发动机三结合面密封技术改进

邢正双，张兆明，邢东仕，秦凤莲（上海汽车集团股份有限公司/上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

发动机三结合面密封技术改进

邢正双，张兆明，邢东仕，秦凤莲
（上海汽车集团股份有限公司/上海市汽车动力总成重点实验室，上海201804）

某研发阶段的四缸柴油机在台架试验过程中，发现排气侧缸盖、缸体、链条室罩盖三结合面发生渗漏机油现象。经分析，原因为链条室罩盖垫片的材料及结构设计、密封胶的使用都不能很好地满足三结合面处的密封性要求，因此对垫片及密封胶进行改进，最终解决了三结合面渗漏机油的问题。

发动机三结合面密封技术渗漏

1 前言

发动机的密封技术要充分考虑高温、高压、高爆发率、高功率以及润滑油、燃油、冷却液等各种复杂介质的物理和化学性能。同时，发动机设计向轻量化、体积小、功率大和环保型方向的发展，导致密封面狭小、异型及螺栓压紧力不能加大，这也给密封技术和密封材料提出了更高的要求。因此要解决整个发动机的密封技术，必须了解发动机的密封部件、螺栓扭矩和密封面的形状分布以及面压、温度和介质的情况，再根据不同的面压、温度、压力和介质来设计密封材料的抗拉强度、压缩回弹率、蠕变率，耐各种介质性能，分析密封材料自身的化学成分与发动机内的化学成分的相互作用关系[1]。

2 发动机平面用密封材料介绍

发动机密封件根据不同方式，可以分为不同种类。对于要求密封的介质，不同发动机密封件可以分为油封、水密封、气密封和多种介质密封（如气缸垫）；根据密封件材质的不同，发动机密封件可以分为金属密封件、非金属密封件和复合密封件。本文主要对非金属密封件材料作简单介绍。

（1）纸板密封垫片：纸板密封垫片一般以普通工业纸板替代，其优点是成本低、可回收利用、强度高、不易损坏，缺点是只有压缩率，回弹率极小，压紧后螺栓扭矩衰减严重，并有纤维性渗漏问题，且不耐水和油，在发动机上已基本被淘汰。

（2）橡胶密封圈：橡胶密封圈一般采用合成橡胶经模压而成的密封圈，材料一般为硅橡胶或氟橡胶。主要应用于发动机的阻水圈，其优点是压缩性好，强度和变形性好，缺点是压缩变形太大。硅橡胶耐油性和耐冷却液差，而氟橡胶则价格太高。

（3）耐油石棉橡胶板：耐油石棉橡胶板是利用辊压法，以石棉纤维为主体，以丁腈丁苯、天然橡胶等为黏合剂，经搅拌、辊压、成张、硫化而成，是一种较为广泛应用的密封材料。优点是致密性好、密度大、压缩率低、回弹率高、抗拉强度较高，能适用于较为复杂的高温、高压和螺栓扭紧力特别大的化工管道法兰、阀门、泵连接处的密封；缺点是压缩率小、密度大，在发动机螺栓扭紧力低、面压小、密封面精度不足的部位无法均匀压紧，存在漏油的可能性较大，材料的本身密度大，成本相应增加。另外，石棉中的大量氯、镁离子和不耐酸的缺陷，会对发动机机体有侵蚀，垫片切口的石棉毛刺，经油冲刷掉渣，导致润滑件磨损，而且石棉是公认的致癌物，已被大多数发动机厂家限制使用。

（4）无石棉纤维乳胶抄取板：无石棉纤维乳胶抄取板是一种环保型高性能密封材料，是以经过改性的植物纤维、无机纤维、硅酸盐矿物填料为主体，以合成乳胶为弹性黏合剂，经打浆、抄取、干燥、加压、硫化而取得。主要优点是抗拉强度高，达到和超过300号耐油石棉橡胶板的抗拉指标，密度低、压缩率大、回弹率高，经胶种调节，可分为膨胀型、耐油型、耐水型几个品种，产品可以采用有机硅材料浸渍、表涂、丝印等处理，使其性能更可靠、成本适中、无污染环境问题；缺点是耐温性不高，只能在250℃范围内使用，耐气密性差，不适用于无液体介质处的密封。该种材料具有成本低、性能优良和环保无污染的优点，在国外已经大量地使用在汽车密封件上。

（5）无石棉耐油橡胶板：无石棉耐油橡胶板是根据石棉纤维制造橡胶板的原理，主要是以合成纤维和无机矿物纤维替代石棉纤维，以硅酸盐类粉状矿物为填料，以合成橡胶、天然橡胶为弹性黏合剂，经炼胶、开松、混料、热轧、硫化成型的一种新型密封材料。优点是有良好的强度和回弹性，致密性和气密性好于石棉基，垫片蠕变率低，耐水、油、汽介质性能好，最高温度可达到300℃，一般用于螺栓扭矩大、面压较高且分布均匀的密封面，是良好的环保型材料。缺点是纤维含量少、材质手感硬脆、抗拉强度不高、压缩率较低、工艺复杂、成本较高。该材料是耐油石棉橡胶板的替代材料。

（6）橡胶软木板：橡胶软木板是特种树木的皮内层材料，经粉碎与橡胶混合压铸或辊压而成。优点是极高的压缩性，能满足螺栓分布不均匀、密封面极不平整和面压很低的部位密封。缺点是厚度大、变形大、回弹率低、耐温性差，垫片受压、受热后厚度损失大，耐久性差，导致螺栓极易松动而漏油，逐步被其它材料取代。

3 实例分析与解决方案

发动机缸盖、缸体、链条室罩盖三结合面由于结构特殊，对密封技术要求更高。如果密封不好，很容易造成机油泄漏，直接影响发动机性能。同时渗漏的机油滴到其它零部件上，会影响其它零部件的正常工作。例如机油滴到发动机多楔带上，多楔带会打滑，同时其使用寿命也会受到影响。

