轻卡发动机散热器溢水故障解析

杨建伟

在轻卡车辆使用过程中，发动机散热器溢水故障算是一种较为常见的故障模式，造成这种故障的原因也不尽相同，如不及时而正确的加以处置，可能会带来发动机重大的损毁，甚至造成重大的车辆事故。因此，如何准确对发动机散热器溢水故障进行鉴别诊断并快速处置，成为处置该故障模式较为棘手的问题。

鉴于目前国内轻卡多采用柴油发动机动力，本文以轻卡柴油机为例进行散热器溢水故障模式解析。

1 溢水故障及其危害

所谓发动机散热器溢水，是指轻卡车辆在怠速状态或正常工作过程中，出现从散热器加水孔或膨胀水箱(副水箱)加水口的通气管往外大量“翻水”、同时伴有大量气泡外溢的现象。出现散热器溢水故障后，将会快速消耗发动机冷却系冷却液，从而造成燃烧室不能及时得到有效冷却而过热，导致发动机不能正常工作，甚至出现损毁等严重故障。

发动机散热器出现溢水故障，将会带来以下方面危害：

(1)冷却液大量损失，发动机冷却能力急速下降，发动机出现过热；

(2)燃烧室燃气泄漏，发动机动力性明显下降；

(3)燃烧室内进入冷却液，损害发动机活塞、气门等零部件；

(4)发动机出现拉缸、拉瓦、抱死等严重故障；

因此在发现散热器出现溢水现象或水温表指示灯异常点亮时，应及时使发动机停止运转，分析溢水故障原因并正确加以处置，从而将发动机或车辆损失降为最低。

2 溢水故障模式分析

2.1 加油门出现溢水

当启动发动机或加大油门提高发动机转速时，不管散热器水温高或低，膨胀水箱加水口均有冷却液溢出，同时也可能伴有大量气体喷出。出现这种现象的主要原因是冲缸垫(湿式缸套)或缸套、缸盖有较大的砂眼或裂纹。这是由于发动机在工作过程中，燃烧室内的压缩空气或燃气的压力大于冷却水道内冷却液的压力，这些气体会通过缸垫冲坏处或缸套、缸盖较大的砂眼或裂纹处压入发动机水道内，迫使发动机水道内的冷却液从散热器膨胀水箱加注口往外溢出或喷出。同时，此故障产生后可能还会出现发动机起动困难或无法起动、发动机抖动、动力下降、排气管喷水或冒白烟等现象。

该故障模式的检测可采取断缸法，即分别断开各缸高压油管或高压共轨单体泵的电磁阀，观察发动机工作时散热器膨胀水箱加注口溢水现象，判断是具体哪一缸出现问题。当断到某一缸时，膨胀水箱加注口溢水量明显减小或完全消失时，则可判定该缸出现冲缸垫或缸套、缸盖有较大的砂眼或裂纹。图1为因缸盖砂眼而造成膨胀箱压力盖溢水的实物。

图1 因砂眼造成膨胀箱压力盖溢水的缸盖

2.2 收油门出现溢水

2.2.1 发动机冷却液无气泡溢水

在发动机起动后，不论冷却液温度高或低，加油门时膨胀水箱加注口不往外溢水，而收油门时则从加注口处往外溢出。出现这种情况的原因有:

(1)散热器上水室或气缸盖至膨胀水箱的通气管堵塞或不畅通。

这是由于加油门发动机高速运转时，水泵在高转速下工作，此时缸盖内部、发动机出水管及散热器上水室内冷却液的压力很大，而散热器芯部散热管内、下水室及水泵进水管内的冷却液均处于负压状态，散热器散热管内的冷却液在快速地往下水室流动，如突然松开油门或停机，水泵工作效率急速降低甚至或停止工作，此时缸盖、发动机出水管、散热器上水室内的冷却液压力仍然比较大，在这些部位，较大压力的冷却液会按照原来的流动方向继续运行，如果散热器上水室或气缸盖至膨胀水箱的通气管堵塞或不畅通的话，由于高压及惯性的作用，散热器上水室的冷却液快速往水箱下水室流动，造成下水室及其出水管内冷却液的压力迅速提高，高压的作用使得冷却液沿着膨胀水箱进水管快速反向涌入膨胀水箱内，从而造成膨胀水箱溢水或大量喷水。

