楊建偉

在輕卡車輛使用過程中，發(fā)動機(jī)散熱器溢水故障算是一種較為常見的故障模式，造成這種故障的原因也不盡相同，如不及時(shí)而正確的加以處置，可能會帶來發(fā)動機(jī)重大的損毀，甚至造成重大的車輛事故。因此，如何準(zhǔn)確對發(fā)動機(jī)散熱器溢水故障進(jìn)行鑒別診斷并快速處置，成為處置該故障模式較為棘手的問題。

鑒于目前國內(nèi)輕卡多采用柴油發(fā)動機(jī)動力，本文以輕卡柴油機(jī)為例進(jìn)行散熱器溢水故障模式解析。

1 溢水故障及其危害

所謂發(fā)動機(jī)散熱器溢水，是指輕卡車輛在怠速狀態(tài)或正常工作過程中，出現(xiàn)從散熱器加水孔或膨脹水箱(副水箱)加水口的通氣管往外大量“翻水”、同時(shí)伴有大量氣泡外溢的現(xiàn)象。出現(xiàn)散熱器溢水故障后，將會快速消耗發(fā)動機(jī)冷卻系冷卻液，從而造成燃燒室不能及時(shí)得到有效冷卻而過熱，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)不能正常工作，甚至出現(xiàn)損毀等嚴(yán)重故障。

發(fā)動機(jī)散熱器出現(xiàn)溢水故障，將會帶來以下方面危害：

(1)冷卻液大量損失，發(fā)動機(jī)冷卻能力急速下降，發(fā)動機(jī)出現(xiàn)過熱；

(2)燃燒室燃?xì)庑孤?，發(fā)動機(jī)動力性明顯下降；

(3)燃燒室內(nèi)進(jìn)入冷卻液，損害發(fā)動機(jī)活塞、氣門等零部件；

(4)發(fā)動機(jī)出現(xiàn)拉缸、拉瓦、抱死等嚴(yán)重故障；

因此在發(fā)現(xiàn)散熱器出現(xiàn)溢水現(xiàn)象或水溫表指示燈異常點(diǎn)亮?xí)r，應(yīng)及時(shí)使發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，分析溢水故障原因并正確加以處置，從而將發(fā)動機(jī)或車輛損失降為最低。

2 溢水故障模式分析

2.1 加油門出現(xiàn)溢水

當(dāng)啟動發(fā)動機(jī)或加大油門提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，不管散熱器水溫高或低，膨脹水箱加水口均有冷卻液溢出，同時(shí)也可能伴有大量氣體噴出。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是沖缸墊(濕式缸套)或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。這是由于發(fā)動機(jī)在工作過程中，燃燒室內(nèi)的壓縮空氣或燃?xì)獾膲毫Υ笥诶鋮s水道內(nèi)冷卻液的壓力，這些氣體會通過缸墊沖壞處或缸套、缸蓋較大的砂眼或裂紋處壓入發(fā)動機(jī)水道內(nèi)，迫使發(fā)動機(jī)水道內(nèi)的冷卻液從散熱器膨脹水箱加注口往外溢出或噴出。同時(shí)，此故障產(chǎn)生后可能還會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)起動困難或無法起動、發(fā)動機(jī)抖動、動力下降、排氣管噴水或冒白煙等現(xiàn)象。

該故障模式的檢測可采取斷缸法，即分別斷開各缸高壓油管或高壓共軌單體泵的電磁閥，觀察發(fā)動機(jī)工作時(shí)散熱器膨脹水箱加注口溢水現(xiàn)象，判斷是具體哪一缸出現(xiàn)問題。當(dāng)斷到某一缸時(shí)，膨脹水箱加注口溢水量明顯減小或完全消失時(shí)，則可判定該缸出現(xiàn)沖缸墊或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。圖1為因缸蓋砂眼而造成膨脹箱壓力蓋溢水的實(shí)物。

圖1 因砂眼造成膨脹箱壓力蓋溢水的缸蓋

2.2 收油門出現(xiàn)溢水

2.2.1 發(fā)動機(jī)冷卻液無氣泡溢水

在發(fā)動機(jī)起動后，不論冷卻液溫度高或低，加油門時(shí)膨脹水箱加注口不往外溢水，而收油門時(shí)則從加注口處往外溢出。出現(xiàn)這種情況的原因有:

