向夹紧力为87.4～95.08 kN，详细数据如表2所示。

图6　缸垫窜气原因分析因果图

表2　气缸盖螺栓轴向力测试kN

根据夹紧力计算螺栓覆盖系数CLR［5］：式中：FBolt为螺栓轴向夹紧力；Pmax为发动机最大爆发压力（18 MPa）；Acyl为气缸孔面积（mm2）。

计算得到螺栓覆盖系数为1.88，低于经验值2。

测试螺栓扭矩与转角曲线，可知螺栓按50 N· m+90°+120°工艺拧紧，尚未达到螺栓塑形变形区，在循环的爆发压力冲击下，气缸盖螺栓产生弹性变形，导致缸盖与缸体之间瞬时间隙，影响气缸盖垫片密封造成窜气。

2.4.2气缸盖垫片

通过气缸盖垫片的外观以及装配痕迹可确认气缸盖垫片本身无质量缺陷。

故障气缸垫进行面压试验，结果每缸之间高压纸线压力均较近气缸盖螺栓位置低，远小于经验值：108 MPa（6倍的最大爆发压力），因此可判定每缸之间的位置是气缸盖垫片密封最薄弱的位置，能够与故障现象对应。同时发现其他位置面压应力在经验值附近，安全系数偏低。

然而面压试验的中压纸结果却远大于经验值15 MPa。因此可说明气缸盖螺栓的螺栓力过多的分布在了中压密封位置，而对高压密封区的压紧力偏小。

对气缸盖垫片密封结构分析（如图7及表3所示），可以判断影响气缸盖螺栓力分布的因素。

图7　气缸盖垫片密封结构

表3　各层板厚度

故障状态气缸盖垫片的高压密封位置与中压密封位置的压缩厚度差为0.1 mm，经CAE耦合分析，气缸孔部位的高压密封压力约占总气缸盖螺栓力的65%～70%，中压密封压力约占19.5%～22%，其余为非密封位置承压［6］。而将压缩厚度差由0.1 mm增加0.02至0.12 mm，气缸孔部位的高压密封压力约占总气缸盖螺栓力提升至67%～73%，中压密封压力约占16%～19%。综上分析，气缸盖垫片的高压密封位置与中压密封位置的压缩厚度差偏小导致影响气缸盖螺栓力分布不合理的原因。

2.4.3气缸盖垫片失效真因

综上分析，气缸盖垫片密封失效的原因可以概括为以下两方面：

1）气缸盖螺栓拧紧力矩设计不合理，导致气缸盖螺栓轴向夹紧力偏小，影响气缸盖垫片密封。

2）气缸盖垫片的高压密封位置与中压密封位置的压缩厚度差偏小，中、低压密封压力分布不合理，影响最大爆发压力工况的密封。

因气缸盖垫片和气缸盖螺栓的设计不合理，最终导致高压气体窜入发动机冷却水套，使水温升高，溢水壶溢水。

3　整改措施及效果验证

3.1整改措施

综合分析过程及结果，针对存在异常的气缸盖螺栓和气缸盖垫片制定整改措施进行验证。

3.1.1气缸盖螺栓

优化拧紧工艺提升螺栓轴向夹紧力，将缸盖螺栓拧紧工艺在50 N·m+90°+120°基础上再拧紧60°进行实际验证；考虑拧紧公差共验证3种拧紧方案，确认扭矩及轴向夹紧力如表4所示。

表4　各拧紧方案扭矩及夹紧力

使用提升后最小轴向夹紧力计算缸盖螺栓覆盖系数，结果螺栓覆盖系数为2.02，大于经验值2。

通过分析，优化后的拧紧工艺在不同摩擦系数下均可以使螺栓达到非比例延伸0.2%，说明气缸盖螺栓已达到塑形变形区。

综上确认可知气缸盖螺栓拧紧工艺调整后，螺栓覆盖系数满足经验值要求，并且已经达到塑形变形区，符合产品性能要求。

3.1.2气缸盖垫片

通过减小中压密封位置中间垫板厚度，增加密封高、中压密封位置的压缩厚度差，可以在不改变气缸盖垫片整体压缩厚度的同时，改善气缸盖螺栓力的分布，因此选择将2#钢板的厚度由0.6±0.02减小到0.58±0.02方案，如表5所示。

表5调整后各层板厚度1#钢板厚度2#钢板厚度3#钢板厚度4#钢板厚度0.3±0.0180.58±0.020.2±0.0130.4±0.02

使高压密封位置与中压密封位置的压缩厚度差为0.12 mm，增加0.02 mm。增加气缸盖螺栓力在高压密封位置的分布。实际经过面压测试，整改前后状态如图8、图9所示。

