某柴油机气缸盖垫片密封失效故障分析及改进

李志勇，王春英，刘旺

1.内燃机可靠性国家重点试验室,山东潍坊 2610613;

2.潍柴动力股份有限公司发动机研究院，山东潍坊 261061

0 引言

气缸盖垫片位于气缸体和气缸盖之间，其功能是保证气缸体与气缸盖结合面的良好密封。气缸盖垫片密封失效，将导致漏气、漏水、漏油及油水混合等严重问题，因此必须保证气缸盖垫片密封良好。气缸盖垫片承受极高的交变机械负荷和热负荷，恶劣的使用条件对其设计及可靠性提出了更高的要求。

气缸盖垫片有分体式和整体式两种形式。分体式缸垫本体为金属骨架及一个个镶嵌的橡胶圈，缸口封气采用低碳钢板制成的圆环，圆环为平板、无压波、但厚度不同的一个系列，缸口密封为迷宫式密封[1]，如图1所示。该结构的垫片由于零部件较多，拆装比较繁琐，逐渐被整体式气缸盖垫片所取代。整体式气缸盖垫片的缸口封气、封水、封油的密封件做成一个整体结构，装配、维修比较便利，如图2所示。

柴油机气缸盖垫片受力状态比较复杂，一直处于高爆发压力、高温环境下，还需要满足密封可靠性，保证气缸盖垫片不漏气。本文中针对某大缸径柴油机耐久试验过程中出现的气缸盖垫片漏气故障，通过仿真分析和试验验证，系统分析缸盖垫片漏气产生的原因，提出改进建议，并对改进方案进行试验验证。

1 故障概况

某柴油机运行约117 h,一个缸的机体缸盖结合面出现漏水故障，对该气缸盖、气缸盖垫片进行拆检，发现气缸盖垫片水孔橡胶圈发生破裂，拆检故障缸垫照片见图3。更换新气缸盖垫片后，继续进行柴油机耐久试验。

耐久试验结束后，对所有拆机缸垫进行状态确认，发现另外两个缸缸垫的进气侧位置有异常，见图4。从拆检结果可以看出，柴油机发生漏水问题是由缸垫胶圈破裂导致。缸垫漏水位置缸口燃气密封带处有大量积碳，胶圈的破裂位置靠近燃烧室，可以推断胶圈破裂是由缸垫漏气导致。对缸盖进行排查，发现进气侧位置的气缸盖垫片密封带出现严重磨损。进一步查找原因，发现该部位的气缸盖与气缸体之间分离间隙过大，气缸盖、气缸盖垫片之间相对振动较大且相互摩擦导致密封面异常磨损。

针对出现的问题，从两方面对影响气缸盖垫片密封性能的因素进行分析：1)进行仿真计算，研究分析气缸盖抬升量和气缸垫片密封带接触面接触压力情况；2)研究气缸盖螺栓拧紧工艺对缸盖垫片密封性的影响。

2 仿真分析

2.1 气缸盖垫片抬升量

柴油机工作过程中，气缸内燃气爆发压力产生的移动量和热胀冷缩产生的变形量使得气缸体与气缸盖之间产生间隙，这个间隙称为气缸盖抬升量[2]。气缸盖垫片在发动机工作过程中反复压紧回弹，工作一定时间后，垫片不能回弹到原始高度，丧失密封性能。

通过ProE软件建立精确地缸盖-缸垫-机体-缸套一体化三维模型，基于Hypermesh有限元分析软件进行前处理网格划分，建立机体-缸套-缸垫-缸盖的接触属性，根据发动机运行状态施加准确的边界条件，通过ABAQUS求解器迭代计算得到气缸垫片抬升量。根据机体缸盖一体化仿真计算评估结果，该柴油机气缸盖及气缸体进气侧的两主螺栓之间部位刚度较差，柴油机缸内燃烧爆发的瞬间，缸盖在此位置抬升量比圆周方向其他位置大，最大抬升量达到14.3 μm，如图5所示。对故障机拆解并检查后发现，气缸盖垫片进气侧密封带存在严重磨损，并有燃气泄漏的痕迹，说明进气侧的抬升量偏大，这与仿真计算结果吻合。

2.2 气缸盖垫片冷、热态缸口位置面压

为保证气缸盖垫片的密封性能，气缸盖垫片密封带接触面的接触压力必须大于缸内最大燃气爆发压力[3]。根据气缸盖垫片接触压力仿真计算结果，按现有缸盖螺栓拧紧工艺预紧缸盖螺栓的条件下，气缸垫上接触压力分布不均匀，气缸盖垫片进气侧两主螺栓之间及排气侧两主螺栓之间接触压力都比较小，接触压力最小的区域对应的气缸密封性较差，而气缸盖垫片密封最差的位置出现在进气侧两主螺栓中间位置，该处接触压力比气缸其他位置都要低，且接触压力低于工况负荷下缸内最大燃气爆发压力，因此该部位存在密封失效发生燃气泄漏风险。

