汽油发动机缸体主油道堵头漏油分析与诊断

何将庆，秦亮，廖长青

（宝鸡吉利发动机有限公司，陕西 宝鸡 721000）

1 前言

汽油发动机缸体主油道漏油是影响发动机性能和整车性能的重要问题之一。漏油会造成机油压力下降，过低的机油压力使得各润滑副之间不能形成有效的润滑油膜，加剧润滑副的磨损，严重的会导致曲轴、连杆轴瓦的烧结，发动机抱死、无法启动。汽车市场上频繁出现漏油事件，其中很多都是从主油道漏出的，如图1所示。

主油道漏油一般是堵头密封不良引起，汽油发动机主油道堵头密封形式主要有碗型塞、螺纹堵头和钢球三种，根据不同的工艺孔直径和油压选择合适的密封方式。主油道孔直径一般为10-20mm，从工艺和成本考虑，普遍采用碗型塞密封。但由于发动机工作条件恶劣，尤其是堵头所在缸体表面靠近排气歧管这个最大热源，温度变化很大，热胀冷缩严重，碗型塞压入工艺设计不好很容易导致漏油发生。

图1 主油道堵头漏油

本文深入分析了铝制缸体主油道碗型塞漏油路径形成的详细过程和原因，并提出了工艺改善对策，力求彻底解决主油道漏油问题。

2 失效模式分析

碗型塞密封原理如图2所示，通过堵头（铁制）和油道孔（铝制）的过盈配合外加厌氧型密封剂实现主油道密封。原理虽然简单，但由于压入好坏一般只能通过破坏检查判断，很难发现，一旦出现就是批量不良。

图2 碗型塞密封原理

密封不良的失效模式最常见的有4种：堵头压偏、堵头和油孔之间有贯通伤痕、密封剂涂布不良、堵头或缸体主油道孔尺寸不良。其中最主要、最难解决的是堵头压偏造成的失效，占比高达76%。本文主要对该失效模式进行解析。

2.1 堵头压偏原因分析

堵头正常压入油道孔时，两者轴线基本重合，堵头对整个主油道孔施以均匀地挤压力。由于堵头为铁制件，硬度相对铝制的油道孔高，压入时挤压力造成孔壁变形，形成有效密封。堵头挤压孔壁时会在孔壁上产生细小的刮痕，厌氧型密封剂会渗入其中保证密封，所以正常压入时不会有漏油发生。正常压入的过程如图3所示。

图3 堵头正常压入

正常压入形成的压痕如图4所示，孔壁压痕非常均匀。

图4 堵头正常压入形成的压痕

堵头压偏则有两种情况：第一种是堵头和主油道孔轴线平行但有较大偏移量（偏心压入），第二种是堵头和主油道孔轴线交叉（倾斜压入）。尽管各主机厂压入工艺和设备各有不同，但压偏的方式基本是这两种。下面详细分析两种情况下堵头压偏的失效过程，如图5、图6所示。

图5 偏芯压入

图6 倾斜压入

从以上两个过程不难看出：

（1）两个过程最终表现都是堵头偏斜入孔，使得原本堵头外圆和主油道孔壁形成的面密封变成点密封，密封性下降，造成漏油；

（2）倾斜压入是偏心压入的后期表现，更易造成漏油。

在发动机实际运转中，堵头与缸体结合处反复热胀冷缩，温差很大，漏油更容易产生。

堵头压偏形成的压痕如图7所示：

图7 堵头压偏形成的压痕

仔细分析图5压入过程，可以发现当存在偏心压入时，压入深度和密封性存在一定的关系。当下压初期的时候，堵头外圆和孔壁能保证正常的过盈配合，但到达一定的位置后，由于孔壁和压头的作用力，继续下压可能造成堵头变形，过盈量变小，密封性变差。简言之，压入深度并非越深越好，压入过深，导致过盈量变小、密封性变差的可能性也增大。

由公式：

式中：

e－过盈量

Pf / S－结合面压入力

Df－结合直径

Ea－弹性模量

Ca－堵头与孔的尺寸参数，可查表。

可知，过盈量e与压入力Pf成正比，而压入力越大，拔出力相应越大，所以拔出力与过盈量正相关，过盈量越大，密封性越好。

图8的实验曲线验证了压入深度与拔出力的关系。从该图可以看出，压入深度为 1.7mm的拔出力较压入深度为0.7mm的拔出力低了 100N。也就是说，压入深度大小与密封性成反比，表1为压入深度与拔出力列表。

图8 压入深度与拔出力的试验分布（N=5）

表1 压入深度与拔出力列表

为了更有效地验证这一判断，我们设计了加速冷热试验，对压入深度和整机漏油的关系进行实机确认。图9为试验结果：

图9 压入深度与漏油循环数（N=3）

试验条件如下：

图10 试验条件

由图9可知，压入深度为0.2mm工件在20个冷热循环后才开始渗漏，压入深度为1.7mm的工件在3个冷热循环后即开始渗漏。

通过以上分析，堵头压偏导致漏油的原因有2点：

（1）工艺设计上，压入深度过大，堵头和主油道孔壁容易造成较大变形，产生压偏；

（2）压入设备上，经常有堵头和主油道孔轴线不重合，出现偏心或倾斜的状态。

2.2 堵头压偏对策

为了能预防和早期发现压偏现象，提出以下改善对策：

（1）工艺设计时，在保证压入设备工序能力的基础上，尽可能减小压入深度，以便最大限度吸收压入设备偏心或倾斜带来的影响。压入深度下限设到0.2mm即可；

（2）对压入设备进行良品条件管理，定期校正，保证堵头和主油道孔在同一轴线上压入；

（3）压入设备追加报警装置，当出现压偏不良后，设备能及时报警并停止。由于堵头压偏后会对过盈量产生影响，可根据理论过盈量设置设备的高、低压报警。

3 结论

通过变更工艺规格和改善制造压入设备，形成了堵头压入工序的良品条件，解决了主机厂一直存在的主油道漏油问题。