柴油機(jī)缸墊沖蝕問題的分析與改進(jìn)

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(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 引言

近幾年，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好，汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，日常代步、方便快捷、性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)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(fù)雜路面的通過性、惡劣環(huán)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(shè)計(jì)制造一款結(jié)實(shí)耐用的越野車，既要滿足城市SUV的舒適性、又要具備強(qiáng)悍的越野能力變得極其重要。柴油發(fā)動機(jī)低速高扭的特點(diǎn)使得搭載越野車具備明顯競爭優(yōu)勢。

本文作者通過對某品牌國V柴油越野車出現(xiàn)的缸墊沖蝕問題進(jìn)行分析，對設(shè)計(jì)、加工、裝配等環(huán)節(jié)進(jìn)行排查，運(yùn)用建模分析、發(fā)動機(jī)臺架驗(yàn)證等方法，最終確定故障原因，為后期同平臺其他機(jī)型的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 故障描述

2017年5月，針對某品牌同一款國V四缸柴油發(fā)動機(jī)，售后市場反饋多起水溫高問題，拆解發(fā)動機(jī)確認(rèn)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(yùn)用多維度分析手段，對故障發(fā)生的地域、時間、溫度、發(fā)動機(jī)生產(chǎn)日期、維修日期、車輛行駛里程、缸墊加工過程等維度進(jìn)行分析，確認(rèn)故障地點(diǎn)多為較高海拔或高緯度地區(qū)，反饋月份溫度20 ℃左右，其他方面無規(guī)律性。

將故障發(fā)動機(jī)拆解檢測，確認(rèn)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(dǎo)致缸墊線壓力不足問題。

檢測墊片材質(zhì)、殘余筋高、缸體缸蓋平面度、水套等均未發(fā)現(xiàn)異常。

通過上述排查，確認(rèn)發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件的加工、裝配無異常，故重點(diǎn)對該款機(jī)型缸墊的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行排查。根據(jù)FEA分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此款缸墊在設(shè)計(jì)時缸間位置的線壓力最小，此款發(fā)動機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。

圖2 線壓力分析結(jié)果

此款發(fā)動機(jī)為高性能柴油機(jī)，設(shè)計(jì)的最高爆發(fā)壓力(以下簡稱爆壓)為19 MPa，但是實(shí)際標(biāo)定為18.5 MPa，余量較小。初步分析缸墊沖蝕與發(fā)動機(jī)的高爆壓、缸墊本身線壓力不足有關(guān)。

2.2 故障復(fù)現(xiàn)

根據(jù)以上分析結(jié)果，隨機(jī)抽取一臺商品機(jī)進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)，測試其萬有特性，發(fā)動機(jī)最高爆壓為18.35 MPa@1 400 r/min 2 MPa，其他工況均在18 MPa之內(nèi)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 臺架穩(wěn)態(tài)缸壓云圖

臺架測試發(fā)動機(jī)缸壓在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，沒有出現(xiàn)超限值的情況，故安排車輛在轉(zhuǎn)轂臺架進(jìn)行測試，在不同負(fù)荷下進(jìn)行急加速、急減速測試，在急減速工況下(保持負(fù)荷不變，100%油門，調(diào)節(jié)坡度大小，監(jiān)控發(fā)動機(jī)缸壓)，發(fā)動機(jī)1 400 r/min、70%負(fù)荷下缸壓超出限值5%。

在發(fā)動機(jī)臺架上模擬急減速工況，爆壓沖擊試驗(yàn)見圖4以及表1，表中工況三到四、四到五、五到六轉(zhuǎn)換時間在5 s以內(nèi)完成，工況二循環(huán)2次，其中轉(zhuǎn)速Nb時負(fù)荷要變化以達(dá)到最大爆壓工況，每循環(huán)歷時6 min，共計(jì)2 500個循環(huán)，歷時250 h，水壓上漲，拆解后確認(rèn)缸墊沖蝕，故障復(fù)現(xiàn)。

