張 騰 段繼翔 劉冠麟 史玉梅 唐忠剛 趙麗梅，2

（1-濰柴動力股份有限公司 山東 濰坊 261061 2-濰柴動力空氣凈化科技有限公司）

引言

發(fā)動機在正常工作時，燃燒室中的混合氣體不可避免地從活塞環(huán)與缸套之間的空隙竄入到曲軸箱內(nèi)，如果該部分混合氣無法及時排出會引起發(fā)動機曲軸箱內(nèi)壓力過高，導(dǎo)致發(fā)動機發(fā)生漏油、漏氣等三漏問題；另外該混合氣溫度較高及含有一定量水分促使機油稀釋乳化，影響機油性能等問題[1-2]。因此各發(fā)動機均有必要帶有曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)裝置以降低對發(fā)動機的損害。

當(dāng)前天然氣發(fā)動機在商用車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛并且已經(jīng)實施了中國第六階段排放標準。相比于國五排放標準，國六標準除了對天然氣發(fā)動機的污染物排放限值和種類加嚴之外，還要求在整個WHTC 排放測試循環(huán)過程中的曲軸箱壓力都不高于大氣壓力，即在WHTC 排放測試循環(huán)的整個過程中曲軸箱的相對壓力為負值[3]。另外國六排放法規(guī)中規(guī)定對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進行OBD 監(jiān)測，因此對天然氣發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，但是目前相關(guān)的研究成果很少。

本文介紹了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類，然后對裝有閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和防喘振閥結(jié)構(gòu)的天然氣發(fā)動機進行試驗研究。通過研究防喘振閥工作時對曲軸箱壓力的影響并根據(jù)該結(jié)果提出了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)管路走向，保證曲軸箱在進行WHTC循環(huán)測試時小于大氣壓力，滿足法規(guī)要求。

1 曲軸箱通風(fēng)

1.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)作用

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要作用是將發(fā)動機曲軸箱中的混合氣體利用油氣分離器裝置進行分離，其中分離出的氣體進入到大氣中或者進入燃燒室中進行再燃燒，機油進入到油底殼中；另外還需要將曲軸箱壓力保持在一定范圍內(nèi)[4]。

1.2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常由油氣分離器、曲軸箱壓力傳感器及各相關(guān)管路構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)見圖1。油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，主要作用是將曲軸箱中的混合氣進行油氣分離[5]。油氣分離器采用離心式結(jié)構(gòu)，分為預(yù)分離、精分離兩部分；其主要工作原理是利用油氣兩相的密度不同將油氣進行分離。預(yù)分離機構(gòu)采用擋板式結(jié)構(gòu)，曲軸箱中的混合氣進入油氣分離器后，其中的油滴遇到擋板壁面后會吸附在其表面上然后聚集，當(dāng)液滴聚集到一定程度時就會發(fā)生油滴順著對應(yīng)的管路流回預(yù)分離管路。由于油滴的大小不同，顆粒較大的比較容易吸附聚集而較小的油滴由于慣性較小極容易混合在氣流中隨著氣流進入油氣分離器精濾結(jié)構(gòu)[6]。精分離機構(gòu)采用離心式結(jié)構(gòu)，通過發(fā)動機高壓機油驅(qū)動油氣分離器內(nèi)部頁片旋轉(zhuǎn)，依靠高速離心作用對油氣進行分離。在油氣分離場中，油滴較氣體重可直接被甩到外圍結(jié)構(gòu)在重力作用下回流，而氣體則在轉(zhuǎn)子中心聚集沿著內(nèi)部結(jié)構(gòu)通道流出油氣分離器[7-8]。

圖1 發(fā)動機曲軸箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 曲軸箱通風(fēng)結(jié)構(gòu)分類

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)形式分為開式及閉式兩種。其中，曲軸箱中的混合氣經(jīng)油氣分離器后的氣體直接排出到大氣中稱為開式循環(huán)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低但是排放不受控；另外一種是將分離出的氣體再次經(jīng)增壓中冷系統(tǒng)進入到燃燒室中進行尾氣處理稱為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效降低發(fā)動機的排放但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對油氣分離器工作效率要求較高并且對增壓中冷系統(tǒng)的壽命有一定的影響[9-11]。

在國五排放階段發(fā)動機普遍采用開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；而到了國六排放階段要求曲軸箱中的混合氣需要與排氣中的尾氣相疊合進行排放測量以滿足排放法規(guī)限值。而國六排放法規(guī)GB 17691-2018 中規(guī)定需要對天然氣發(fā)動機對曲軸箱壓力有OBD 進行監(jiān)控且為了更好地控制發(fā)動機排放，因此曲軸箱閉式循環(huán)系統(tǒng)成為天然氣發(fā)動機的必要結(jié)構(gòu)之一。

2 試驗裝置和方法

在本文中對裝有閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的天然氣發(fā)動機進行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)測試研究，其中曲軸箱壓力測點為發(fā)動機缸蓋罩殼上的機油加注口位置，發(fā)動機測試設(shè)備均滿足GB17691-2018 的要求。

2.1 防喘振閥出氣管對曲軸箱壓力的影響

當(dāng)前采用當(dāng)量燃燒的天然氣發(fā)動機均安裝使用了防喘振閥，防喘振閥的出氣管安裝在了增壓器的壓氣機進氣端，同時該位置也安裝帶有曲軸箱壓力傳感器取氣管。當(dāng)發(fā)動機在減速（節(jié)氣門開度突然減?。r，防喘振閥工作將多余的氣體放出到增壓器壓氣機進氣管內(nèi)，對曲軸箱壓力測量產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致對曲軸箱壓力測量不準確。因此有必要研究防喘振閥出氣管的位置對曲軸箱壓力的影響。在本文中測試了天然氣發(fā)動機防喘振閥出氣管是否接通在增壓器壓氣機進氣管中（防喘振閥出氣管與曲軸箱出氣管連接為任意連接結(jié)構(gòu)方式）的曲軸箱壓力值，具體結(jié)果見圖2。

