某增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的分析和解決

肖姍姍韓廣華韓玉偉韓二龍王　嚴(yán)（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

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某增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)
失效的分析和解決

肖姍姍1，2韓廣華1，2韓玉偉1，2韓二龍1，2王嚴(yán)1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：近年來發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴、多級增壓、VVT/L（可變氣門正時/升程）等新技術(shù)不斷問世，發(fā)動機(jī)動力性加強(qiáng)的同時，活塞漏氣量也大幅增加。因此對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離效果提出了更高的要求。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，油氣分離效果差，將加速潤滑油變質(zhì)和機(jī)件腐蝕，同時有害排放物也會大幅增加。針對某直噴增壓發(fā)動機(jī)竄機(jī)油嚴(yán)重的原因進(jìn)行分析，通過CFD計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化油氣分離器方案，有效解決了發(fā)動機(jī)竄油問題。

關(guān)鍵詞：直噴汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離竄油

引言

隨著發(fā)動機(jī)性能的全面提升，油耗及排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，因此各主機(jī)廠越發(fā)重視發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的研究，提高油氣分離效率及可靠性已經(jīng)提上日程。

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的功用為：發(fā)動機(jī)工作時，部分可燃混合氣和廢氣經(jīng)活塞環(huán)竄入曲軸箱內(nèi)，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可將竄入曲軸箱的油氣進(jìn)行油氣分離，將分離出來的機(jī)油回到油底殼，分離后的廢氣再次被吸入氣缸內(nèi)燃燒。因此，曲軸箱通風(fēng)降低了發(fā)動機(jī)曲軸箱內(nèi)部壓力，避免各密封面滲漏；并防止?jié)櫥妥冑|(zhì)及燃油稀釋機(jī)油，減輕機(jī)件磨損和腐蝕；最終回收可燃?xì)怏w，減少污染[1]。

1曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效問題描述

某增壓直噴發(fā)動機(jī)磨合試驗(yàn)例行檢查中，發(fā)現(xiàn)機(jī)油液位已經(jīng)處于下刻線，檢查發(fā)動機(jī)無漏油，拆開發(fā)動機(jī)管路，發(fā)現(xiàn)在中冷器與增壓器連通的管路中存在大量機(jī)油，詳見圖1。排查曲軸箱通風(fēng)管路，確認(rèn)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效導(dǎo)致發(fā)動機(jī)竄油。

圖1　發(fā)動機(jī)竄油

2曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效分析

2.1曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

2.1.1曲軸箱通風(fēng)原理

增壓發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷工況時，節(jié)氣門半開，進(jìn)氣歧管負(fù)壓很大，PCV閥導(dǎo)通，曲軸箱竄氣經(jīng)部分負(fù)荷油氣分離器進(jìn)行油氣分離后，通過PCV閥、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)管進(jìn)入進(jìn)氣歧管。路線如圖2所示。

新鮮空氣經(jīng)過空氣濾清器后，通過曲軸箱通風(fēng)口補(bǔ)充進(jìn)入曲軸箱。

圖2　發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷時曲軸箱通風(fēng)原理圖

增壓發(fā)動機(jī)全負(fù)荷工況時節(jié)氣門全開，此時增壓器工作，進(jìn)氣歧管處產(chǎn)生很大的正壓，PCV閥處于逆止?fàn)顟B(tài)。曲軸箱竄氣經(jīng)高負(fù)荷油氣分離器分離，竄出曲軸箱通風(fēng)口，通過曲軸箱通風(fēng)管導(dǎo)入壓氣機(jī)前端，最終進(jìn)入進(jìn)氣歧管，如圖3所示。

新鮮空氣經(jīng)PCV閥上的補(bǔ)氣孔進(jìn)入曲軸箱[1]。

圖3　發(fā)動機(jī)全負(fù)荷時曲軸箱通風(fēng)原理圖

2.1.2油氣分離原理

油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)，主要是利用油滴的慣性和撞擊實(shí)現(xiàn)油氣分離。曲軸箱竄氣中的氣體和油滴密度不同，在流動中由于慣性作用，大油滴很容易被捕捉，被分離出的機(jī)油順利回到油底殼，而小直徑油滴跟隨性強(qiáng)，易隨竄氣竄出曲軸箱，因此油氣分離器需要對小直徑油滴進(jìn)行有效分離，來提高油氣分離效率[2-3]。