2.3 缸盖螺栓拧紧工艺对比

发动机气缸盖垫片主要通过缸盖螺栓提供的夹紧力实现密封功能，合理的螺栓预紧力对气缸盖垫片密封至关重要[4]。当气缸盖螺栓拧紧后，螺栓轴向力压缩气缸盖垫片密封带产生回弹力，回弹力的反作用力作用于气缸体和气缸盖上，该回弹力大于被密封的缸内燃烧气体压力，从而达到密封的效果。

对故障机气缸盖主、副螺栓拧紧状态下的轴力进行检测，结果如表1所示。

表1 某柴油机1000 h耐久试验主副螺栓衰减测量对比 mm

由表1可知，主螺栓衰减率比副螺栓要大，对气缸盖垫片进、排气侧两主螺栓之间位置密封性都有一定的影响，据此对气缸盖螺栓拧紧工艺进行排查分析发现，现有的缸盖螺栓拧紧工艺不够合理，最后两步拧紧都是对气缸盖副螺栓进行拧紧，造成缸盖主螺栓轴力的衰减，需要对拧紧工艺进行改进[5-6]。

3 改进方案

根据前述的气缸垫片密封性影响因素评估分析结果，发动机气缸盖垫片抬升量和气缸盖垫片密封带的密封力是影响气缸盖垫片密封性能的关键因素。因此，需要从减小气缸盖垫片抬升量和增加缸盖垫片密封带接触压力2个方面采取措施。

3.1 气缸盖和气缸体进气侧结构改进

机体缸盖进气侧刚度弱影响缸垫密封性能，是造成缸垫漏气的一个重要原因。根据仿真分析结果，改进进气侧位置气缸盖和气缸体结构模型，填充材料增大进气侧的刚度，从而减小气缸盖在高爆发压力下的抬升量，见图6、7。

改进后进行仿真计算，气缸盖最大抬升量减小至13.6 μm，如图8所示；接触压力则有一定程度的提高，缸口面压如图9～11(图中单位为MPa),缸孔密封带面压如图12所示。

3.2 缸盖螺栓拧紧工艺改进

合理的螺栓预紧力对气缸盖垫片密封至关重要，缸盖螺栓拧紧工艺对缸盖螺栓的轴力及缸盖垫片密封带接触压力都有较大影响[7-9]。根据仿真计算及实测对比的结果，对缸盖螺栓拧紧工艺进行优化调整，如图13所示，最后一步改为对主螺栓拧紧，保证主螺栓有足够的拧紧力。

表2 新旧缸盖螺栓拧紧工艺轴力对比 kN

对采用新螺栓拧紧工艺后的缸盖主螺栓的轴力进行检测，主螺栓轴力得到提升，见表2。在优化缸盖螺栓拧紧工艺前，气缸密封最差区域出现在气缸盖垫片进气侧两主螺栓中间位置，改进的缸盖螺栓拧紧工艺后气缸盖抬升量明显减小，缸口密封带接触压力也有提升，保证了气缸盖垫片进气侧位置的接触压力高于缸内最大燃气爆发压力，见图14、15。调整气缸盖螺栓拧紧工艺后，气缸盖垫片最小密封接触压力提高25%左右，气缸盖最大抬升量降低30%左右，气缸盖垫片密封性能明显提升，更好地满足柴油机气缸密封要求，预紧后的气缸密封最差区域密封效果良好，从根本上解决了气缸盖垫片部位密封失效的问题。

4 试验验证

全负荷耐久试验和热冲击试验可以分别在稳态和瞬态温度场下考核气缸盖垫片密封系统对燃气、机油和冷却液的密封能力及气缸体、气缸盖、缸盖螺栓等气缸盖垫片密封性能的影响。按改进后的方案改装发动机，分别进行1000 h全负荷耐久试验及3000次热冲击试验，试验结果均未发现任何泄漏及密封带部位异常磨损情况，改进方案有效。

5 结论

1)对气缸体、气缸盖刚度更改前后气缸盖抬升量、气缸盖垫片密封带接触压力仿真计算分析及试验检测得知，增加气缸体、气缸盖进气侧的刚度能够减小气缸盖抬升量。2)通过改进气缸盖主、副螺栓拧紧工艺可增加缸盖主螺栓拧紧轴力及密封带接触压力；结合改进工艺前后气缸盖抬升量对比分析可知，气缸盖螺栓拧紧工艺对气缸盖抬升产生较大影响。3)根据仿真分析及测试结果，对气缸盖、气缸体、气缸垫片等的结构进行了合理的设计改进，同时优化了气缸盖螺栓拧紧工艺，并通过仿真分析评估及耐久试验结果验证了改进方案措施的有效性。