圖2 發(fā)動機曲軸箱壓力

由圖2 可知，在WHTC 測試循環(huán)過程中，增壓器壓氣機進氣管連接了發(fā)動機防喘振閥出氣管后的曲軸箱壓力全程均高于未連接發(fā)動機防喘振閥出氣管；且曲軸箱壓力超過大氣壓力。增壓器壓氣機進氣管連接了防喘振閥出氣管后的曲軸箱壓力平均值為-0.36 kPa；而未連接發(fā)動機防喘振閥出氣管曲軸箱壓力平均值在-0.97 kPa；這主要是因為通過防喘振閥出氣管放出的多余氣體帶有一定的壓力，該壓力值很容易超過油氣分離器出氣管的壓力導(dǎo)致經(jīng)過防喘振閥的氣體進入到油氣分離器引起曲軸箱壓力升高；另外防喘振閥出氣管在與增壓器壓氣機進氣管連接密封處等存在密封不嚴些許漏氣也會導(dǎo)致曲軸箱壓力升高。但是防喘振閥取氣管如直接放在空氣中則會引起發(fā)動機噪聲偏高，因此需要合理布置連接防喘振閥出氣管減少對曲軸箱壓力的影響。

2.2 發(fā)動機曲軸箱壓力測試

2.2.1 發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)試驗結(jié)果，為了降低發(fā)動機防喘振閥出氣管對曲軸箱壓力的影響，需要合理布置曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出氣管和防喘振閥出氣管。發(fā)動機防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的出氣管同時接在增壓器壓氣機進氣端呈現(xiàn)出垂直布置且發(fā)動機防喘振閥出氣管較長且超過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出氣管的位置，具體見圖3。根據(jù)1.2 描述，油氣分離器采用主動預(yù)分離結(jié)構(gòu)，利用發(fā)動機主油道的機油驅(qū)動油氣分離器工作，通過油氣分離內(nèi)部扇葉高速旋轉(zhuǎn)抽取曲軸箱中的廢氣同時促進曲軸箱中快速建立負壓環(huán)境。在發(fā)動機停機或者倒拖時主油道機油的慣性推動油氣分離器工作；而在啟動或者怠速運行時，天然氣發(fā)動機節(jié)氣門開度較小在10%左右進氣壓力處于負壓狀態(tài)，發(fā)動機漏氣量減少，同時發(fā)動機主油道機油壓力快速建立推動油氣分離器工作，使曲軸箱壓力呈現(xiàn)出負壓狀態(tài)。發(fā)動機曲軸箱壓力傳感器安裝在油氣分離器進出氣兩端，對曲軸箱壓力進行測量并利用該測量值對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進行OBD 監(jiān)測。

圖3 增壓器壓氣機進氣管路布置

2.2.2 發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)壓力測試

在合理布置增壓器壓氣機進氣管路后，利用WHTC測試循環(huán)對天然氣發(fā)動機曲軸箱壓力進行測試。圖4給出了天然氣發(fā)動機曲軸箱壓力的測試結(jié)果，發(fā)動機曲軸箱壓力在冷態(tài)WHTC 循環(huán)值為-0.72 kPa，在熱態(tài)WHTC 循環(huán)值為-1.03 kPa。

圖4 曲軸箱壓力變化曲線

發(fā)動機曲軸箱壓力在冷態(tài)WHTC 循壞排放測試時的結(jié)果較高特別是在發(fā)動機啟動階段，但是發(fā)動機曲軸箱壓力全程為負壓值，滿足法規(guī)要求。與發(fā)動機熱態(tài)WHTC 循環(huán)測試時對比，發(fā)動機在冷態(tài)運行時發(fā)動機的機油、水溫等并未達到正常狀態(tài)，發(fā)動機的活塞漏氣量值相對偏高，因此在冷態(tài)WHTC 測試時發(fā)動機曲軸箱壓力較高。但是在發(fā)動機進入正常狀態(tài)后，發(fā)動機冷熱態(tài)WHTC 測量值差異較小。通過曲軸箱壓力傳感器（Crankcase Valve Pressure，CCVP）測量值與試驗臺架的測量值進行，兩者測量平均值相差1.24%，可認為是傳感器測量準確，同時可以利用該傳感器測量值進行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)OBD 監(jiān)控。

3 結(jié)論

本文對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理進行介紹并結(jié)合排放法規(guī)要求，得出以下結(jié)論：

1）在國六排放階段天然氣發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是OBD 監(jiān)控的重要參數(shù)之一，因此天然氣發(fā)動機需要使用閉式循環(huán)系統(tǒng)。

2）發(fā)動機防喘振閥等零部件對發(fā)動機曲軸箱壓力有一定的影響，特別是防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)連接管路容易使曲軸箱壓力呈現(xiàn)出正值，需要合理布置該部分管路連接。

3）優(yōu)化防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)連接管路，經(jīng)過冷熱態(tài)WHTC 循環(huán)測試曲軸箱壓力分別為-0.72 kPa 和-1.03 kPa 且整個測試循環(huán)無正值出現(xiàn)，滿足國六排放標準的要求。

4）曲軸箱壓力傳感器分別安裝在油氣分離器進出氣口，與試驗臺架采集曲軸箱壓力數(shù)據(jù)相差1.24%，可以使用該值對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進行OBD 監(jiān)測。