(1)散熱器上水室或氣缸蓋至膨脹水箱的通氣管堵塞或不暢通。

這是由于加油門發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水泵在高轉(zhuǎn)速下工作，此時(shí)缸蓋內(nèi)部、發(fā)動機(jī)出水管及散熱器上水室內(nèi)冷卻液的壓力很大，而散熱器芯部散熱管內(nèi)、下水室及水泵進(jìn)水管內(nèi)的冷卻液均處于負(fù)壓狀態(tài)，散熱器散熱管內(nèi)的冷卻液在快速地往下水室流動，如突然松開油門或停機(jī)，水泵工作效率急速降低甚至或停止工作，此時(shí)缸蓋、發(fā)動機(jī)出水管、散熱器上水室內(nèi)的冷卻液壓力仍然比較大，在這些部位，較大壓力的冷卻液會按照原來的流動方向繼續(xù)運(yùn)行，如果散熱器上水室或氣缸蓋至膨脹水箱的通氣管堵塞或不暢通的話，由于高壓及慣性的作用，散熱器上水室的冷卻液快速往水箱下水室流動，造成下水室及其出水管內(nèi)冷卻液的壓力迅速提高，高壓的作用使得冷卻液沿著膨脹水箱進(jìn)水管快速反向涌入膨脹水箱內(nèi)，從而造成膨脹水箱溢水或大量噴水。

(2)膨脹水箱壓力蓋損壞、開啟壓力過低。

正常的情況下，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下零海拔時(shí)水的沸點(diǎn)為100 ℃，而在水溫超過80 ℃時(shí)液體內(nèi)部已經(jīng)開始產(chǎn)生氣泡，海拔越高水的沸點(diǎn)就越低，液體內(nèi)產(chǎn)生氣泡的溫度也會隨著海拔的升高而降低。目前使用的內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)的正常水溫一般為70～90 ℃，為了使內(nèi)燃機(jī)能夠正常工作，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了多種開啟壓力的膨脹水箱壓力蓋，以提高冷卻液在散熱器內(nèi)沸點(diǎn)的溫度，便于在各種環(huán)境下使用。如果膨脹水箱壓力蓋已經(jīng)損壞或使用開啟壓力偏低，則壓力蓋處容易出現(xiàn)溢水或噴水現(xiàn)象。圖2 為正常工作的膨脹箱壓力蓋，圖3 為已經(jīng)失效的膨脹箱壓力蓋。

圖2 開啟壓力為0.11 MPa 的壓力蓋

圖3 失效的膨脹箱壓力蓋

(3)膨脹水箱位置過低。

目前，發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)均為閉式的，在閉式冷卻系統(tǒng)中，冷卻液初始是常溫的，隨著發(fā)動機(jī)工作時(shí)間延長或負(fù)荷的增大，冷卻液要受熱膨脹，而冷卻系統(tǒng)內(nèi)的總?cè)莘e是不會改變的，這些膨脹出來的冷卻液就要有存放空間，這就是設(shè)計(jì)膨脹水箱的原因。如果膨脹水箱安裝位置低于冷卻系統(tǒng)內(nèi)的散熱器及水管的高度，冷卻液就會從膨脹水箱中溢出，造成冷卻系統(tǒng)內(nèi)混入空氣，從而影響冷卻循環(huán)效果。

這是由于水蒸氣混在水中無法分離，膨脹水箱壓力蓋的閥門雖然能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的壓力，但在調(diào)節(jié)過程中會放掉部分水蒸氣，冷卻時(shí)又會吸進(jìn)一部分空氣。冷卻系中的空氣、水蒸汽和水一起循環(huán)，會使冷卻能力下降，水泵的泵水量降低，造成冷卻系內(nèi)壓力不穩(wěn)定和冷卻液的不斷消耗，同時(shí)還可能導(dǎo)致冷卻液濃度升高而腐蝕發(fā)動機(jī)部件。所以，在散熱器、發(fā)動機(jī)體上部容易積存空氣和水蒸汽的地方引出氣管與膨脹水箱上部相連，將散熱器、缸蓋上部空氣和水蒸汽引導(dǎo)至膨脹水箱內(nèi)。在這里，水蒸汽會冷凝為水，后又可通過補(bǔ)充水管進(jìn)入散熱器，從而使水泵進(jìn)水口處保持較高的水壓，增大了泵水量。而積存在膨脹水箱液面以上的空氣，得到了冷卻，不再受熱膨脹，因而膨脹水箱變成了冷卻系內(nèi)壓力上升的緩沖器和膨脹空間，使壓力始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。

