汽车发动机缸体压降法试漏原理及影响因素分析

汽车发动机缸体压降法试漏原理及影响因素分析

□武书

上汽通用五菱汽车股份有限公司广西柳州545007

摘要:缸体是汽车发动机的核心部件，其密封性要求较高。介绍了汽车发动机缸体密封性的评价方法和压降法试漏原理，分析了应用压降法时发动机缸体腔体内部水分残留、缸体温度变化，以及测量系统误差对试漏的影响。

关键词：发动机缸体压降法泄漏测试

中图分类号:TH89文献标志码:A文章编号:1000-4998(2019)05-0007-03 Abstract:The cylinder block is the core component of the automotive engine and has a high requirement on leak tightness.The evaluation method of the leak tightness of the engine cylinder block and the leak-off-test principle of the pressure drop method were introduced.The influence of the residual moisture inside the engine cylinder block,the temperature fluctuation of the cylinder block and the error of the measuring system on the leak-off—test were analyzed.

Key Words：Engine Cylinder Block Pressure Drop Method Leakage Test

发动机缸体作为发动机的核心部件，对加工的尺寸公差要求相当严格。为了保证发动机的性能，对发动机缸体油道、水套、曲轴室的密封性要求也相当高，需要通过专用的设备对缸体的密封性进行测试。在批量生产过程中，常用的测量方法为压降法⑴。任何测量方法及测量系统都会存在测量误差，因此需要尽可能排除外在因素影响，测量出真实的泄漏值12)。

1发动机缸体密封性评价方式

发动机缸体要求对油、水具有良好的密封性，而在批量生产过程中，很难做到直接采用油、水作为介质进行泄漏测试，往往采用空气进行测试⑶。空气相对油、水，其黏滞系数更小，所以产品在设计中，要求采用气体试漏时，允许一定的泄漏量⑴。以某产品的设计要求为例，其泄漏量标准见表lo

在现有的发动机缸体设计要求中，对密封性评价的指标为泄漏率，即工件在固定的压力下，单位时间内所产生的泄漏量。

Q=60SV/t(1)式中:Q为泄漏率,mL/min;AV为泄漏量，mL；t为测量时间，s。

2压降法试漏原理

发动机缸体毛坯为铸造成型，在缸体内部会存在气孔、缩孔、砂眼、裂纹等，导致水道、油道、曲轴室等腔体贯穿泄漏。因为待测工件的泄漏位置及大小无法确认，所以无法针对泄漏位置直接进行泄漏量测量。由此可见，需要将泄漏量转换为可测量的量进行测量。向待测工件腔体充入一定压力的气体，探测气体压力的大小，来判定工件是否有泄漏。根据理想气体常态方程，工件腔体的泄漏值可以转换成压力值。

PV=nRT(2)

V=nRT!P(3)式中：P为气体压力，Pa;V为气体体积，rrp；"为气体物质的量，为热力学常数,J/(mol-K)；r为气体绝对温度，K。

在测试压力下将所泄漏的气体体积转换为标准大气压条件下的气体体积，由此得到泄漏量。在正常的试漏条件下，试漏时间较短，一般可以近似看作是等温过程，因此有：

表1某产品泄漏量标准

测试部位曲轴室水套油道

标准测试压力/kPa泄漏率/(mL«min,)测试压力/kPa泄漏率/(mL・min“)测试压力/kPa泄漏率/(mL-min l) 5020150102006

*国家科技重大专项(编号：2014ZX04002011)收稿日期：2018年10月p.v.=P'v a+py.

V.=(P-P')VJP,

(4)

(5)