某研发阶段四缸柴油机（主要参数见表1）在台架试验过程中，发现排气侧缸盖、缸体、链条室罩盖三结合面处渗漏机油现象频繁，耐久试验中渗漏现象尤其严重，如图1所示。在发动机拆机过程中，发现链条室罩盖螺栓扭矩衰减严重。

在装配链条室罩盖时，首先在三结合面处涂密封胶，然后装配链条罩盖垫片，最后装配链条室罩盖并拧紧螺栓。经分析，造成三结合面处机油渗漏的原因主要有以下几个因素。

（1）该发动机链条室罩盖垫片采用无石棉耐油橡胶板材料。无石棉耐油橡胶板一般用于螺栓扭矩大、面压较高且分布均匀的密封面。其缺点是纤维含量少、材质手感硬脆、抗拉强度不高、压缩率较低、工艺复杂等。而该发动机链条室罩盖螺栓的拧紧扭矩较小，且该发动机缸盖与缸体装配在一起后，缸体较缸盖前端面伸出量不同，链条室罩盖垫片装上后，形成区域A，如图2所示。虽然在区域A作涂胶处理，但当链条室罩盖螺栓拧紧后，链条室罩盖垫片由于压缩率较低，以及试验过程中产生蠕变，再加上发动机运行过程中螺栓扭矩衰减严重，最终导致此处密封失效，机油从区域A处发生泄漏。

表1 发动机主要参数

图1 三结合面处机油渗漏情况

图2 缸盖、缸体前端伸出量示意图

（2）链条室罩盖垫片内外侧分别涂有密封线，在装配发动机时，三结合处按要求涂密封胶。在发动机试验过程中，右侧密封胶不能对垫片产生支撑作用，导致左侧区域B处的面压偏小，最终发生侧漏，如图3所示。

（3）三结合面处所涂密封胶黏附力差。在试验过程中，由于发动机振动及机油不断冲击，再加上高温及受力不均等因素影响，密封胶与垫片、缸盖、缸体脱离，机油从胶与垫片、缸体、缸盖间的缝隙处渗漏。

图3 三结合面涂胶示意图

（4）链条室罩盖垫片强度低，由于受密封胶挤压，受力不均，在密封线处容易被压溃，从而导致密封失效，如图4所示。

图4 链条室罩盖垫片压溃示意图

（5）链条室罩盖与缸盖在三结合面处的重合宽度太小，其它三结合面处宽度为13mm，而此处只有8mm，从而造成密封面过小，最终导致密封效果不理想。

3.1 解决方案

经过分析，借鉴其它发动机密封技术，对发动机垫片及密封胶作如下改进及验证。

图5 链条室罩盖三结合面密封改进对比

（1）将链条室罩盖垫片由无石棉耐油橡胶板材料改为金属加橡胶包边结构垫片，见图5。该结构垫片优点为：①金属垫片比橡胶板刚度好，螺栓拧紧后，螺栓扭矩衰减明显减轻，从而可以保证足够的面压；②三结合面处橡胶垫部分与该处所涂密封胶间弹性接触且多重密封，这样就大大加强了三结合面处的密封性，图5b中箭头所指为机油渗漏方向；③所用垫片为金属骨架支撑加橡胶包边结构，金属骨架厚度可以保证橡胶压缩率，同时保护橡胶不被压溃；④由于有金属骨架支撑，使整个平面面压比较均匀，不存在左侧密封压力低的问题。

图6 耐久试验后三结合面无机油渗漏迹象

（2）由于原密封胶在高温、机油等环境中的黏附力及密封性不理想，将所涂密封胶替换为乐泰5900胶。试验结果表明，乐泰5900胶结合力强于原密封胶，且凝固后弹性远远好于原密封胶，因此密封效果优于原密封胶。

对链条室罩盖垫片结构及密封胶进行改进后，在发动机的各种台架试验过程中，三结合面处的渗漏问题得到解决。图6为发动机经过1 000 h耐久试验后，该三结合面处未发生机油渗漏现象。

4 结论

汽车密封材料是汽车发动机的关键材料，也是要求最苛刻的材料，发动机的密封性能是评价汽车质量的一个重要指标。汽车运行中发动机工作介质的泄漏，直接影响汽车发动机的工况，从而使汽车整体性能下降。由于密封不良，泄漏介质会对环境造成一定的污染，同时环境中的尘、泥、水侵入发动机，也会使零件过早磨损而报废[2]。因此，对汽车发动机的密封技术和密封材料的研究是一项非常重要而有意义的工作。

[1]施中堂.发动机密封技术与密封材料研究[J].内燃机，2004（4）.

[2]周宇飞，杨彬.汽车发动机密封技术和密封材料的应用[J].汽车工艺与材料，2004（12）.

ImprovementofEngine Three Binding Surface Sealing Technology

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaom ing,Xing Dongshi,Qin Fenglian
（SAICGroup Co.,Ltd,Technicalcenter/ShanghaiAutomotive Powertrain Key Laboratory, Shanghai201804,China）

Oil leakage from cylinder,block and chain cover binding surface on the four-cylinder engine which is in developmental stages often happen when the engine is in the process of bench test.By analysis,we found that themain reasons for the oil leakage were design defects,material of gasket and sealantcan notsatisfy the sealing requirement.The solution is to change the structure ofgasketandmodelof sealant.The improvementeffectively solved theoil leakage.

engine,three binding surface,sealing technology,leakage

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.003

来稿日期：2016-06-21基金项目：上海市科学技术委员会（14DZ2260600）

邢正双（1982-），男，工程师，硕士，主要研究方向为发动机试制工艺。