BFM2012型柴油機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器改進

陳 然崔光超郭洪山金 喆王 克王 駿

（1.道依茨一汽（大連）柴油機有限公司；2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室；3.曼胡默爾管理（上海）有限公司）

1 油氣分離器方案改進

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時部分工作氣體會從氣缸壁與活塞環(huán)以及活塞環(huán)與活塞之間的間隙進入到發(fā)動機曲軸箱，這些竄氣中除了殘留的燃油和燃燒產(chǎn)生的廢氣、炭黑之外，還含有不少機油[1～3]。竄氣會導(dǎo)致燃油蒸氣凝結(jié)，從而使機油變質(zhì)，污染發(fā)動機零部件，如果不及時將竄氣排出，會引起曲軸箱壓力過大從而導(dǎo)致漏氣、漏油現(xiàn)象[4～6]。此時需要通過在曲軸箱上裝油氣分離器，以平衡曲軸箱內(nèi)氣體的壓力變化，但油氣分離器抽出來的氣體中含有大量機油蒸氣，還需經(jīng)過油氣分離器把機油分離出來再送回發(fā)動機[7～9]。

目前，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)分為2種，即油氣分離器出口連接到增壓器之前、空氣濾清器之后的閉式循環(huán)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和油氣分離器出口直通大氣的開式循環(huán)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)[10]。

本文所研究的發(fā)動機為BFM2012發(fā)動機，其油氣分離器通風(fēng)管連接到空氣濾清器上，曲軸箱內(nèi)的竄氣同濾清器的空氣共同被增壓器吸入進氣道，導(dǎo)致在油氣分離效率低下的情況下使空氣濾清器更易堵塞，從而縮短空氣濾清器的更換周期，并且造成降低進氣效率、增大進氣負(fù)壓、影響發(fā)動機燃燒、增加油耗等現(xiàn)象。為了提高油氣分離器的分離效率、減少機油攜出量，并維持合理的曲軸箱壓力，在與整車廠協(xié)商后提出了新油氣分離器方案:在發(fā)動機罩蓋處迷宮預(yù)分離器之后，將原有的帶有壓力閥的離心式油氣分離器改為帶有玻璃纖維濾芯的彌散式油氣分離器；同時對該分離器的效率進行考量，在試驗所得具體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別在活塞漏氣量、曲軸箱流量阻力特性、曲軸箱壓力以及油氣分離器機油攜出量和油氣分離效率等方面將新、舊兩種方案進行對比，并對對比結(jié)果進行理論分析。

2 試驗儀器及試驗方法

原離心式分離器（圖1）工作時，油氣混合物經(jīng)進油口進入分離器后噴灑在隔板上，擴散后的油靠重力沿內(nèi)壁下滑到分離器的下部，經(jīng)排油管排出。同時，氣體因密度小而上升，經(jīng)內(nèi)壁集中向上改變流動方向，將氣體中的小油滴粘附在過濾皮上，聚集后附壁而下，脫油后的氣體經(jīng)分離器出氣管進入管線排出。

新的彌散式分離器帶有控制閥、卸壓閥和濾芯式分離結(jié)構(gòu)，用來保證分離器正常工作和防止曲軸箱異常高壓，并通過彌散分離的方法分離竄漏氣中的油滴。

試驗是在BFM2012柴油機上進行，該發(fā)動機的性能參數(shù)如表1所列。發(fā)動機扭矩由渦流型水力測功機WE-42測量，燃油消耗量由燃油消耗測量儀FCM05采集，燃油恒溫系統(tǒng)RWK01控制燃油溫度，活塞漏氣量由漏氣量測量儀AVL442測量，系統(tǒng)壓力由U型管讀取。試驗所設(shè)置的各邊界條件如表2所列。試驗中所測取的漏氣量及各壓力的測點布置見表3。其他點和設(shè)備參考圖如圖2所示。

表1 BFM2012柴油機性能參數(shù)

