发动机气缸垫密封失效分析及设计优化.pdf

摘要：针对某型号发动机在台架冷热冲击试验过程中气缸垫渗油的问题，通过对故障现象进行分析及对相关零部件进行排查，确认失效原因为气缸垫局部支撑结构强度不足。为此提出了气缸垫局部支撑结构优化措施，经过有限元分析及台架试验验证，解决了气缸垫渗油问题。此优化措施可为后续气缸垫设计开发提供参考。关键词：发动机气缸垫局部支撑有限元分析渗油中图分类号：TK412文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0047-05Seal Failure Analysis and Design Optimization of EngineCylinder Head GasketSUN Qixiang;LI Mengzhi;SUN Yadong;YU Shucui;XIAO Xiang;LIU YumingNingbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd.(Ningbo,Zhejiang,315336,China)Abstract：In order to solve the oil seepage problem of an engine cylinder head gasket during thermalshock test,through the analysis of the fault phenomenon and the investigation of relevant parts,it is con原firmed that the failure reason is the insufficient strength of the local support.For the problem,the opti原mization measures of local support structure of cylinder gasket are put forward.Through the finite elementanalysis and bench verification,the problem of cylinder gasket oil seepage is solved smoothly,and it pro原vides reference for the subsequent design and development of cylinder gasket.Keywords：Engine;Cylinder head gasket;Local support;Finite element analysis;Oil seepage problem作者简介：孙祺翔（1990-），男，硕士，主要研究方向为发动机零部件设计开发。发动机气缸垫密封失效分析及设计优化孙祺翔李萌之孙亚东余树翠肖翔刘玉铭（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波315336）引言汽油发动机气缸垫位于气缸体和气缸盖之间，靠多个高强度的气缸盖螺栓提供夹紧力，密封发动机燃烧室、高压油道、低压油道、冷却水通道和链轮箱等1。气缸垫在高温高压和脉冲负荷条件下工作，因其密封的流体（燃气、润滑油和冷却水）的物理性能和化学性能差别极大，使得其所处的环境极其恶劣2。随着发动机采用增压技术和向小型化方向推进，发动机气缸压力、气缸盖螺栓预紧力、气缸盖温度都相应提高3，对气缸垫的密封提出了更高的要求，导致发动机工作过程中常常产生密封失效问题。本文以某型号发动机气缸垫渗油问题为失效案例，经过系统排查，确认失效原因为气缸垫局部支撑结构强度不足。通过对气缸垫局部支撑结构进行优化，经过有限元分析，研究了不同气缸垫局部支撑高度对密封压力及气缸盖提升量的影响，确认了最优局部支撑高度，并通过了台架耐久试验。1问题背景某型号发动机在进行冷热冲击试验过程中，在发动机进气侧，气缸体与气缸盖的结合面发生了渗油问题。渗油失效如图 1 所示。小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023小型内燃机与车辆技术第 52 卷通过确认台架发动机状态及试验参数，发现试验过程及参数均无异常，排除了结合面以外其他零部件存在渗油问题。2问题排查与分析2.1渗油问题确认根据发动机进气侧气缸体与气缸盖的结合面出现渗油问题，为确认渗油位置，在发动机机油中加入显影剂，清理结合面渗油痕迹。继续运行发动机 1h，观察气缸体与气缸盖的结合面，发现相同位置渗油问题复现。通过荧光灯观察，渗油位置油迹存在荧光反应，确认该处气缸垫密封失效，存在渗油问题。如图 2 所示。2.2渗油问题排查2.2.1气缸垫排查针对故障发动机气缸垫渗油问题，对拆机过程进行了重点跟踪，发现在进气侧的回油道位置，气缸垫局部支撑存在较为明显的压痕，且压痕不连续，如图 3 所示。对故障发动机气缸垫局部支撑尺寸进行检测发现，耐久试验后，进气侧回油道位置，气缸垫局部支撑存在明显的变形，高度由 0.15 mm 降低至 0.1 mm，具体如图 4 所示。