2.2曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.2.1曲軸箱壓力

依據(jù)曲軸箱通風(fēng)原理，增壓發(fā)動機(jī)允許少數(shù)低負(fù)荷工況的曲軸箱為正壓，壓力應(yīng)< 2 kPa；在高負(fù)荷工況下曲軸箱壓力均為負(fù)壓，最低曲軸箱壓力均應(yīng)> -5 kPa，發(fā)動機(jī)在最惡劣的情況下，曲軸箱的最低壓力≥-7.5 kPa。

2.2.2通風(fēng)口位置

在不影響整機(jī)布置的前提下，曲軸箱通風(fēng)口位置相對回油口高度盡量高，可有效防止油氣分離腔內(nèi)積存機(jī)油而造成的溢流。

2.2.3機(jī)油含量

油氣分離原理表明油氣分離器的有效分離是盡可能將小直徑機(jī)油進(jìn)行分離回收。在正?；钊饬壳闆r下，油氣分離效率滿足進(jìn)入進(jìn)氣歧管的平均機(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。

2.3問題排查

查看整個試驗(yàn)過程，確認(rèn)發(fā)動機(jī)大量竄油主要出現(xiàn)在高速高負(fù)荷工況。根據(jù)標(biāo)桿機(jī)對比，對發(fā)動機(jī)竄油進(jìn)行評審分析，針對如下可能原因進(jìn)行逐一排查。

2.3.1調(diào)整通風(fēng)口位置

依據(jù)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，提高發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)口位置，確認(rèn)其對曲軸箱通風(fēng)效果的影響。將原通風(fēng)口位置抬高30 mm，如圖4所示。在高速高負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，觀察發(fā)動機(jī)竄油情況仍無改善，因此確定通風(fēng)口位置低不是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)大量竄油的主要原因。

圖4　曲軸箱通風(fēng)口位置變化

2.3.2曲軸箱壓力測試

曲軸箱壓力異常會導(dǎo)致曲軸箱竄油，對發(fā)動機(jī)曲軸箱壓力進(jìn)行排查。選取3個樣件，發(fā)動機(jī)高速高負(fù)荷工況下分別進(jìn)行曲軸箱壓力測試，如圖5所示。由圖5可以看出，曲軸箱壓力測試結(jié)果均滿足大于-5 kPa的設(shè)計(jì)要求。測試完成后查看發(fā)動機(jī)仍竄出大量機(jī)油。

圖5　曲軸箱壓力圖

2.3.3取消高負(fù)荷工況補(bǔ)氣

補(bǔ)氣量過大時，發(fā)動機(jī)曲軸箱竄氣量隨之增大，此時會增加油氣分離的負(fù)擔(dān)，因此對高負(fù)荷補(bǔ)氣量進(jìn)行排查。采用PCV閥與進(jìn)氣歧管之間連接單向閥的方式，取消新鮮空氣補(bǔ)充進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)動機(jī)高速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)1 h，收集竄出的液體顏色很深且超過200 mL，如圖6所示?？梢姼哓?fù)荷補(bǔ)氣量不是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)竄油的主要原因。

圖6　發(fā)動機(jī)竄出液體

2.3.4油氣分離器效果分析

油氣分離器結(jié)構(gòu)不合理可導(dǎo)致油氣分離效率低，不能將竄氣里的機(jī)油進(jìn)行有效分離。根據(jù)油氣分離器原理，對比標(biāo)桿油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新油氣分離器方案進(jìn)行分析計(jì)算。

1）新方案設(shè)計(jì)

分析原油氣分離器設(shè)計(jì)方案，柵板方向與竄氣方向平行，竄氣易攜帶機(jī)油分子隨柵板縫隙逃離，不利于機(jī)油分離。改變油氣分離器柵板方向，此時柵板方向與竄氣流動方向垂直，詳見圖7。對更改前后兩種方案進(jìn)行流體計(jì)算，對比油氣分離器壓損及分離效率。