表2 邊界條件

表3 試驗測點布置

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 活塞漏氣量的對比

圖3所示為原油氣分離器及新油氣分離器的活塞漏氣量隨轉(zhuǎn)速變化的對比關(guān)系。從圖3中可以看出，隨轉(zhuǎn)速的升高兩種油氣分離器漏氣量均逐漸增大。即發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高、功率加大，氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力升高，經(jīng)由活塞環(huán)的側(cè)隙和開口間隙流向曲軸箱的漏氣量增多。由圖3還可看出，采用新油氣分離器后漏氣量比原油氣分離器略有減少，不同工況可下降1～3 L/min不等。根據(jù)汽車發(fā)動機可靠性試驗方法GBT 19055-2003，該發(fā)動機的活塞漏氣量應(yīng)不大于70 L/min，由圖3看出原油氣分離器和新油氣分離器的漏氣量均接近55 L/min，符合國標(biāo)要求。

3.2 曲軸箱流量阻力特性對比

曲軸箱流量阻力特性反映的是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各部分的壓差阻力隨活塞漏氣量的變化關(guān)系，可反映出通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布，也可在一定程度上反映出曲軸箱通風(fēng)的難易程度。

圖4為原油氣分離器與新油氣分離器曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)流量阻力分布。由圖4可以看出，新油氣分離器的流量阻力分布規(guī)律與原油氣分離器幾乎相同，部分工況的搖臂室壓力大于曲軸箱壓力，從而導(dǎo)致曲軸箱壓力與搖臂室的壓力差為負(fù)值。這是由于隨著漏氣量的增大，搖臂室到油氣分離器的出氣不暢，通風(fēng)道阻力變大，因此導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)搖臂室的壓力稍大于曲軸箱的壓力。

根據(jù)油氣分離器國標(biāo)QCT812的規(guī)定，在額定空氣體積流量下，在無發(fā)動機臺架測試中，新油氣分離器總成的上游和下游規(guī)定測壓點測得的壓力之差應(yīng)不大于1.5 kPa；在額定工況下滿足試驗壽命，總成壓力差應(yīng)不大于5 kPa。一般在滿足曲軸箱壓力最大指標(biāo)范圍內(nèi)，油氣分離器壓損值越小越好。從圖4中可知，在額定空氣體積流量（60 L）下，對應(yīng)的原油氣分離器壓損值＜0.25 kPa，新油氣分離器壓損值＜1.3 kPa，因而兩種油氣分離器均符合設(shè)計指標(biāo)。

圖5所示為怠速時原油氣分離器與新油氣分離器流量阻力特性。從圖5中可以看出，隨著漏氣量的增大，新、舊油氣分離器的阻力均升高，且新油氣分離器流量阻力升高明顯。原油氣分離器當(dāng)漏氣量大于60 L/min時，阻力增加幅度較明顯。由于新油氣分離器增加了玻璃纖維的濾芯結(jié)構(gòu)，使得整體的阻力增大明顯，提高油氣分離效率將無法避免流量阻力增大，所以在選擇油氣分離器時需要平衡阻力與分離效率這對矛盾關(guān)系。

3.3 曲軸箱阻力特性對比

曲軸箱阻力特性反映的是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各部分的阻力隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，可在一定程度上反映曲軸箱通風(fēng)的難易程度。

圖6所示為原油氣分離器與新油氣分離器的通風(fēng)系統(tǒng)外特性阻力分布?？芍掠蜌夥蛛x器通風(fēng)系統(tǒng)的外特性阻力分布規(guī)律與原油氣分離器相近，新油氣分離器產(chǎn)生的阻力較原油氣分離器平均增大200 Pa左右。

圖7所示為外特性油氣分離器阻力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖7中可以看出，外特性油氣分離器阻力隨轉(zhuǎn)速的變化與圖4兩油氣分離器的流量阻力特性相符，都反映了采用新油氣分離器后曲軸箱內(nèi)各零部件及油氣分離器的阻力均有所增加，這對發(fā)動機曲軸箱的壓力平衡有一定的阻礙作用，使得曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)工作難度加大。

3.4 曲軸箱壓力對比

活塞漏氣如不及時排出會導(dǎo)致漏氣、漏油現(xiàn)象，因而曲軸箱壓力的平衡也至關(guān)重要，相對較小的曲軸箱壓力對發(fā)動機較安全。圖8為原油氣分離器與新油氣分離器外特性曲軸箱壓力對比。由圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，曲軸箱壓力均大幅增大，但新油氣分離器的曲軸箱壓力比原油氣分離器略高，高出壓力平均為40 Pa。由前文可知,隨轉(zhuǎn)速的升高新油氣分離器的通風(fēng)系統(tǒng)阻力比原油氣分離器大，從而導(dǎo)致曲軸箱壓力略有升高。但新油氣分離器設(shè)置有平衡曲軸箱壓力的卸壓閥，當(dāng)曲軸箱壓力超過設(shè)定允許值時其會自動卸壓，從而保證發(fā)動機在合理的曲軸箱壓力范圍內(nèi)工作。

