發(fā)動機三結合面密封技術改進

邢正雙，張兆明，邢東仕，秦鳳蓮（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

發(fā)動機三結合面密封技術改進

邢正雙，張兆明，邢東仕，秦鳳蓮
（上海汽車集團股份有限公司/上海市汽車動力總成重點實驗室，上海201804）

某研發(fā)階段的四缸柴油機在臺架試驗過程中，發(fā)現(xiàn)排氣側缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結合面發(fā)生滲漏機油現(xiàn)象。經分析，原因為鏈條室罩蓋墊片的材料及結構設計、密封膠的使用都不能很好地滿足三結合面處的密封性要求，因此對墊片及密封膠進行改進，最終解決了三結合面滲漏機油的問題。

發(fā)動機三結合面密封技術滲漏

1 前言

發(fā)動機的密封技術要充分考慮高溫、高壓、高爆發(fā)率、高功率以及潤滑油、燃油、冷卻液等各種復雜介質的物理和化學性能。同時，發(fā)動機設計向輕量化、體積小、功率大和環(huán)保型方向的發(fā)展，導致密封面狹小、異型及螺栓壓緊力不能加大，這也給密封技術和密封材料提出了更高的要求。因此要解決整個發(fā)動機的密封技術，必須了解發(fā)動機的密封部件、螺栓扭矩和密封面的形狀分布以及面壓、溫度和介質的情況，再根據不同的面壓、溫度、壓力和介質來設計密封材料的抗拉強度、壓縮回彈率、蠕變率，耐各種介質性能，分析密封材料自身的化學成分與發(fā)動機內的化學成分的相互作用關系[1]。

2 發(fā)動機平面用密封材料介紹

發(fā)動機密封件根據不同方式，可以分為不同種類。對于要求密封的介質，不同發(fā)動機密封件可以分為油封、水密封、氣密封和多種介質密封（如氣缸墊）；根據密封件材質的不同，發(fā)動機密封件可以分為金屬密封件、非金屬密封件和復合密封件。本文主要對非金屬密封件材料作簡單介紹。

（1）紙板密封墊片：紙板密封墊片一般以普通工業(yè)紙板替代，其優(yōu)點是成本低、可回收利用、強度高、不易損壞，缺點是只有壓縮率，回彈率極小，壓緊后螺栓扭矩衰減嚴重，并有纖維性滲漏問題，且不耐水和油，在發(fā)動機上已基本被淘汰。

（2）橡膠密封圈：橡膠密封圈一般采用合成橡膠經模壓而成的密封圈，材料一般為硅橡膠或氟橡膠。主要應用于發(fā)動機的阻水圈，其優(yōu)點是壓縮性好，強度和變形性好，缺點是壓縮變形太大。硅橡膠耐油性和耐冷卻液差，而氟橡膠則價格太高。

（3）耐油石棉橡膠板：耐油石棉橡膠板是利用輥壓法，以石棉纖維為主體，以丁腈丁苯、天然橡膠等為黏合劑，經攪拌、輥壓、成張、硫化而成，是一種較為廣泛應用的密封材料。優(yōu)點是致密性好、密度大、壓縮率低、回彈率高、抗拉強度較高，能適用于較為復雜的高溫、高壓和螺栓扭緊力特別大的化工管道法蘭、閥門、泵連接處的密封；缺點是壓縮率小、密度大，在發(fā)動機螺栓扭緊力低、面壓小、密封面精度不足的部位無法均勻壓緊，存在漏油的可能性較大，材料的本身密度大，成本相應增加。另外，石棉中的大量氯、鎂離子和不耐酸的缺陷，會對發(fā)動機機體有侵蝕，墊片切口的石棉毛刺，經油沖刷掉渣，導致潤滑件磨損，而且石棉是公認的致癌物，已被大多數(shù)發(fā)動機廠家限制使用。