在正常的情況下，膨脹水箱解決了水氣分離和冷卻液過快消耗的問題。一般情況下，膨脹水箱多用透明材料制成，也可用金屬材料制成，位置應(yīng)略高于散熱器及缸蓋上平面，這樣可以十分直觀的檢查冷卻液的消耗情況。圖4 為膨脹水箱的合理布置狀態(tài)。

圖4 正常工作狀態(tài)的膨脹水箱

2.2.2 發(fā)動機(jī)冷卻液內(nèi)有氣泡溢水

在發(fā)動機(jī)啟動后，散熱器內(nèi)部冷卻液開始進(jìn)行大循環(huán)時(shí)，膨脹水箱內(nèi)部能觀察到循環(huán)的冷卻液中有氣泡出現(xiàn)，隨著發(fā)動機(jī)的持續(xù)運(yùn)行或工作負(fù)荷增大，冷卻液溫度越來越高，膨脹水箱內(nèi)的氣泡越來越多，壓力也越來越大，待膨脹箱內(nèi)的壓力大于壓力蓋彈簧預(yù)緊力時(shí)，壓力蓋內(nèi)蓋被打開，過高壓力的氣體及冷卻液就會從膨脹箱加注口噴出。只要能找到這些氣體的來源就可以找出故障的根源。

(1)空壓機(jī)缸蓋有砂眼、裂紋或冷卻水管漏氣。

斷開并堵塞空壓機(jī)進(jìn)、回冷卻水管，打開膨脹水箱壓力蓋，起動發(fā)動機(jī)讓發(fā)動機(jī)怠速或加油門至中高速，觀察加注口內(nèi)冷卻液的情況，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于空壓機(jī)缸蓋。此缸蓋在氣缸底部或壓縮空氣后氣道內(nèi)有砂眼或裂紋，由于空壓機(jī)壓縮空氣時(shí)氣體壓力大于冷卻系內(nèi)冷卻液的壓力，壓力差的作用把壓縮空氣從空壓機(jī)缸蓋的砂眼、裂紋處壓入冷卻系內(nèi)，或是從空壓機(jī)回水冷卻管漏氣處吸進(jìn)外界空氣壓入冷卻水道內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則空壓機(jī)沒有問題。原來斷開的空壓機(jī)進(jìn)、回冷卻水管暫時(shí)不要恢復(fù)。圖5 為正常工作狀態(tài)的空壓機(jī)。

圖5 正常工作狀態(tài)的空壓機(jī)

(2)暖風(fēng)散熱器有砂眼或暖風(fēng)水管漏氣。

在發(fā)動機(jī)機(jī)體上分別斷開并堵塞暖風(fēng)進(jìn)、回水管，打開膨脹水箱壓力蓋，起動發(fā)動機(jī)讓發(fā)動機(jī)怠速或加油門至中高速，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于暖風(fēng)散熱器或暖風(fēng)水管。此暖風(fēng)散熱器或暖風(fēng)水管有砂眼、裂紋、焊縫松脫故障，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)部在發(fā)動機(jī)工作時(shí)處于負(fù)壓狀態(tài)，環(huán)境空氣的壓力大于它們內(nèi)部的壓力，壓力差的作用使得環(huán)境的空氣進(jìn)入暖風(fēng)水管內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則暖風(fēng)散熱器或暖風(fēng)水管沒有問題。斷開的暖風(fēng)進(jìn)、回水管暫時(shí)不要恢復(fù)。

(3)散熱器或出水管漏氣。

該故障排除需要拆下發(fā)動機(jī)水泵皮帶，起動發(fā)動機(jī)，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)沒有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則原來冷卻系內(nèi)的空氣(氣泡)來自于散熱器、散熱器出水管(即水泵進(jìn)水管)的漏氣。這是由于散熱芯部散熱排管砂眼、焊縫松脫或出水管道(水泵進(jìn)水管)有漏氣部位，該部位在水泵工作時(shí)處于負(fù)壓狀態(tài)，環(huán)境空氣的壓力大于該部位內(nèi)部的壓力，壓力差的作用使得環(huán)境空氣進(jìn)入冷卻水道內(nèi)，從而造成膨脹水箱壓力蓋溢水，反之，則散熱器或出水管沒有問題。原來拆下的水泵皮帶暫時(shí)不要恢復(fù)。圖6 為出現(xiàn)砂眼的散熱器。