曲需机械制造总第657期2019,57(5)卫

式中：匕为转换至标准大气压下的气体泄漏量，m3；P * 为标准大气压，Pa ； V 。为测试的腔体体积，m ，；尺为测

试开始时的腔体气体压力，Pa ；P 为测试结束后的腔体 气体压力，Pa 。

常用的压降法试漏设备工作原理如图1所示，工

作过程大致分为四步。第一步为充气阶段，打开阀门， 通过调压阀将稳定的、满足压力要求的气体充入被测 腔体。第二步为稳压阶段，关闭阀门，在单向阀的作用

下，气体始终保持在被测腔内，经过一定时间后，腔内

气体稳定下来，为测试做好准备。第三步为测试阶段， 压力传感器将测量到的压力变化值传送至处理器，处 理器根据压力计算出泄漏值。第四步为泄压阶段，排除

被测腔体内部的气体，被测腔体往往为封堵密封，因此 松开封堵，腔体残留气体即可排除。

可见，压降法试漏就是在被测腔体固定测试压力

及时间的情况下，测量气体的压力变化，并转换为泄漏

量。

3影响因素分析

3.1

发动机缸体腔体内部有水分残留

发动机缸体的部分腔体由铸造而成，特别是水套 及部分回油孔。某些铸造腔体的拐角容易积累液体，液

体会蒸发，特别是当工件温度偏高时，液体蒸发的速度 会加快。液体蒸发后，变成水蒸气，因此在固定的空腔

内，气体的含量增大，气体的压力会增大。在不考虑温 度变化的前提下，可以看作是等温过程，那么根据理想

气体状态方程，可以得到压力的计算式：P=nRT/V

(6)

试漏过程中，腔体的体积不变，等温过程中温度不

变，那么压力变化为：

SP=RTSn/V (7)

式中：△/＞为压力变化值，Pa ；4n 为气体物质的量的变

化值，mol 。

当残留液体蒸发后，气体物质的量就会增大，由于

为定值，因此 3 增大，AP 增大，压力也增大，会导致

式(5)中的P 增大，则人会减小。如果因为液体蒸发量 过大导致压力增大的值比正常测试泄漏的量所造成的

压力降低的值还要大，那么就会出现匕负值过大，造 成误报警,导致误判，影响试漏一次下线合格率 W

出现上述情况时,一般将工件放置一段时间，待水 分完全自由蒸发后，再进行试漏，即可合格。若要从根

本上解决这一问题，则还需从工艺设备着手，强化试漏 前设备干燥功能，如增加定位干燥、真空干燥等。3.2发动机缸体温度变化

根据理想气体方程，假设试漏过程中没有气体泄

漏，那么n 是定量。设P,为保压时的气体压力，7；为保 压时的气体温度,P 2为测试时的气体压力，兀为测试

时的气体温度，则压力与温度存在以下关系：

PJP 2=TJT 2 (8)P2-H=H(W-1) (9)SP=P i (T 2/T i -1')

(10)

如果工件的温度高于环境温度，即试漏时所采用

的气体温度，那么在试漏过程中，工件腔体内气体会被

加热，即温度7＞乃，则增大，导致式(5)中的P 增 大，匕就会减小。如果温度升高过大，导致压力增大的 值比正常测试泄漏的量所造成的压力降低的值还要

大，那么就会出现V.负值过大，造成误报警，导致误

判，影响试漏一次下线合格率。

如果工件温度低于环境温度，那么在试漏过程中， 工件腔体内气体就会被冷却，即温度7\＜T 、,则减

小，导致式(5)中的P 减小，人会增大。严重时，匕超出 工艺要求范围，误判后造成报废，增加制造成本，同时 也会影响试漏一次下线合格率。

可以通过工件温度控制系统，来确保工件的温度

与环境温度差异保持在±1弋。此外，可以增加温度补偿 系统，在试漏系统中增加温度测量，通过实际测量温度 变化对测量结果进行补偿。3.3测量系统误差

整个泄漏测量系统包含了传感器、封堵及试漏仪。 传感器的测量精度及准确性都会对试漏结果产生影 响。传感器的测量值与实际值总会存在差异。测量系统

的密封性、封堵与缸体之间的密封性、传感器与待测腔

体的密封性，这些都是接触式压力密封，从理论上而言

不可能完全不泄漏，所以理论上会存在一定的系统泄

漏量：“)。此外，压降法测量系统实际采用了简化算法， 计算值只是近似值。由此可见，测量系统的误差是不可 避免的。

为最大程度避免测量系统误差，测量出最真实的

泄漏值，在生产过程中常用的方法为标定补偿法。另

外，针对整个测量系统，还需要定期进行稳定性及重复

2019,57(5)

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