冀曉棟 左云 李佳 李紅梅 王鵬 周武明

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

直噴增壓汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的研究

冀曉棟1，2左云1，2李佳1，2李紅梅1，2王鵬1，2周武明1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

為滿足直噴增壓汽油發(fā)動機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的開發(fā)需求，借助現(xiàn)代CAE軟件分析能力，通過降低活塞漏氣量，優(yōu)化回油結(jié)構(gòu)，優(yōu)化取氣口位置及面積，合理匹配油氣分離器壓損和有效回油高度，通過多輪試驗驗證，找出最優(yōu)設(shè)計方案。

活塞漏氣量油氣分離分離器壓損

引言

隨著發(fā)動機(jī)性能的不斷提升及汽車相關(guān)排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，由曲軸箱內(nèi)的油霧顆粒、廢氣（碳?xì)浠衔铮┮鸬呐欧艈栴}越來越受到人們的關(guān)注。在某高性能發(fā)動機(jī)的開發(fā)過程中，出現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)失效的問題，在解決問題的同時對發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行徹底分析研究。

發(fā)動機(jī)工作時，部分可燃混合氣和廢氣經(jīng)活塞環(huán)漏入曲軸箱內(nèi)，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可將漏入曲軸箱的氣體排出曲軸箱；同時達(dá)到防止?jié)櫥妥冑|(zhì)及燃油稀釋機(jī)油，減輕機(jī)件的磨損和腐蝕，降壓、降溫、防漏、回收可燃?xì)怏w，減少污染。

1 對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的要求

對于自然吸氣發(fā)動機(jī)，應(yīng)確保發(fā)動機(jī)在任何工況下曲軸箱壓力＜0 kPa，即為負(fù)壓。對于增壓機(jī)型，可以允許少數(shù)工況的曲軸箱為正壓，但壓力應(yīng)＜1 kPa；同時，曲軸箱的最低壓力都應(yīng)＞-5 kPa，在最糟糕的情況下，曲軸箱的最低壓力不＜-7.5 kPa。

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油消耗量方面，正?；钊饬壳闆r下，油氣分離效率需滿足進(jìn)入進(jìn)氣歧管的機(jī)油量不大于2 g/h，在漏氣量翻倍情況下，油氣分離器出口仍沒有目視可見的油流。其中，機(jī)油量不大于2 g/h的要求為平均值要求，即模擬發(fā)動機(jī)實際運(yùn)行的工況來分配機(jī)油量的比例值，如在全速全負(fù)荷工況，在整車實際運(yùn)行過程中幾乎不會使用，所以這個工況只占10%。以此類推，部分負(fù)荷占20%，中高負(fù)荷占70%，例如，部分負(fù)荷分離后機(jī)油量為1 g/h，部分負(fù)荷分離后機(jī)油量為2 g/h，全速全負(fù)荷分離后機(jī)油量為4 g/h，這樣平均機(jī)油量為1×20%+2×70%+4× 10%=1.9 g/h，滿足要求。

將通風(fēng)中分離出來的機(jī)油回到油底殼，使機(jī)油循環(huán)利用。

2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方向

2.1 曲軸箱氣體的來源及控制

為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的有效性，首先應(yīng)了解曲軸箱中氣體的來源，這樣才能從系統(tǒng)的產(chǎn)生根源去控制，使曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計更合理、高效。原來我們把曲軸箱通風(fēng)所吸出的氣體等同于活塞漏出的廢氣，實際上還有其他來源，主要有：

2.1.1 活塞漏氣

燃燒壓力大大高于曲軸箱壓力。由于密封組件中有間隙，所以排氣可以竄入曲軸箱，如圖1所示。燃燒室和曲軸箱之間的壓差越大，竄氣流量也越大。在汽油發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)怠速時或者高速時活塞環(huán)會顫抖，此時也會引起竄氣流量的上升。

圖1 活塞竄氣示意圖

活塞漏氣是主要原因，我們應(yīng)盡量降低它?；钊庵饕?個途徑：1）活塞環(huán)與缸孔間；2）活塞環(huán)的側(cè)隙、背隙；3）活塞環(huán)開口。這3個途徑中，第一途徑取決于活塞環(huán)與缸孔的接觸質(zhì)量，為了改善接觸質(zhì)量，一般采取的方法有：改變活塞環(huán)張力；增強(qiáng)缸孔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少變形；合理設(shè)計缸蓋螺孔深度位置，減少對缸孔的作用力；采用預(yù)加載工藝加工缸孔（又稱壓板珩磨工藝），使缸孔實際裝配后圓柱度得到保證，詳細(xì)信息如表1所示。在解決某款發(fā)動機(jī)活塞漏氣量過大問題中，通過采用預(yù)加載加工缸孔的工藝，成功將最大活塞漏氣量由97 L/min降低到57 L/min，大大改善了曲軸箱通風(fēng)效果。對于第二途徑，取決于側(cè)隙、背隙面積及活塞環(huán)形式。對于第三途徑，取決于活塞環(huán)閉口間隙的大小，和各活塞環(huán)閉口相互之間是否錯位。這3個途徑的影響因素都會造成活塞漏氣量過大，出現(xiàn)活塞漏氣量大時一一排查。一般活塞漏氣量估算為：