2.2.2气缸体排查对故障发动机试验前后气缸体顶面渗油位置的平面度、粗糙度、波纹度进行检测，检测结果见表 1。对故障机发动机气缸体的本体硬度、机械性能进行检测，检测结果见表 2。2.2.3气缸盖排查对故障发动机试验前后气缸盖底面渗油位置的平面度、粗糙度、波纹度进行检测，检测结果见表 3。对故障发动机气缸盖本体硬度、机械性能进行检测，检测结果见表 4。图 1渗油失效图 2渗油问题复现图 3故障发动机进气侧气缸垫局部支撑压痕图 4经过耐久试验气缸垫局部支撑高度变化0.160.140.120.100.080.060.040.020局部支撑的检测位置检测参数平面度RaRzRmaxWt要求臆0.03臆3.2臆15臆20臆10试验前0.0160.1762.6232.9531.834试验后0.0190.1792.3984.2344.717结论合格合格合格合格合格表 1气缸体顶面渗油位置的表面质量检测结果注：Ra 为测量轮廓的算术平均偏差，滋m；Rz为测量轮廓的最大高度，滋m；Rmax 为测量轮廓最高点与最低点的距离，滋m；Wt 为测量波纹轮廓的最大高度，滋m。滋m检测参数硬度/HBW抗拉强度/MPa屈服强度/MPa要求逸80逸180逸130检测结果110186153结论合格合格合格表 2气缸体本体硬度、机械性能的检测结果48第 4 期2.2.4气缸盖螺栓排查故障发动机气缸盖螺栓序号的对应位置如图 5所示。对故障发动机气缸盖螺栓装机、拆机力矩进行排查，排查结果见表 5。对故障发动机气缸盖螺栓的机械性能进行检测，检测结果见表 6。2.3排查结果总结通过对故障发动机相关零部件的排查分析，发现气缸体、气缸盖、气缸盖螺栓均无异常。经过对故障发动机气缸垫进行排查分析，发现气缸垫现有的局部支撑为半筋密封结构，筋宽伊筋高=1.2 mm 伊 0.15 mm，该尺寸在台架试验后存在明显的变形，筋高下降明显。在冷热冲击试验过程中，气缸垫局部支撑高度的降低加大了气缸体、气缸盖的相对变形量，大大降低了气缸垫局部支撑附近密封筋的抗疲劳能力，在较长时间的循环冲击负荷及热变形的双重作用下，导致气缸垫渗油失效。3优化及验证3.1优化方案对气缸垫局部支撑进行优化设计，由原先的条状支撑设计调整为点状支撑设计，目的是加强气缸垫局部支撑的强度，保证在冷热冲击试验过程中气缸垫局部支撑不变形。优化设计如图 6 所示。3.2CAE 分析为了保证气缸垫局部支撑对密封筋的密封压力和气缸盖提升量产生影响，对不同局部支撑高度的气缸垫进行有限元分析，以确认最优局部支撑高度。气缸垫局部支撑取样点示意图如图 7 所示。检测参数平面度RzRmaxWt要求臆0.05臆3臆5臆3试验前0.011.161.280.47试验后0.022.153.090.89结论合格合格合格合格表 3气缸盖底面渗油位置表面质量的检测结果表 4气缸盖本体硬度、机械性能的检测结果检测参数硬度/HBW抗拉强度/MPa屈服强度/MPa要求逸90逸250逸190检测结果95.1267204结论合格合格合格滋m图 5气缸盖螺栓位置序号示意图93168104257序号 要求力矩/（N m）装机力矩/（N m）拆机力矩/（N m）结论1501007880合格27970合格38075合格48175合格58070合格67990合格78280合格87965合格98475合格108565合格表 5气缸盖螺栓装机、拆机力矩排查结果表 6气缸盖螺栓机械性能的检测结果检测参数硬度/HRC抗拉强度/MPa屈服强度/MPa要求3944逸1 2201 1001 320检测结果41.11 2801 150结论合格合格合格图 6气缸垫点状局部支撑示意图图 7局部支撑优化位置取样点示意图排气侧h8h7h6孙祺翔等：发动机气缸垫密封失效分析及设计优化49小型内燃机与车辆技术第 52 卷图 8不同气缸垫局部支撑高度下密封筋的密封压力分析S，S11（Avg：75%）146.8120.0111.5103.094.586.077.569.060.552.043.535.026.518.09.51.0S，S11（Avg：75%）184.9120.0111.5103.094.586.077.569.060.552.043.535.026.518.09.51.0S，S11（Avg：75%）181.7120.0111.5103.094.586.077.569.060.552.043.535.026.518.09.51.0YXYXYX局部支撑高度=0.08 mm局部支撑高度=0.10 mm局部支撑高度=0.12 mm不同气缸垫局部支撑高度下密封筋的密封压力分析如图 8 所示。不同气缸垫局部支撑高度下，不同取样点密封筋的密封压力分析结果见表 7。不同气缸垫局部支撑高度下气缸盖提升量分析如图 9 所示。