某三缸汽油机出现油水混合原因分析

某三缸汽油机在进行冷热冲击试验时出现油水混合的问题，本文通过对可能引起油水混合的原因进行排查，并利用CFD软件对水套内流场和温度场进行分析，发现二、三缸之间气缸垫理论上水量偏小，气缸体水套的铸造误差又堵塞了一部分上水孔，使得实际的上水孔比理论上水量更小，最终导致了气缸盖变形，造成油水混合。通过优化上水孔面积，并合理移动上水孔位置，排除气缸体水套铸造误差引起上水套堵塞的风险。加大各缸之间水流量后，解决了气缸盖散热不足的问题，从数据分析上和实际试验中都满足要求。

1 前言

某三缸发动机在冷热冲击试验进行到78小时时出现油水混合的问题，拆解后发现气缸垫冲蚀，如图1所示。更换一个新的缸盖和气缸垫后56小时后又出现油水混合。

2 问题排查

引起气缸体和气缸盖结合面处出现油水混合的原因是此处的密封出现的问题，而组成气缸体和气缸盖结合面处密封的要素有：气缸垫、气缸盖、气缸体、气缸盖螺栓等。

气缸垫试验前经过详细检测，不存在质量问题；试验后虽然有明显冲蚀，但可能是由其他因素造成的。气缸体顶面平面度、气缸体材质等均符合设计要求。气缸盖螺栓不存在松脱现象；对试验后的气缸盖螺栓的螺距进行测量，气缸盖螺栓不存在拉长现象，排除气缸盖螺栓质量问题。对气缸盖材质和硬度等进行检测，符合设计要求。

3.3.2 换热分析

由于对流换热系数与流速成正比，因此对流换热系数和流速都可以用来描述水套的换热状况。为了满足冷却要求，水套关键区域的流速及对流换热系数需要达到一定的标准。根据经验，缸体水套上止点区域的流速需达到0.5m/s以上，且总体上应该是上大下小；缸间、缸盖水套排气侧鼻梁区和火花塞附近都需达到2m/s以上。

（1）缸体水套换热分析

图9为缸体水套表面流速分布。从图中可以看到，由于水套入水口附近的导流作用（图9中黑色方框所示），使得缸体水套冷却液主流方向为：一缸排气侧→三缸排气侧→三缸进气侧→一缸进气侧。因此，最终在一缸靠近前端的下部区域形成了流动死区（图9中黑圈所示），除此之外缸体绝大部分区域的流速都在0.5m/s以上。另外，考虑到缸体下部区域的热负荷较低，可认为缸体水套的换热是满足要求的。

图12为水孔编号，进气侧的水孔前加字母“I”，排气侧的水孔前加字母“E”。图13为各垫片水孔流量分配。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http：//总第547期2014年第15期-----转载须注名来源从图13中可以发现，E1、E2和I1的水流量明显大于其余各孔。其中，对二缸缸盖排气侧换热影响比较大的E3孔和E4孔水流量之和仅为3.978kg/min，这是造成二缸缸盖排气侧下平面变形的根本原因。

4 优化后水套CFD分析

4.1 优化方案

根据对原水套的CFD分析结果，为增加上水流量和调整流速，将二、三缸之间的上水孔面积加大一倍，并将E4孔外移，如图14和图15所示。图16为气缸垫水孔优化前后的面积对比图，可以看出水孔E3和E4的面积都由原方案的19.635 mm2增加到39.27 mm2。

4.2 边界条件

优化后的边界条件的设置与优化前一致。

4.3 分析结果

4.3.1 压损分析

4.3.2 换热分析

（1）缸体水套换热分析

图18为缸体水套优化后流速分布图。从图中可以看到，优化后在一缸靠近前端的下部区域形成的流动死区（黑圈示出）流速有所增加，换热有所改善 。

（2）缸盖水套换热分析

图19为优化后缸盖水套表面流速分布图。从图中可以看到优化后在二缸排气侧鼻梁区的流速明显增加，换热也会明显改善，只有少部分区域的流速仍然低于2m/s的流速标准。

4.3.3 气缸垫各水孔流量分配

图21为优化后与原方案气缸垫各水孔流量分配对比图（水孔编号参见图14）。从图中看到，对2缸缸盖排气侧换热影响比较大的水孔E3和E4，原方案的水流量分别为1.806kg/min和2.172kg/min，优化后水流量分别上升到2.458kg/min和4.093kg/min，这是使得缸盖鼻梁区散热改善的根本原因。

5 结论

导致发动机油水混合的原因很多，本文通过对气缸体、气缸盖、气缸垫及气缸盖螺栓的排查，并利用CFD软件对水套内流场和温度场的分析，最终确定了导致本发动机油水混合的原因是二、三缸之间气缸垫上水孔面积过小。而气缸体水套的铸造误差导致气缸垫上水孔面积更小，造成气缸盖散热不足而变形，最终使得冷热冲击试验失败。通过优化上水孔面积，并合理移动上水孔位置，排除气缸体水套铸造误差引起上水套堵塞的风险。加大二、三缸之间水流量后，解决了气缸盖散热不足的问题，后期的冷热冲击试验顺利均通过。

（作者单位：1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司；2.浙江吉利罗佑发动机有限公司）

推荐访问:汽油机 油水 混合 原因 分析