某款发动机平衡轴顶盖单向阀窜油问题分析及改进

汤守哲，陈丽霞，胡广

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336）

0 引言

发动机在燃烧过程中，曲轴箱内会产生油气，油气需要通过油气分离装置进行排出，在排出过程中需要对油和气进行分离，避免造成烧机油和排放不达标问题。在油气流动过程中，单向阀扮演重要的角色，本文对单向阀失效进行分析和改进。

1 问题描述

某款发动机在台架耐久试验过程中出现2例平衡轴顶盖窜油问题：1）问题一，台架1000 h耐久试验，运行12.5 h后，试验员发现平衡轴顶盖单向阀处存在窜油现象，如图1所示；2）问题二，台架800 h耐久试验，平衡轴顶盖存在窜油现象，在5500 r/min（100 N·m）工况下运行3 min，窜油量最大为30 g，如图2所示。

图1 1000 h耐久试验窜油故障现象

图2 800 h耐久试验窜油故障现象

2 原因分析

2.1 单向阀原理分析

发动机运转过程中曲轴箱内的油气通过平衡轴顶盖（如图3）中的单向阀排出发动机，保证曲轴箱压力平衡。小负荷情况下，空滤后→平衡轴顶盖补气阀→曲轴箱，大负荷情况下：补气阀封死[3]。

图3 平衡轴顶盖

单向阀主要结构为阀座和膜片，单向阀通过膜片与阀座的间隙控制对油气进行流通，如图4所示。

图4 单向阀结构

结合单向阀的工作原理及产品结构对单窜油问题失效原因进行分析。

2.2 台架1000 h耐久问题一

1）对发动机试验过程中的曲轴箱压力map图进行分析，确定该窜油工况主要集中在4500～5500 r/min（0.9～1.1 MPa）。

2）单向阀两侧压差异常（可能空滤堵塞、曲压异常）。通过对空滤进行检测，空滤内部清洁，无异物进入及堵塞等问题，曲轴箱压力正常，无严重压差问题。

3）补气管漏气。对补气管外观进行确认，无裂纹、气孔等本体缺陷，通过对管路施加0.1 MPa的气压进行试漏，保压能力好，补气管本体无泄漏问题。

4）单向阀处存在异物。单向阀进行通气验证，正向通气，气体可正常通过，反向通气，气体截留，无法通过，说明单向阀内部无堵塞问题。

5）单向阀膜片未装配。对单向阀拆卸，单向阀膜片等分体零部件齐全，无漏装零部件。

6）零部件尺寸排查。对阀座直径、单向阀膜片尺寸、单向阀膜片行程及阀座与膜片配合尺寸进行排查检测，尺寸检测满足图样要求，无尺寸超差问题。

7）阀座密封面表面质量。对表面是否存在气孔、裂纹等质量缺陷进行排查，无明显缺陷。

8）单向阀拆解检测。通过对膜片进行目视观察，发现膜片内圆失圆，通过放大镜观察发现膜片内圆存在凹陷形状，内圆存在磨损，如图5所示。

图5 故障件膜片内圆失圆

对膜片外圆进行观察，发现膜片外圆存在注塑缺陷，缺陷表现为尖角结构，确认为注塑飞边，如图6所示，飞边大小为0.2 mm×0.6 mm。

图6 故障件阀片外圆飞边

小结：单向阀膜片周边存在飞边，在开关过程中飞边与阀体干涉，导致膜片关闭困难，造成膜片内圆偏磨失圆，膜片常开，单向阀失效，导致单向阀窜油问题。

2.3 台架800 h耐久问题二

1）对发动机试验过程中的曲轴箱压力map图进行分析，确定该窜油工况主要集中在1500 r/min以上转速的0.9～1.1 MPa，部分点外特性也出现窜油，窜油区域相对前期扩大[4]。

2）单向阀两侧压差异常。通过对空滤进行检测，空滤内部清洁，无异物进入及堵塞等问题，曲轴箱压力正常，无严重压差问题。

3）补气管漏气。对补气管外观进行确认，无裂纹、气孔等本体缺陷，通过对管路施加0.1 MPa的气压进行试漏，保压能力好，补气管本体无泄漏问题。

4）单向阀处存在异物。对单向阀进行通气验证，正向通气，气体可正常通过，反向通气，气体截留，无法通过，说明单向阀内部无堵塞问题。

5）单向阀膜片未装配。对单向阀拆卸，单向阀膜片等分体零部件齐全，无漏装零部件。

6）零部件尺寸排查。对阀座直径、单向阀膜片尺寸、单向阀膜片行程及阀座与膜片配合尺寸进行排查检测，尺寸检测满足图样要求，无尺寸超差问题。

7）膜片和阀座密封面表面质量。对表面是否存在气孔、飞边及裂纹等质量缺陷进行排查，无明细缺陷。

8）故障件拆解排查。发现膜片内圆与阀座外圆存在接触，经过放大镜观察发现膜片与阀座有干涉情况，如图7、图8所示。

图7 膜片与阀座干涉图

图8 干涉部位放大图

拆卸不窜油的单向阀，对膜片与阀座之间的配合进行对比分析，膜片与单向阀不干涉，间隙实测为0.05 mm，如图9所示。

图9 膜片与阀座间隙图

9）零部件尺寸排查。选取失效件和合格件进行对比分析，对膜片和阀座尺寸件检测，检测结果如表1所示，经过对比发现，2个单向阀的膜片圆柱度存在较大差异。

表1 检测数据

小结：膜片与阀座间隙在运行的过程中，由于膜片圆柱度超差，膜片重力原因，存在膜片与阀座干涉，关闭困难，造成窜油问题[2]。

2.4 结构分析

单向阀结构如图4所示，膜片和阀座之间无有效支撑，且膜片在整机状态为竖直状态，在重力作用下产生径向微变形，不利于膜片关闭，存在失效的隐患[1]。

结论：1）问题一，单向阀膜片周边存在飞边，在开关过程中飞边与阀体干涉，导致膜片关闭困难，导致单向阀窜油问题。2）问题二，由于膜片圆柱度超差，导致膜片与阀座干涉，在运行的过程中间隙不足，导致膜片关闭困难，造成窜油问题。3）膜片在整机状态为竖直状态，膜片和阀座之间无有效支撑，膜片因重力存在变形、膜片与阀座干涉问题导致膜片关闭困难。

3 整改对策

1）方案一：将膜片工艺由注胶改为冲压，保证膜片尺寸及公差，避免飞边产生。

2）方案二：对膜片圆柱度进行100%投影监控，保证膜片尺寸合格。

3）方案三：结构优化。优化单向阀结构，在膜片和阀座之间增加弹簧，如图10所示，实现自密封，避免出现窜油问题。

图10 更改后单向阀结构

4 效果验证

1）方案一：整改后样件进行台架窜油试验，共计验证55台发动机，均未出现窜油问题。

2）方案二+方案三：优化后样件台架试验验证，完成补气试验、窜油试验及单向阀耐久试验，均无异常，方案通过。

5 结语

通过以上分析和整改，针对单向阀窜油问题，首先应先将单向阀的原理搞清楚，再结合故障现象进行分析，对主要结构膜片进行制造质量和尺寸分析，确定由于膜片与阀座干涉导致膜片关闭不到位，采取膜片的制造质量，采用提高膜片密封能力的方案对窜油问题进行整改。