發動機關鍵零部件清潔度檢測方法研究

郝 婧 王 珊 李國田 王 威 吳濤陽

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

清潔度作為汽車發動機和其他零部件的一項重要質量指標，在國內外汽車領域受到越來越多的關注。發動機作為汽車的引擎，是汽車的核心構件。發動機的清潔度是評價發動機質量的一個重要指標，發動機的整機清潔度水平與各零部件表面所殘留的污染物密切相關。該部分污染物可能導致零部件表面磨損加劇，嚴重影響發動機的可靠性和耐久性。因此，需對發動機的清潔度加以管理和控制。

為了使國內的清潔度檢測及評價標準適應當前的發動機質量水平提高需求，GB/T 41481-2022 《道路車輛零部件和系統的清潔度》[1]標準已發布實施。本文基于GB/T 41481-2022 標準，結合發動機關鍵零部件的技術特點，闡述了發動機相關零部件的清潔度檢測方法，探索建立清潔度評價體系，以便有助于企業提高發動機清潔度的控制水平。

1 清潔度檢測評價方法現狀

1.1 傳統的顆粒提取方法

傳統的顆粒提取方法一般是采用手工沖洗的方法，所使用的儀器設備如圖1 所示。

圖1 傳統的清潔度檢測裝置

先用洗瓶對零部件的規定檢測部位進行沖洗，并將沖洗后的清洗液收集起來；之后，將帶有顆粒的清洗液倒入過濾漏斗中，經過一系列的過濾和烘干濾膜表面的清洗液操作之后，得到帶有顆粒的濾膜。這種傳統的手工沖洗以及抽濾瓶過濾方法極易受到操作環境清潔度的影響，且誤差較大，非常容易導致對清潔度檢測結果的誤判。

1.2 傳統的顆粒分析方法

傳統的顆粒分析方法一般是采用質量分析的方法，用天平對過濾前后的濾膜進行稱重，并將測量結果作差后得到顆粒的質量。此種分析方法只能對顆粒的質量進行分析，已無法滿足當前的發動機零部件品質要求。對于燃油供給系統的零部件和潤滑系統的零部件來說，僅僅用顆粒的質量來評價并不合理，其大小和數量會影響它們的使用壽命。

1.3 傳統的清潔度評價方法

傳統的清潔度評價方法通常是采用顆粒的質量來評價，例如單個零部件表面的清潔度為XX mg/cm2，或單臺總成的清潔度為XX mg。此評價方法可以在一定程度上量化雜質顆粒的總數，卻可能掩蓋大顆粒的不對稱危害。

綜上所述，傳統的發動機清潔度檢測評價方法主要包括顆粒提取、顆粒分析和清潔度評價3 個步驟，具體內容見表1。

表1 傳統的發動機清潔度檢測評價方法與不足

2 先進的清潔度檢測評價方法

目前，GB/T 41481-2022《道路車輛零部件和系統的清潔度》標準已發布實施。該標準提出了更科學的顆粒提取方法、顆粒分析方法和清潔度評價方法，不僅能夠進一步減小檢測環境對結果的影響，還能實現對顆粒定性和定量的全面分析。本文基于此標準對清潔度檢測評價方法涉及的流程進行進一步解釋與分析。

2.1 試樣選取

由于試樣的清潔度會受到一些外部條件的影響，用于清潔度檢測的樣品須確定抽樣時間及地點。例如，是在清洗工序后，還是在交付到組裝線時。同時，在對試樣進行處理時，須符合清潔度要求，不能將外部污染物帶入試樣本身。

2.2 試樣包裝

試樣包裝必須滿足一定的清潔度要求，并且還能對試樣進行保護。例如，要求其具備一定的耐磨性，防止試樣本身產生脫落的顆粒；還要具備良好的密封性，防止外部顆粒進入試樣。而且，與試樣直接接觸的薄膜和袋子必須是未經使用的、干凈的一次性包裝薄膜和密封袋。

2.3 試樣存儲和運輸

用于清潔度檢測的試樣，其運輸路程須盡可能短，取樣和運輸間的時間間隔要盡可能短一些。同時，在運輸過程中要避免出現震動，可在運輸包裝內采取一定的保護措施。

2.4 清潔度檢測環境

國內傳統的清潔度檢測標準中，對清潔度檢測環境的要求是其室內降塵量不大于40 mg/m2，室內降塵量的檢測方法是將表面涂有機油的白瓷盤放置在檢測環境中，24 h 后，用溶劑油清洗白瓷盤表面，經過過濾、烘干和稱量后，得到單位面積的降塵量。而在GB/T 41481-2022 標準中，對清潔度檢測環境做出了新的規定，即清潔度檢測須在潔凈室進行。潔凈室的定義來自GB/T 25915.1-2021《潔凈室及相關受控環境第1 部分：按粒子濃度劃分空氣潔凈度等級》[2]標準，此標準中詳細規定了潔凈室空氣潔凈度的分級，它以粒徑濃度來表示。同時，還詳細說明了空氣潔凈度的測量方法。

2.5 先進的顆粒提取方法

隨著發動機零部件質量的提高，對其清潔度限值要求也進一步提高，從而推動了雜質顆粒提取方法的革新。目前，國內外常用的顆粒提取方法有壓力沖洗法、超聲波清洗法、晃動清洗法、空氣吹掃法。具體方法的選擇需依據零件的大小、幾何形狀以及有效工作區域來確定。目前，使用較為廣泛的顆粒提取方法是使用一體化的壓力顆粒萃取設備來提取。此類設備可以實現從零部件放入到顆粒提取再到設備自清洗均為全封閉操作，且設備內部與環境之間的壓力差可以避免將環境中的雜質引入，從而能夠很大程度上降低檢測過程產生的系統誤差。與此同時，此類設備還能夠設置沖洗壓力、沖洗時間、沖洗角度和清洗液液量和流量等參數，不僅能夠降低顆粒提取過程的人為操作誤差，還可以提高顆粒提取效率。