（4）無石棉纖維乳膠抄取板：無石棉纖維乳膠抄取板是一種環(huán)保型高性能密封材料，是以經過改性的植物纖維、無機纖維、硅酸鹽礦物填料為主體，以合成乳膠為彈性黏合劑，經打漿、抄取、干燥、加壓、硫化而取得。主要優(yōu)點是抗拉強度高，達到和超過300號耐油石棉橡膠板的抗拉指標，密度低、壓縮率大、回彈率高，經膠種調節(jié)，可分為膨脹型、耐油型、耐水型幾個品種，產品可以采用有機硅材料浸漬、表涂、絲印等處理，使其性能更可靠、成本適中、無污染環(huán)境問題；缺點是耐溫性不高，只能在250℃范圍內使用，耐氣密性差，不適用于無液體介質處的密封。該種材料具有成本低、性能優(yōu)良和環(huán)保無污染的優(yōu)點，在國外已經大量地使用在汽車密封件上。

（5）無石棉耐油橡膠板：無石棉耐油橡膠板是根據石棉纖維制造橡膠板的原理，主要是以合成纖維和無機礦物纖維替代石棉纖維，以硅酸鹽類粉狀礦物為填料，以合成橡膠、天然橡膠為彈性黏合劑，經煉膠、開松、混料、熱軋、硫化成型的一種新型密封材料。優(yōu)點是有良好的強度和回彈性，致密性和氣密性好于石棉基，墊片蠕變率低，耐水、油、汽介質性能好，最高溫度可達到300℃，一般用于螺栓扭矩大、面壓較高且分布均勻的密封面，是良好的環(huán)保型材料。缺點是纖維含量少、材質手感硬脆、抗拉強度不高、壓縮率較低、工藝復雜、成本較高。該材料是耐油石棉橡膠板的替代材料。

（6）橡膠軟木板：橡膠軟木板是特種樹木的皮內層材料，經粉碎與橡膠混合壓鑄或輥壓而成。優(yōu)點是極高的壓縮性，能滿足螺栓分布不均勻、密封面極不平整和面壓很低的部位密封。缺點是厚度大、變形大、回彈率低、耐溫性差，墊片受壓、受熱后厚度損失大，耐久性差，導致螺栓極易松動而漏油，逐步被其它材料取代。

3 實例分析與解決方案

發(fā)動機缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結合面由于結構特殊，對密封技術要求更高。如果密封不好，很容易造成機油泄漏，直接影響發(fā)動機性能。同時滲漏的機油滴到其它零部件上，會影響其它零部件的正常工作。例如機油滴到發(fā)動機多楔帶上，多楔帶會打滑，同時其使用壽命也會受到影響。

某研發(fā)階段四缸柴油機（主要參數(shù)見表1）在臺架試驗過程中，發(fā)現(xiàn)排氣側缸蓋、缸體、鏈條室罩蓋三結合面處滲漏機油現(xiàn)象頻繁，耐久試驗中滲漏現(xiàn)象尤其嚴重，如圖1所示。在發(fā)動機拆機過程中，發(fā)現(xiàn)鏈條室罩蓋螺栓扭矩衰減嚴重。

在裝配鏈條室罩蓋時，首先在三結合面處涂密封膠，然后裝配鏈條罩蓋墊片，最后裝配鏈條室罩蓋并擰緊螺栓。經分析，造成三結合面處機油滲漏的原因主要有以下幾個因素。

（1）該發(fā)動機鏈條室罩蓋墊片采用無石棉耐油橡膠板材料。無石棉耐油橡膠板一般用于螺栓扭矩大、面壓較高且分布均勻的密封面。其缺點是纖維含量少、材質手感硬脆、抗拉強度不高、壓縮率較低、工藝復雜等。而該發(fā)動機鏈條室罩蓋螺栓的擰緊扭矩較小，且該發(fā)動機缸蓋與缸體裝配在一起后，缸體較缸蓋前端面伸出量不同，鏈條室罩蓋墊片裝上后，形成區(qū)域A，如圖2所示。雖然在區(qū)域A作涂膠處理，但當鏈條室罩蓋螺栓擰緊后，鏈條室罩蓋墊片由于壓縮率較低，以及試驗過程中產生蠕變，再加上發(fā)動機運行過程中螺栓扭矩衰減嚴重，最終導致此處密封失效，機油從區(qū)域A處發(fā)生泄漏。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖1 三結合面處機油滲漏情況

圖2 缸蓋、缸體前端伸出量示意圖

（2）鏈條室罩蓋墊片內外側分別涂有密封線，在裝配發(fā)動機時，三結合處按要求涂密封膠。在發(fā)動機試驗過程中，右側密封膠不能對墊片產生支撐作用，導致左側區(qū)域B處的面壓偏小，最終發(fā)生側漏，如圖3所示。