圖7　油氣分離器柵板結(jié)構(gòu)更改前后對比

2）CFD分析

更改前油氣分離器壓損451 Pa，見圖8。

圖8　更改前壓損分析結(jié)果

更改后油氣分離器壓損434 Pa，見圖9。

圖9　更改后壓損分析結(jié)果

根據(jù)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，油氣分離器壓損建議＜500 Pa，從壓損分析結(jié)果看，更改前后壓損沒有明顯改變，滿足系統(tǒng)要求。

通常，油氣分離效率計(jì)算以1 μm直徑油滴分離效率做為評價指標(biāo)，由圖10油氣分離效率曲線看出更改后明顯優(yōu)于更改前。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

圖10　更改前后油氣分離效率曲線對比

表1　油氣分離效率對比表

根據(jù)以上計(jì)算看出，該發(fā)動機(jī)曲軸箱竄油嚴(yán)重的主要原因?yàn)橛蜌夥蛛x器結(jié)構(gòu)不合理，機(jī)油容易隨竄氣逃離曲軸箱，導(dǎo)致油氣分離效果差，發(fā)動機(jī)竄油嚴(yán)重[3]。

3整改措施及效果驗(yàn)證

根據(jù)CFD計(jì)算結(jié)果，將更改后的油氣分離器結(jié)構(gòu)制作樣件，與原方案進(jìn)行對比試驗(yàn)。選擇發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速，在高負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)1h，收集曲軸箱竄出的液體質(zhì)量，將混合液體中的機(jī)油提取出來，根據(jù)機(jī)油含量進(jìn)行對比分析。分析結(jié)果詳見圖11。

圖11　油氣分離效果曲線對比

由圖11看出：更改后油氣分離器分離出的機(jī)油質(zhì)量均小于2 g/h，分離效果優(yōu)于更改前，且符合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。由此可見原油氣分離器設(shè)計(jì)柵板方向與竄氣流動趨勢平行，此結(jié)構(gòu)不合理，竄氣攜帶油滴容易逃離，導(dǎo)致油氣分離失效。更改后油氣分離器柵板方向與竄氣流動方向垂直，擋油效果良好，大大提高了油氣分離效率。

4結(jié)論

綜合CFD計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)油氣分離器分離效率低是導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的主要原因。更改油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后有效解決了發(fā)動機(jī)曲軸箱竄油問題，大大降低了發(fā)動機(jī)油耗、排放惡化等風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

1周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

2蔣德明.高等內(nèi)燃機(jī)原理[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2002

3宗雋杰，倪計(jì)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

·設(shè)計(jì)·計(jì)算·

Failure Analysis and Solution of Crankcase Ventilation System for Boost Pressure in TGDI Engine

Xiao Shanshan1，2，Han Guanghua1，2，Han Yuwei1，2，Han Erlong1，2，Wang Yan1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding, Hebei，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center

Abstract：Recently，engine technologies such as gasoline direct injection，multi-stage turbocharging and VVT/L are applied on engines. Performance of the engine has been enhanced on one hand，but the piston blow-by increases by a large margin on the other hand. Therefore，there is a higher demand of oil separating performance of the crankcase ventilation system. Bad effect of oil separating，caused by the unreasonable design of crankcase ventilation system，makes the lubrication go bad quickly and results in parts corrosion. Meanwhile it leads to a big increase of harmful emission. This article makes a research and analysis aiming at the reason of bad blow-by performance on some GDI engine. And the optimized separator solves the problem effectively by means of CFD calculation and test verification.

Keywords：Direct Injection（TGDI），Gasoline engine，Crankcase ventilation system，Gas-oil dissociation，Oil expelling

收稿日期：（2015-03-01）

文章編號：2095-8234（2015）03-0052-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK414.5

作者簡介：肖珊珊（1986-），女，工程師，主要從事發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的研究和開發(fā)。