3.5 油氣分離器機油攜出量和油氣分離效率對比

活塞竄氣中含有不少機油，如不將其分離并送回發(fā)動機，會污染發(fā)動機零部件并造成機油浪費。表4、表5所示原油氣分離器與新油氣分離器的機油攜出量和油氣分離效率，此時發(fā)動機工況為額定工況，漏氣通道為罩蓋側(cè)方。由表4～表5可知，原油氣分離器的分離效率僅為53%，而新油氣分離器的分離效率提高到了79%～95%，這說明新油氣分離器方案可有效對曲軸箱竄氣中的油氣進行分離。

表4 原油氣分離器機油攜出量和分離效率

表5 新油氣分離器機油攜出量和分離效率

從分離機理看，原油氣分離器采用的是將竄漏氣引入油氣分離器，并且通過流道的設(shè)計使竄漏氣在油氣分離器內(nèi)部進行高速旋轉(zhuǎn)；由于油滴密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體的密度，在離心力的作用下，油滴從竄漏氣中分離出來。但是這種分離方法只對質(zhì)量較大的對象起作用，無法有效去除體積小的油滴。新油氣分離器采用的纖維式濾芯可以通過彌散分離的方法分離竄漏氣中的油滴。彌散分離過程如圖9所示。根據(jù)iso20564試驗標(biāo)準(zhǔn)中采用的油滴分布典型曲線可知，曲軸箱排氣氣溶膠體中油滴的平均直徑約0.9 μm，彌散式分離器通過采用慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)及漫射效應(yīng)等可將小油滴分離出來。因此，在最終的分離效率以及攜油量上新油氣分離器的效果明顯。

4 結(jié)束語

針對BFM2012柴油機匹配車型存在的油氣分離效率低問題，提出了將原有的帶有壓力閥的離心式油氣分離器改為帶有玻璃纖維濾芯的彌散式油氣分離器的新油氣分離器方案，并將兩者做了對比試驗研究，得出以下結(jié)論:

a.無論是隨轉(zhuǎn)速還是隨漏氣量的變化，新油氣分離器的阻力分布與原油氣分離器都十分相近；但新油氣分離器的阻力比原油氣分離器增加明顯，且搖臂室到油氣分離器入口處之間出氣通道的阻力所占比例最大。

b.隨著轉(zhuǎn)速的提高，原油氣分離器及新油氣分離器的壓力均大幅增大，新油氣分離器的曲軸箱壓力平均高出原油氣分離器約40Pa，對發(fā)動機影響較小。

c.新油氣分離器可以減少機油攜出量，且油氣分離效率由原來的53%提高到了79%～95%。

d.原油氣分離器為長壽命部件，靠零部件的結(jié)構(gòu)尺寸等保證功能，不需要定期更換。新油氣分離器的濾芯有一定的使用周期，需要定期更換和維護，增加了一定的使用成本。

1 倪計民.汽車內(nèi)燃機原理.上海:同濟大學(xué)出版社，1997.

2 楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1987.

3 蔡小偉.柴油機曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)的試驗研究與開發(fā).柴油機，2001，3，33.

4 Hill S.，Systsma S.A Systems Approach to Oil Consumption.SAE 910743.

5 Bastias P，Grafl D，Wagner J，et al.Air/oil separation in cylinder head covers.SAE，2004-01-2933.

6 宗雋杰，倪計民.曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器的性能研究.內(nèi)燃機工程，2010， 31（4）.

7 Clark N N，Tatli E，Barnett R，etal.Characterization and a?batement of diesel crankcase emission.SAE，2006-01-3372.

8 Ebner W，Jascher A O.Die low-by-messung-anforderungen und meprinzipien.MTZ，1998，59（2）:90～95.

9 Pagnozzi R M，Perira D C，Spielmann L，et al.Methodlogy applied on the validation of air/oil separation systems inte?grated to the crankcase ventilation valve.SAE，2007-01-2757.

10 王駿.曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢.柴油機設(shè)計與制造，2012，18（2）.