（3）三結合面處所涂密封膠黏附力差。在試驗過程中，由于發(fā)動機振動及機油不斷沖擊，再加上高溫及受力不均等因素影響，密封膠與墊片、缸蓋、缸體脫離，機油從膠與墊片、缸體、缸蓋間的縫隙處滲漏。

圖3 三結合面涂膠示意圖

（4）鏈條室罩蓋墊片強度低，由于受密封膠擠壓，受力不均，在密封線處容易被壓潰，從而導致密封失效，如圖4所示。

圖4 鏈條室罩蓋墊片壓潰示意圖

（5）鏈條室罩蓋與缸蓋在三結合面處的重合寬度太小，其它三結合面處寬度為13mm，而此處只有8mm，從而造成密封面過小，最終導致密封效果不理想。

3.1 解決方案

經過分析，借鑒其它發(fā)動機密封技術，對發(fā)動機墊片及密封膠作如下改進及驗證。

圖5 鏈條室罩蓋三結合面密封改進對比

（1）將鏈條室罩蓋墊片由無石棉耐油橡膠板材料改為金屬加橡膠包邊結構墊片，見圖5。該結構墊片優(yōu)點為：①金屬墊片比橡膠板剛度好，螺栓擰緊后，螺栓扭矩衰減明顯減輕，從而可以保證足夠的面壓；②三結合面處橡膠墊部分與該處所涂密封膠間彈性接觸且多重密封，這樣就大大加強了三結合面處的密封性，圖5b中箭頭所指為機油滲漏方向；③所用墊片為金屬骨架支撐加橡膠包邊結構，金屬骨架厚度可以保證橡膠壓縮率，同時保護橡膠不被壓潰；④由于有金屬骨架支撐，使整個平面面壓比較均勻，不存在左側密封壓力低的問題。

圖6 耐久試驗后三結合面無機油滲漏跡象

（2）由于原密封膠在高溫、機油等環(huán)境中的黏附力及密封性不理想，將所涂密封膠替換為樂泰5900膠。試驗結果表明，樂泰5900膠結合力強于原密封膠，且凝固后彈性遠遠好于原密封膠，因此密封效果優(yōu)于原密封膠。

對鏈條室罩蓋墊片結構及密封膠進行改進后，在發(fā)動機的各種臺架試驗過程中，三結合面處的滲漏問題得到解決。圖6為發(fā)動機經過1 000 h耐久試驗后，該三結合面處未發(fā)生機油滲漏現(xiàn)象。

4 結論

汽車密封材料是汽車發(fā)動機的關鍵材料，也是要求最苛刻的材料，發(fā)動機的密封性能是評價汽車質量的一個重要指標。汽車運行中發(fā)動機工作介質的泄漏，直接影響汽車發(fā)動機的工況，從而使汽車整體性能下降。由于密封不良，泄漏介質會對環(huán)境造成一定的污染，同時環(huán)境中的塵、泥、水侵入發(fā)動機，也會使零件過早磨損而報廢[2]。因此，對汽車發(fā)動機的密封技術和密封材料的研究是一項非常重要而有意義的工作。

[1]施中堂.發(fā)動機密封技術與密封材料研究[J].內燃機，2004（4）.

[2]周宇飛，楊彬.汽車發(fā)動機密封技術和密封材料的應用[J].汽車工藝與材料，2004（12）.

ImprovementofEngine Three Binding Surface Sealing Technology

Xing Zhengshuang,Zhang Zhaom ing,Xing Dongshi,Qin Fenglian
（SAICGroup Co.,Ltd,Technicalcenter/ShanghaiAutomotive Powertrain Key Laboratory, Shanghai201804,China）

Oil leakage from cylinder,block and chain cover binding surface on the four-cylinder engine which is in developmental stages often happen when the engine is in the process of bench test.By analysis,we found that themain reasons for the oil leakage were design defects,material of gasket and sealantcan notsatisfy the sealing requirement.The solution is to change the structure ofgasketandmodelof sealant.The improvementeffectively solved theoil leakage.

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10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.003

來稿日期：2016-06-21基金項目：上海市科學技術委員會（14DZ2260600）

邢正雙（1982-），男，工程師，碩士，主要研究方向為發(fā)動機試制工藝。