(2)膨胀水箱压力盖损坏、开启压力过低。

正常的情况下，标准大气压下零海拔时水的沸点为100 ℃，而在水温超过80 ℃时液体内部已经开始产生气泡，海拔越高水的沸点就越低，液体内产生气泡的温度也会随着海拔的升高而降低。目前使用的内燃机工作时的正常水温一般为70～90 ℃，为了使内燃机能够正常工作，设计人员设计了多种开启压力的膨胀水箱压力盖，以提高冷却液在散热器内沸点的温度，便于在各种环境下使用。如果膨胀水箱压力盖已经损坏或使用开启压力偏低，则压力盖处容易出现溢水或喷水现象。图2 为正常工作的膨胀箱压力盖，图3 为已经失效的膨胀箱压力盖。

图2 开启压力为0.11 MPa 的压力盖

图3 失效的膨胀箱压力盖

(3)膨胀水箱位置过低。

目前，发动机的冷却系统均为闭式的，在闭式冷却系统中，冷却液初始是常温的，随着发动机工作时间延长或负荷的增大，冷却液要受热膨胀，而冷却系统内的总容积是不会改变的，这些膨胀出来的冷却液就要有存放空间，这就是设计膨胀水箱的原因。如果膨胀水箱安装位置低于冷却系统内的散热器及水管的高度，冷却液就会从膨胀水箱中溢出，造成冷却系统内混入空气，从而影响冷却循环效果。

这是由于水蒸气混在水中无法分离，膨胀水箱压力盖的阀门虽然能调节冷却系统的压力，但在调节过程中会放掉部分水蒸气，冷却时又会吸进一部分空气。冷却系中的空气、水蒸汽和水一起循环，会使冷却能力下降，水泵的泵水量降低，造成冷却系内压力不稳定和冷却液的不断消耗，同时还可能导致冷却液浓度升高而腐蚀发动机部件。所以，在散热器、发动机体上部容易积存空气和水蒸汽的地方引出气管与膨胀水箱上部相连，将散热器、缸盖上部空气和水蒸汽引导至膨胀水箱内。在这里，水蒸汽会冷凝为水，后又可通过补充水管进入散热器，从而使水泵进水口处保持较高的水压，增大了泵水量。而积存在膨胀水箱液面以上的空气，得到了冷却，不再受热膨胀，因而膨胀水箱变成了冷却系内压力上升的缓冲器和膨胀空间，使压力始终保持稳定状态。

在正常的情况下，膨胀水箱解决了水气分离和冷却液过快消耗的问题。一般情况下，膨胀水箱多用透明材料制成，也可用金属材料制成，位置应略高于散热器及缸盖上平面，这样可以十分直观的检查冷却液的消耗情况。图4 为膨胀水箱的合理布置状态。

图4 正常工作状态的膨胀水箱

2.2.2 发动机冷却液内有气泡溢水

在发动机启动后，散热器内部冷却液开始进行大循环时，膨胀水箱内部能观察到循环的冷却液中有气泡出现，随着发动机的持续运行或工作负荷增大，冷却液温度越来越高，膨胀水箱内的气泡越来越多，压力也越来越大，待膨胀箱内的压力大于压力盖弹簧预紧力时，压力盖内盖被打开，过高压力的气体及冷却液就会从膨胀箱加注口喷出。只要能找到这些气体的来源就可以找出故障的根源。

(1)空压机缸盖有砂眼、裂纹或冷却水管漏气。

断开并堵塞空压机进、回冷却水管，打开膨胀水箱压力盖，起动发动机让发动机怠速或加油门至中高速，观察加注口内冷却液的情况，如在同样的温度和转速下，散热器加水口内的冷却液内没有空气(气泡)出现，则原来冷却系内的空气(气泡)来自于空压机缸盖。此缸盖在气缸底部或压缩空气后气道内有砂眼或裂纹，由于空压机压缩空气时气体压力大于冷却系内冷却液的压力，压力差的作用把压缩空气从空压机缸盖的砂眼、裂纹处压入冷却系内，或是从空压机回水冷却管漏气处吸进外界空气压入冷却水道内，从而造成膨胀水箱压力盖溢水，反之，则空压机没有问题。原来断开的空压机进、回冷却水管暂时不要恢复。图5 为正常工作状态的空压机。

图5 正常工作状态的空压机

(2)暖风散热器有砂眼或暖风水管漏气。

在发动机机体上分别断开并堵塞暖风进、回水管，打开膨胀水箱压力盖，起动发动机让发动机怠速或加油门至中高速，如在同样的温度和转速下，散热器加水口内的冷却液内没有空气(气泡)出现，则原来冷却系内的空气(气泡)来自于暖风散热器或暖风水管。此暖风散热器或暖风水管有砂眼、裂纹、焊缝松脱故障，因为它们的内部在发动机工作时处于负压状态，环境空气的压力大于它们内部的压力，压力差的作用使得环境的空气进入暖风水管内，从而造成膨胀水箱压力盖溢水，反之，则暖风散热器或暖风水管没有问题。断开的暖风进、回水管暂时不要恢复。