圖2 所示為某公司生產的一臺典型的一體化壓力沖洗設備。

圖2 一體化壓力沖洗設備

2.6 先進的顆粒計數分析方法

隨著發動機技術的發展，為了進一步提高產品質量，傳統的顆粒質量分析方法已經不能滿足對雜質顆粒的分析要求，需要進一步確定雜質顆粒的大小、數量和類型[3]。目前，廠家采用的顆粒計數分析設備有光學顯微鏡、通用金相顯微鏡和體視顯微鏡。這些分析設備均配備成熟完善的顆粒分析系統，還配置自動焦距調節、明/暗場光學系統及全自動載物臺。具備良好的重復性及再現性，可以根據分析人員的需求對顆粒大小進行分類，還可以對纖維、非金屬顆粒、金屬顆粒進行準確度較高的區分。光學顯微鏡的分辨率一般在800 萬像素左右，放大倍數可高達1 000x，能夠識別小至5 μm 的顆粒。但它也存在一定的缺點，即不能準確識別顆粒的化學成分，從而不能準確得到異常顆粒的來源，無法從根源上避免異常顆粒的出現。

2.7 先進的顆粒成分分析方法

由于采用一般的光學顯微鏡只能初步地將雜質分為金屬顆粒、非金屬顆粒和纖維，當非金屬顆粒具有明亮反射的光澤時，會被識別為帶金屬反射的金屬顆粒，具有發生誤判的風險。采用掃描電鏡與能譜分析儀（SEM/EDX）對顆粒的成分進行進一步分析，能更準確地得出雜質顆粒的性質及來源。SEM/EDX分析法是利用掃描電鏡對顆粒物進行計數和測量，并通過能量色散X 射線光譜儀確定其材料成分的一種綜合分析方法。其原理是聚焦電子束在顆粒表面掃描成像，與顆粒相互作用后產生二次電子發射，這些二次電子信號能夠表征顆粒表面的某些物理或化學性質。

圖3 所示為采用SEM/EDX 分析法得到的典型顆粒的形貌和成分分析結果。

圖3 顆粒形貌和成分的SEM/EDX 分析圖

2.8 先進的清潔度評價方法

隨著清潔度檢測評價標準及方法的發展，由最初的雜質質量評價逐漸拓展到采用雜質質量、顆粒尺寸和數目對顆粒進行分級評價。

表2 為某公司產品的顆粒分級評價要求。

表2 某公司產品的顆粒分級評價要求

3 發動機清潔度檢測方法研究

發動機的關鍵零部件包括燃料供給系統、潤滑系統以及進排氣系統、冷卻系統等外圍件，因此，一般對接觸機油、燃料、空氣和水的零部件清潔度有其相應的特殊要求[4]。大致將這些零部件分為燃料供給系統和進排氣系統、潤滑系統、其它類。

不同種類的發動機關鍵零部件由于其形狀結構有差異，功能區域也大不相同，具體采用哪一種清潔度檢測方法是由被測零部件的大小、幾何形狀和功能區域的位置來確定的。因此，對不同種類的零部件，要選擇其最佳的顆粒提取方法。

以活塞環為例，通過采用沖洗和超聲波清洗2種顆粒提取方法，分別在初始設定的條件下進行6次重復衰減試驗，并對比分析2 種提取方法下的衰減試驗結果。

表3 為在沖洗壓力為0.1 MPa、沖洗液流量為1 L/min、沖洗時間為1 min 的初始試驗條件下測得的活塞環衰減結果。

表3 沖洗活塞環的衰減試驗結果

從表3 可以看到，6 次試驗測得的活塞環表面顆粒數目并沒有均勻穩定地衰減，衰減比值也沒有達到≤10%的要求，說明此方法不適用于活塞環的清潔度檢測。

表4 為采用超聲波清洗方法在頻率為40 kHz、功率為50%、清洗時間為1 min 的初始試驗條件下測得的活塞環衰減結果。

表4 超聲波清洗活塞環的衰減試驗結果

從表4 可以看到，6 次試驗測得的活塞環表面的顆粒數目穩定地衰減，其中，第3 次試驗的衰減比值已達到≤10%的要求，說明此方法適用于活塞環清潔度檢測。

基于上述研究，可確定不同種類的發動機關鍵零部件的清潔度檢測（顆粒提?。┓椒?，見表5。

表5 發動機關鍵零部件的清潔度檢測方法

4 結論

本文對比分析了國內傳統的清潔度檢測評價方法和GB/T 41481-2022《道路車輛零部件和系統的清潔度》標準中的清潔度檢測評價方法。相比于國內傳統的清潔度檢測標準，GB/T 41481-2022 標準在顆粒提取、顆粒分析和清潔度評價方面更加先進。GB/T 41481-2022 標準從試樣的選取、包裝、運輸、檢測環境到后續的檢測、分析都做了詳細的規定，形成了較為完備的檢測評價方法體系。通過對活塞環的清潔度檢測方法進行研究，得到了發動機關鍵零部件的清潔度檢測方法，有助于企業建立一套先進和完整的發動機清潔度檢測評價體系。