式中：C—系數(shù)；

Vt—理論吸氣量；

Vh—排量；

n—標(biāo)定轉(zhuǎn)速；

rr—全負(fù)荷增壓器壓比；

Tm—增壓進(jìn)氣管溫度。

其中C取0.6%～0.8%，根據(jù)發(fā)動機(jī)加工、強(qiáng)化水平以及發(fā)動機(jī)的磨損情況決定。

表1 更改前后配合間隙μm

2.1.2 增壓器

增壓器的渦輪軸由增壓的油來潤滑，回油腔直通曲軸箱，無壓力。而渦殼中的排氣受排氣背壓的影響，存在一定壓力，加上密封組件有一定泄漏，這樣渦殼中的廢氣會竄入回油腔，進(jìn)入曲軸箱。當(dāng)增壓器密封失效時，曲軸箱通風(fēng)量會增大，導(dǎo)致油氣分離效果惡化，這要求增壓器密封的有效性，可以通過發(fā)動機(jī)耐久試驗和冷熱沖擊試驗來驗證增壓器密封的有效性。在前期試驗中，某發(fā)動機(jī)出現(xiàn)油氣分離系統(tǒng)失效，發(fā)生竄油現(xiàn)象，排查出通風(fēng)量超標(biāo)，后分析出為增壓器密封失效，導(dǎo)致通風(fēng)量增加，使油氣分離系統(tǒng)失效，導(dǎo)致竄油。

2.1.3 補(bǔ)充的新鮮空氣

為了降低曲軸箱內(nèi)的水蒸氣飽和度，減少對機(jī)油的稀釋，同時降低回收氣體的汽油濃度，使其不影響發(fā)動機(jī)正常燃燒，汽油機(jī)會向曲軸箱內(nèi)注入新鮮空氣，這樣會使曲軸箱通風(fēng)量增加。補(bǔ)充空氣量建議為活塞漏氣量的15%～30%。前期在某增壓發(fā)動機(jī)試驗過程中，曲軸箱通風(fēng)量始終偏大，導(dǎo)致分離效果不佳，后排查為從進(jìn)氣歧管補(bǔ)充新鮮空氣太多，導(dǎo)致整體曲軸箱通風(fēng)量大，后改變設(shè)計，使補(bǔ)充的新鮮空氣量減少到20%，油氣分離效果大大改善。

2.2 優(yōu)化回油結(jié)構(gòu)

回油機(jī)構(gòu)的作用是使分離出來的機(jī)油順利地重新回到油底殼，再循環(huán)利用；同時，不能讓機(jī)體內(nèi)不潔凈的竄氣和油滴反竄入回油通道內(nèi)。

為了能使分離后的機(jī)油順利回到油底殼，必須讓油液形成足夠的液位高度，以克服油氣分離器等參數(shù)的壓差，具體可根據(jù)回油腔與曲軸箱的壓力差來計算匹配回油液位高度，圖2為油液在120℃時形成的壓差。

圖2 壓差與機(jī)油液面的關(guān)系

當(dāng)油液形成的壓力不能克服回油腔與曲軸箱之間的壓力差時，將使油液不能正?；氐角S箱內(nèi)，油液多時將會隨氣體排出，造成油氣分離失效，嚴(yán)重時曲軸箱的氣體會反竄入回油腔，同時帶走大量油液，發(fā)生竄油。圖3為發(fā)動機(jī)的自密封回油結(jié)構(gòu)。

圖3 自密封回油結(jié)構(gòu)

2.3 優(yōu)化取氣口位置及面積

在設(shè)計油氣分離器取氣口位置時，應(yīng)避開凸輪軸凸輪等甩油零部件，在滿足搭載布置的情況下，盡可能將取氣口布置在較高的位置。

在活塞漏氣量一定的情況下，進(jìn)入油氣分離腔內(nèi)的竄氣流速與進(jìn)氣口截面積成反比關(guān)系。經(jīng)過試驗分析，在進(jìn)氣口截面積較小時易導(dǎo)致進(jìn)入油氣分離腔的竄氣流速過大。此時，竄氣將攜帶更多的飛濺油滴進(jìn)入油氣分離腔內(nèi)，大大增加了整個油氣分離系統(tǒng)的分離難度，使得竄油問題更加嚴(yán)重。通過試驗分析，發(fā)現(xiàn)將進(jìn)氣口處竄氣流速控制在2 m/s以下是合理的。