(3)散热器或出水管漏气。

该故障排除需要拆下发动机水泵皮带，起动发动机，如在同样的温度和转速下，散热器加水口内的冷却液内没有空气(气泡)出现，则原来冷却系内的空气(气泡)来自于散热器、散热器出水管(即水泵进水管)的漏气。这是由于散热芯部散热排管砂眼、焊缝松脱或出水管道(水泵进水管)有漏气部位，该部位在水泵工作时处于负压状态，环境空气的压力大于该部位内部的压力，压力差的作用使得环境空气进入冷却水道内，从而造成膨胀水箱压力盖溢水，反之，则散热器或出水管没有问题。原来拆下的水泵皮带暂时不要恢复。图6 为出现砂眼的散热器。

图6 出现砂眼的散热器

(4)机体冲缸垫、缸套或缸盖有砂眼或裂纹。

首先起动已拆除水泵皮带的发动机，如在同样的温度和转速下，散热器加水口内的冷却液内有空气(气泡)出现，则这些空气(气泡)来自于发动机内部。如同上述，该故障的排除可以采取断缸法，即分别断开各缸高压油管或高压共轨单体泵的电磁阀，观察发动机工作时散热器膨胀水箱加注口溢水现象，判断是具体哪一缸出现问题。当断到某一缸时，膨胀水箱加注口溢水量明显减小或完全消失，则可判定该缸出现冲缸垫或缸套、缸盖有较大的砂眼或裂纹。图7 为第1 缸底部已经锈蚀的缸盖。

图7 第1 缸底部已经锈蚀的缸盖

3 防止和解决溢水问题的途径

综上所述，发动机散热器溢水故障是一个复杂的系统问题，占柴油机正常使用故障的30%以上，该故障的防止和解决涉及到方方面面的问题，因此，必须从柴油机的冷却系设计、机体装配、使用保养等多方面入手，才能有效解决问题，具体归纳起来，有如下方面：

3.1 合理设计发动机冷却系统

合理设计发动机散热器冷却系统，是有效解决散热器溢水问题的关键所在。在冷却系设计阶段，选取合适流量、扬程的水泵，适当尺寸的散热器及风扇，适合使用环境温度的膨胀箱压力盖以及优化设计的冷却水道等，使冷却液流向和流量分配合理、冷却容积得到最佳利用，避免采用可能引起局部过热、冷却液循环不畅的不正常设计结构。图8 为优化设计的发动机冷却系统图。

图8 优化设计的发动机冷却系统图

3.2 提升机体制造及装配精度

据不完全统计，加油门出现压力盖溢水的燃气80%以上是发动机缸盖与缸体之间泄漏的燃气。因此，提升及优化气缸垫的设计结构、材料以及制造工艺，将能有效保证气缸垫密封高温高压燃气及冷却液的作用。同时，提高缸盖、缸体的配合面加工精度及清洁度，提升缸体缸盖装配工艺精度，也是解决散热器溢水的一个行之有效的途径。图9 为某发动机复合材料气缸垫。

图9 复合气缸垫

3.3 良好的使用和保养

当前，各个主机厂在整车出厂时均配有使用保养手册，对散热器的使用及保养也有详细的要求，如必须使用规定牌号的长效防冻防锈冷却液，严格按保养周期进行加注或更换冷却液等，其一个很重要的原因就是防止散热器冷却水道内结垢或遭到腐蚀，从而影响冷却能力。

另一方面，在散热系及发动机机体例行保养中，如更换水泵、皮带或气缸垫等重要部件，一定要使用主机厂批准认可的正规零件，切勿使用劣质产品，从而造成散热系故障的早期发生。

事实证明，良好的使用和保养习惯，不仅能有效减少发动机散热系故障的发生，同时还能有效延长整机及整车的使用寿命。

4 结语

轻卡发动机散热器溢水故障是一种较为常见且严重的故障模式，其影响因素涉及面较广，分析和处理相对较为复杂，因此在处理该类故障时一定要仔细观察、认真分析、逐一排除。同时，优化冷却系设计、提升机体加工及装配精度、严格按照使用手册进行保养等，将是有效降低散热器溢水问题的有效途径。

(注：本文作者单位，东风汽车股份有限公司商品研发院。)