圖6 出現(xiàn)砂眼的散熱器

(4)機(jī)體沖缸墊、缸套或缸蓋有砂眼或裂紋。

首先起動已拆除水泵皮帶的發(fā)動機(jī)，如在同樣的溫度和轉(zhuǎn)速下，散熱器加水口內(nèi)的冷卻液內(nèi)有空氣(氣泡)出現(xiàn)，則這些空氣(氣泡)來自于發(fā)動機(jī)內(nèi)部。如同上述，該故障的排除可以采取斷缸法，即分別斷開各缸高壓油管或高壓共軌單體泵的電磁閥，觀察發(fā)動機(jī)工作時(shí)散熱器膨脹水箱加注口溢水現(xiàn)象，判斷是具體哪一缸出現(xiàn)問題。當(dāng)斷到某一缸時(shí)，膨脹水箱加注口溢水量明顯減小或完全消失，則可判定該缸出現(xiàn)沖缸墊或缸套、缸蓋有較大的砂眼或裂紋。圖7 為第1 缸底部已經(jīng)銹蝕的缸蓋。

圖7 第1 缸底部已經(jīng)銹蝕的缸蓋

3 防止和解決溢水問題的途徑

綜上所述，發(fā)動機(jī)散熱器溢水故障是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，占柴油機(jī)正常使用故障的30%以上，該故障的防止和解決涉及到方方面面的問題，因此，必須從柴油機(jī)的冷卻系設(shè)計(jì)、機(jī)體裝配、使用保養(yǎng)等多方面入手，才能有效解決問題，具體歸納起來，有如下方面：

3.1 合理設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)

合理設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)散熱器冷卻系統(tǒng)，是有效解決散熱器溢水問題的關(guān)鍵所在。在冷卻系設(shè)計(jì)階段，選取合適流量、揚(yáng)程的水泵，適當(dāng)尺寸的散熱器及風(fēng)扇，適合使用環(huán)境溫度的膨脹箱壓力蓋以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的冷卻水道等，使冷卻液流向和流量分配合理、冷卻容積得到最佳利用，避免采用可能引起局部過熱、冷卻液循環(huán)不暢的不正常設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。圖8 為優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)圖。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)圖

3.2 提升機(jī)體制造及裝配精度

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，加油門出現(xiàn)壓力蓋溢水的燃?xì)?0%以上是發(fā)動機(jī)缸蓋與缸體之間泄漏的燃?xì)?。因此，提升及?yōu)化氣缸墊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料以及制造工藝，將能有效保證氣缸墊密封高溫高壓燃?xì)饧袄鋮s液的作用。同時(shí)，提高缸蓋、缸體的配合面加工精度及清潔度，提升缸體缸蓋裝配工藝精度，也是解決散熱器溢水的一個(gè)行之有效的途徑。圖9 為某發(fā)動機(jī)復(fù)合材料氣缸墊。

圖9 復(fù)合氣缸墊

3.3 良好的使用和保養(yǎng)

當(dāng)前，各個(gè)主機(jī)廠在整車出廠時(shí)均配有使用保養(yǎng)手冊，對散熱器的使用及保養(yǎng)也有詳細(xì)的要求，如必須使用規(guī)定牌號的長效防凍防銹冷卻液，嚴(yán)格按保養(yǎng)周期進(jìn)行加注或更換冷卻液等，其一個(gè)很重要的原因就是防止散熱器冷卻水道內(nèi)結(jié)垢或遭到腐蝕，從而影響冷卻能力。

另一方面，在散熱系及發(fā)動機(jī)機(jī)體例行保養(yǎng)中，如更換水泵、皮帶或氣缸墊等重要部件，一定要使用主機(jī)廠批準(zhǔn)認(rèn)可的正規(guī)零件，切勿使用劣質(zhì)產(chǎn)品，從而造成散熱系故障的早期發(fā)生。

事實(shí)證明，良好的使用和保養(yǎng)習(xí)慣，不僅能有效減少發(fā)動機(jī)散熱系故障的發(fā)生，同時(shí)還能有效延長整機(jī)及整車的使用壽命。

4 結(jié)語

輕卡發(fā)動機(jī)散熱器溢水故障是一種較為常見且嚴(yán)重的故障模式，其影響因素涉及面較廣，分析和處理相對較為復(fù)雜，因此在處理該類故障時(shí)一定要仔細(xì)觀察、認(rèn)真分析、逐一排除。同時(shí)，優(yōu)化冷卻系設(shè)計(jì)、提升機(jī)體加工及裝配精度、嚴(yán)格按照使用手冊進(jìn)行保養(yǎng)等，將是有效降低散熱器溢水問題的有效途徑。

(注：本文作者單位，東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院。)