不同气缸垫局部支撑高度下，不同取样点气缸取样点h6h7h8局部支撑高度/mm0.081141131320.10113941240.1211288116表 7不同取样点密封压力分析结果MPa局部支撑高度=0.08 mm局部支撑高度=0.10 mm局部支撑高度=0.12 mm图 9不同气缸垫局部支撑高度下气缸盖提升量分析CG4，E11（AVG：75%）CG4，E11（AVG：75%）CG4，E11（AVG：75%）0.001 10.000 1-0.002 0-0.004 1-0.006 2-0.008 3-0.010 4-0.012 5-0.014 5-0.016 6-0.018 7-0.020 8-0.022 9-0.025 0-0.025 10.001 10.000 1-0.002 0-0.004 1-0.006 2-0.008 3-0.010 4-0.012 5-0.014 5-0.016 6-0.018 7-0.020 8-0.022 9-0.025 0-0.025 70.001 20.000 1-0.002 0-0.004 1-0.006 2-0.008 3-0.010 4-0.012 5-0.014 5-0.016 6-0.018 7-0.020 8-0.022 9-0.025 0-0.026 6YX排气侧YXYX排气侧排气侧2.5 滋m3.5 滋m2.0 滋m3.9 滋m2.0 滋m5.4 滋m盖提升量分析结果见表 8。基于 CAE 分析结果，在保证密封筋的密封压力情况下，选择较小的气缸盖提升量方案。综合评估以上有限元分析结果，优选局部支撑高度为 0.08 mm的方案。3.3试验验证结果气缸垫局部支撑优化后，进行台架冷热冲击验证试验。发动机拆机后点状支撑连续且清晰，如图 10所示。耐久试验后，进气侧回油道位置，气缸垫局部支取样点h6h7h8局部支撑高度/mm0.082.53.5/0.103.92.0/0.125.42.0/表 8不同取样点气缸盖提升量分析结果滋m图 10优化后气缸垫局部支撑压痕（下转第 56 页）50小型内燃机与车辆技术第 52 卷撑高度基本无变化，一致性良好，如图 11 所示。台架冷热冲击验证试验结果表明，气缸垫局部支撑优化措施有效。4结论本文的气缸垫局部支撑优化设计对降低气缸体和气缸盖的初始变形、降低变形较大位置的密封筋密封压力，改善密封筋疲劳性能都有积极作用。可以得出以下几点结论：1）气缸垫局部支撑设计需保证强度，只有足够的强度才能保证局部支撑的有效性及持久性，减小气缸体、气缸盖变形量及保护局部支撑附近的密封筋。2）通过有限元分析的方法，可以得出最优局部支撑高度，既能保证密封筋的密封压力，也能保证气缸盖提升量。参考文献1高越，胡斌.汽油发动机气缸垫失效原因分析及设计预防研究J.柴油机设计与制造，2021，27（1）：32-37.2王悦，曹权佐，张志斌，等.某发动机气缸垫密封性的仿真分析J.汽车实用技术，2020，45（23）：108-110.3苗文旱，刘振家，吴春卫，等.国五、国六阶段发动机金属气缸垫的设计J.汽车与新动力，2018（3）：93-96.（收稿日期：2021-10-11）1）相对于碳素钢 Q235，不锈钢 409 的材料强度更高、高温性能更好。在相同的工作状态下，碳素钢Q235 排气歧管的平均变形是不锈钢 409 排气歧管的 2.75 倍左右，所承受的平均热应力是不锈钢 409排气歧管的 1.23 倍左右。2）优化后的不锈钢 409 排气歧管有效减小了排气歧管工作过程中所承受的热应力，提高了排气歧管的工作稳定性。3）优化后的不锈钢 409 排气歧管，试验所测位置温度为 303.38377.49 K，平均温度为 340.43 K，由仿真计算得到的相应壁面平均温度为 348.85 K，试验结果与仿真计算结果基本相符。4）本文所设计的全包覆水冷不锈钢 409 排气歧管，在空载以及负载状态下都可以有效降低排气歧管的壁面温度。参考文献1蔡存朋，武斌，曹正林，等.发动机热机疲劳仿真用高温材料本构模型参数建立及优化技术J.汽车工艺与材料，2020（11）：1-6.2孟祥润.增压发动机排气歧管开裂问题分析与解决措施J.内燃机与配件，2017（9）：91-93.3刘伟.某重型柴油发动机排气歧管热负荷及振动性能研究D.大庆：东北石油大学，2019.4何常明，金华平.基于流固耦合方法排气歧管热机械疲劳分析J.现代车用动力，2018（3）：32-38.5郑习娇，陈吉清，兰凤崇，等.发动机排气歧管流固耦合热特性分析J.机械设计与制造工程，2017，46（12）：13-17.6Alphonse M,Kumar R.Investigation of heat dissipation in ex原haust manifold using computational fluid dynamics J.Inter原national Journal of Ambient Energy,2021,4 2(9):999-1004.7王梓宇.排气歧管隔热罩结构设计与温度场仿真分析研究D.成都：西南交通大学，2020.8袁泉，王晓艳，纪宏波，等.柴油机排气歧管热机疲劳失效仿真研究J.内燃机工程，2020，41（3）：87-92.9王业双.汽车发动机排气歧管材料、成形及其发展J.铸造技术，2018，39（1）：220-225.10 郭全领，赵新武.发动机排气歧管用铸铁材料工作温度J.现代铸铁，2011，31（Z2）：82-85.（收稿日期：2022-03-27）（上接第 50 页）图 11优化后经过耐久试验气缸垫局部支撑高度变化0.100.080.060.040.020局部支撑的检测位置56