圖4 爆壓沖擊試驗(yàn)規(guī)范示意

工況轉(zhuǎn)速負(fù)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(fù)荷自然升溫90s循環(huán)2次三Np100%(112±2)℃Tp四怠速0自然升溫10s五停機(jī)0自然升溫10s六Np0(36±2)℃(360-30-90-10-10-Tp)s

注：Tp為發(fā)動機(jī)自然升溫到規(guī)定水溫的時間；Nb為達(dá)到最大爆壓時的某一轉(zhuǎn)速；Np為發(fā)動機(jī)達(dá)到最大功率轉(zhuǎn)速；工況一、二如果Nb+1 000 r/min超過發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速，則直接設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速。

3 方案制定及效果驗(yàn)證

3.1 ECU控制策略優(yōu)化

柴油發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)已經(jīng)量產(chǎn)，發(fā)動機(jī)的功率扭矩等性能指標(biāo)不能變動，所以只能在滿足排放法規(guī)的要求下適當(dāng)推遲噴油提前角。根據(jù)圖4的測試規(guī)范，標(biāo)定發(fā)動機(jī)瞬態(tài)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(yàn)驗(yàn)證

修改已量產(chǎn)的發(fā)動機(jī)電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于重新標(biāo)定發(fā)動機(jī)，對試驗(yàn)設(shè)備、發(fā)動機(jī)外附件、邊界條件控制、傳感器布置等按照重新標(biāo)定發(fā)動機(jī)的要求執(zhí)行。根據(jù)理論分析，推遲噴油提前角發(fā)動機(jī)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(diǎn)對比數(shù)據(jù)更改前后的煙度(使用濾紙煙度計(jì))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(shè)計(jì)要求，但是最低燃油消耗率的區(qū)域變小，油耗成惡化趨勢，故需要進(jìn)行新標(biāo)歐洲循環(huán)測試(New European Driving Cycle，NEDC)排放試驗(yàn)和全球統(tǒng)一輕型車輛排放測試規(guī)程(World Light Vehicle Test Procedure，WLTP)循環(huán)累碳試驗(yàn)。測試時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min至4 000 r/min，負(fù)荷從0%至100%，共計(jì)收集140組數(shù)據(jù)，臺架煙度對比如圖6所示， NEDC排放測試結(jié)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(shù)據(jù)-原數(shù)據(jù))-0.0176-0.00610.0569.6

WLTP累碳試驗(yàn)在整車轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行，采用機(jī)器人駕駛車輛，操作過程中的變化點(diǎn)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(jù)以上測試結(jié)果，對比臺架煙度、NEDC排放、WLTP累碳試驗(yàn)的再生里程間隔，變化較小，確認(rèn)更改后的數(shù)據(jù)有效且無其他方面影響。

4 結(jié)論及建議

(1)此款發(fā)動機(jī)的缸墊批量沖蝕問題原因是發(fā)動機(jī)瞬態(tài)缸壓超限值，爆發(fā)壓力超出缸墊密封筋的承壓極限，致使發(fā)動機(jī)缸間竄氣，導(dǎo)致車輛溢水壺“冒氣泡”、發(fā)動機(jī)“冒白煙”等問題發(fā)生。

(2)缸墊是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，在設(shè)計(jì)的時候應(yīng)當(dāng)留足夠的安全系數(shù)。目前設(shè)計(jì)的缸墊，將發(fā)動機(jī)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(qiáng)度，具體如圖7所示。

圖7 缸間密封筋合并后設(shè)計(jì)示意

(3)該問題故障復(fù)現(xiàn)的工況已列入企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于考核缸墊。

(4)發(fā)動機(jī)標(biāo)定階段，應(yīng)當(dāng)測試發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)缸壓，避免超限值。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，按照最新的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)考核缸墊對高爆壓的適應(yīng)性。

(5)發(fā)動機(jī)瞬態(tài)缸壓的檢測方法：找到穩(wěn)態(tài)時缸壓最高的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，在該轉(zhuǎn)速點(diǎn)調(diào)節(jié)油門至100%，然后調(diào)節(jié)負(fù)荷，從10%升至100%，時間設(shè)定20、15、10、5 s 4個區(qū)間，過程中監(jiān)控缸壓值。