從控制竄氣流速方面入手，對整個曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)氣口進(jìn)行優(yōu)化：將進(jìn)氣口布置在機(jī)油相對較少的地方，同時進(jìn)氣口截面積由210 mm2增大至760 mm2，相對應(yīng)的竄氣流速從4.5 m/s降低至1.25 m/s。

2.4 匹配油氣分離器壓損與回油高度

采用缸蓋罩上方增加透明窗口的方法來觀察油氣分離系統(tǒng)的回油情況，可以快速了解缸蓋罩內(nèi)油氣分離情況。

某發(fā)動機(jī)采用集成閥板式油氣分離器Multi-Flaps和閥板式回油結(jié)構(gòu)，試驗測得油氣分離器壓損為1.0 kPa，同時回油結(jié)構(gòu)的有效回油高度為20 mm，相應(yīng)參數(shù)：120℃機(jī)油密度為ρ=0.8 kg/m2、重力加速度g=9.8 m/s2、回油高度h=20 mm、油氣分離器壓損△P=1.0 kPa；

則機(jī)油液位高度產(chǎn)生的最大壓力為P（機(jī)油）= ρgh=0.16 kPa＜△P。

通過以上計算結(jié)果分析：機(jī)油液位高速產(chǎn)生的壓力無法克服回油閥上下壓差（即油氣分離器壓損），導(dǎo)致回油閥板無法順利打開，產(chǎn)生回油不暢問題。

根據(jù)上述分析制定優(yōu)化方案：在保證油氣分離效率的同時，適當(dāng)降低油氣分離器的壓損至0.6 kPa，同時增加回油高度至119 mm。此時，各部分相對壓力如下：

機(jī)油液位高度產(chǎn)生的壓力P（機(jī)油）=ρgh=0.96 kPa＞△P（0.6 kPa），滿足設(shè)計要求。

3 CAE分析

通過上述措施對某發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的同時，利用油氣分離模擬分析軟件Fire進(jìn)行油氣分離效率分析計算，不斷優(yōu)化設(shè)計，圖4和圖5分別為速度分布與粒子分布模擬分析及發(fā)動機(jī)油氣分離效率。

圖4 速度分布與粒子分布模擬分析

圖5 發(fā)動機(jī)油氣分離效率

4 試驗驗證

根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷情況將過濾器連接在曲軸箱通風(fēng)管的不同位置，在部分負(fù)荷時將過濾器連接在進(jìn)氣側(cè)，在中高負(fù)荷時將過濾器連接在排氣側(cè)，為了避免油氣在管路中凝結(jié)，缸蓋罩竄氣出口至過濾器之間管路需要有保溫措施，連接管路不得出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象且盡可能短。

為了確保測量的準(zhǔn)確性，將過濾器殼體加熱至140℃，可以將濾芯中的凝結(jié)的水和燃油蒸發(fā)掉，在試驗開始前將玻璃纖維的濾芯稱重，待試驗工況穩(wěn)定后，記錄竄氣流量。然后，切換三通閥至過濾器，并進(jìn)行計時，5 min后將三通閥切換至空氣流量計，停機(jī)，將濾紙取出，稱重。計算出該工況下進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)的機(jī)油量，用g/h來表示。

經(jīng)過試驗驗證，優(yōu)化設(shè)計后的某發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)綜合工況下竄油量控制在2 g/h，如圖6所示。

圖6 油氣分離后通風(fēng)系統(tǒng)中的機(jī)油含量分布圖

5 結(jié)束語

本文通過分析活塞漏氣量、回油結(jié)構(gòu)、取氣口位置及面積、油氣分離器壓損和有效回油高度等影響曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的因素，提出了解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)問題的方案，填補(bǔ)了各主機(jī)廠對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)問題研究的空白。

1蔣明德．高等內(nèi)燃機(jī)原理[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2002

2周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996

3宗雋杰，倪計民，邱學(xué)軍，等.曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器的性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（2）：86～91

Research on Optimization of Crankcase Ventilation System in TGDI Engine

Ji Xiaodong1，2，Zuo Yun1，2，Li Jia1，2，Li Hongmei1，2，Wang Peng1，2，Zhou Wuming1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

In order to satisfy the development requirements of crankcase ventilation system in TGDI engine，with the aid of modern CAE analysis，the optimal design is fixed through many test verifications by reducing piston blow-by，optimizing oil drain structure，air inlet position and area，and balancing the oil separator pressure loss and valid oil drain height.

Piston blow-by，Oil-gas separator，Separator pressure loss

TK411

A

2095-8234（2014）04-0014-04

2014-05-26）

冀曉棟（1986-），男，助理工程師，主要從事發(fā)動機(jī)開發(fā)工作。