图8　整改前状态面压试验结果

图9　整改后状态面压试验结果

更改后气缸盖垫片中压密封位置压力明显较更改前降低，高压密封压力由113MPa提升至131MPa。

3.2效果试验验证

按照优化后的气缸盖螺栓拧紧工艺，使用新状态气缸盖垫片装配发动机，按照前期故障工况进行整车可靠性试验，完成60 000 km整车路试试验未出现水温高，溢水壶溢水问题，整车可靠性试验通过（如图10所示）。

图10　整车可靠性气缸盖垫片状态确认

4　结论

通过上述验证可以证明，气缸盖螺栓拧紧工艺不合理，气缸盖垫片断差高度设计不合理是导致整车水温高，溢水壶溢水问题的根本原因，气缸盖螺栓的拧紧角度增加，气缸盖垫片的压缩厚度差增加两种方案并行实施后，同工况验证故障未复现，问题得到彻底解决。

5　结束语

合理应用质量工具可显著提升问题分析效率，应用因果分析图可直观地分析出产生失效的强相关因子，从而能够做到有的放矢的排查确认，确保问题分析的全面性。

面对复杂的系统性问题，针对不同模块的不同功能分成各个小系统排查，如将整车水温高问题分成整车冷却系统和发动机密封系统两个方向，可明显降低排查分析难度，更容易明确进一步的分析方向。

1陈家瑞.汽车构造［M］.北京：人民交通出版社，2006

2孙丽丽，章敏.质量工具在汽车设计开发中的集成应用［J］.上海汽车，2013（8）：50-53

3孙模师，胡建立，刘洪德，等.L系列柴油机冲气缸垫故障的原因分析及解决［J］.内燃机动力装置，2006（6）：51-53

4黄荣华，王光文，成晓北，等.车用柴油机冷却系统的优化试验及模拟分析［C］.2007年APC联合学术年会论文集，北京，2007

5何联格.柴油机关键件螺栓连接组合结构非线性力学特性研究［D］.北京：北京理工大学，2015

6张燕燕.密封垫片的应力场分布影响因素及数值模拟［D］.昆明：昆明理工大学，2007

征稿启事

《小型内燃机与车辆技术》（双月刊）是由教育部主管，天津大学主办，天津内燃机研究所、天津摩托车技术中心承办的专业性学术期刊。主要刊发：小型内燃机技术研究与工程应用；小型内燃机应用车辆技术研究与工程应用；摩托车技术研究与应用；小型内燃机及应用车辆领域、摩托车及相关领域科学研究和生产实践中的新成果、新技术、新工艺、新材料，以及内燃机、地面车辆行业产品质量检测、检测仪器设备研制等。在栏目安排上，既有相关领域专家学者高水平的学术论文，又有来自行业科研生产一线科技工作者最新的实践应用和经验总结。

本刊为中国科技论文统计源期刊，中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊，万方数据——数字化期刊群收录期刊，中国期刊全文数据库全文收录期刊，《中国核心期刊（遴选）数据库》收录期刊，中文电子期刊服务数据库收录期刊，中国报刊订阅指南信息库收录期刊。

本刊读者对象：相关领域的专业技术人员，高等院校师生，科研院所、企事业单位的专业管理人员等。欢迎投稿、订阅、刊登广告。

《小型内燃机与车辆技术》国内统一连续出版物号为CN12-1440/TK，A4（大16K）开本，96页，每册定价10.00元，全年6期60.00元。本刊邮发代号：6-56，全国各地邮局均可订阅。

《小型内燃机与车辆技术》

编辑部

Failure Analysis and Corrective Actions of High Cooling Liquid Temperature and Water Overflow of Overflow Canteen of Diesel Engine for Passenger Car

Zhang Wei1，2，Duan Lili1，2，Zuo Siqi1，2，Zhao Guodong1，2，Chai Xiaona1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

This paper introduces a local diesel engine failure mode about cooling liquid temperature exceeding heat limit value（95℃），and water overflowing of overflow canteen.Using of quality tool cause and effect analysis diagram，analyzing direction is defined.Combing the failure phenomenon，checking the whole car cooling system and engine parts，finally it's targeted that the cylinder head gasket expiration is the main reason.Then effective measures for the expiring reason of the cylinder head gasket had been made，so the issues that water temperature exceeded heat limit value and water overflowing from overflow canteen were solved.

Diesel engine，Water overflowing of overflow canteen，Cooling liquid temperature，Cylinder head gasket，Failure analysis，Corrective actions

TK422

A

2095-8234（2016）04-0091-06

2016-05-05）

张伟（1989-），男，本科，主要研究方向为汽车发动机设计。