某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)竄油問題的解決

趙達(dá)，蔣恩杰，李連豹，李雙清，王瑞平，2

(1.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336)

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某發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)竄油問題的解決

趙達(dá)1，蔣恩杰1，李連豹1，李雙清1，王瑞平1，2

(1.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336)

某發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)竄油現(xiàn)象，下進(jìn)氣歧管、活塞表面存在機(jī)油燒結(jié)物。為解決此問題，對(duì)油氣分離結(jié)構(gòu)(迷宮式)進(jìn)行優(yōu)化，用CFD軟件分析更改后油氣分離器的流動(dòng)速度、壓力損失及分離效率，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量?jī)?yōu)化后油氣分離結(jié)構(gòu)的機(jī)油攜帶量、曲軸箱壓力，表明優(yōu)化后油氣分離結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求。

油氣分離結(jié)構(gòu)(迷宮式)；CFD分析；油氣分離試驗(yàn) ；發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)做功燃燒過程的末端，在高壓力下，燃燒室內(nèi)氣體(主要包括：已燃燒的氣體、未燃燒的氣體及水蒸氣等)通過活塞環(huán)竄入曲軸箱，業(yè)內(nèi)將這種泄漏成為“竄氣”[1-2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，若竄氣不能及時(shí)排出，會(huì)導(dǎo)致曲軸箱壓力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)各結(jié)合部位容易產(chǎn)生漏氣、漏油問題[3]；還會(huì)稀釋曲軸箱內(nèi)機(jī)油，使機(jī)油變質(zhì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)早期磨損。為防止竄氣影響整機(jī)性能及可靠性，必須采用曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。

由于曲軸箱內(nèi)存在大量機(jī)油液滴，會(huì)隨著竄氣一起排出曲軸箱，從而造成機(jī)油消耗量增加并污染環(huán)境，因此，必須采用油氣分離器對(duì)竄氣進(jìn)行油氣分離處理。

主要針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，為解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)竄油問題，對(duì)油氣分離結(jié)構(gòu)(迷宮式)進(jìn)行優(yōu)化，用CAE軟件分析及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，判定優(yōu)化后油氣分離結(jié)構(gòu)是否滿足正常使用要求。

1 問題描述

某發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)機(jī)油消耗嚴(yán)重，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)下進(jìn)氣歧管有機(jī)油痕跡，且活塞表面存在機(jī)油燒結(jié)物，詳見圖1、圖2所示。

圖1 下進(jìn)氣歧管機(jī)油痕跡

圖2 活塞頂面存在機(jī)油燒結(jié)物

檢查曲軸箱通風(fēng)軟管，發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)管內(nèi)存在大量機(jī)油。

曲軸箱通風(fēng)左側(cè)為PCV閥側(cè)，工作工況為中低轉(zhuǎn)速、中小負(fù)荷，此工況發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離效率要求嚴(yán)格；右側(cè)為曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)側(cè)，工作工況一般是中高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷，使用概率較小，可適當(dāng)放寬分離效率，盡量降低曲軸箱壓力損失，保證通透性，詳見圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)左、右側(cè)曲軸箱通風(fēng)軟管

根據(jù)上述情況分析，判定發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗高原因?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離系統(tǒng)油氣分離效果差，導(dǎo)致機(jī)油從曲軸箱通風(fēng)軟管進(jìn)入進(jìn)氣歧管內(nèi)，再通過下進(jìn)氣歧管進(jìn)入燃燒室參與燃燒，出現(xiàn)機(jī)油消耗高問題。

2 優(yōu)化方案

針對(duì)油氣分離器分離效果差問題，對(duì)左右側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)在左側(cè)油氣分離器上增加4個(gè)迷宮擋板，詳見圖4、圖5所示。

圖4 原左側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)

圖5 優(yōu)化后左側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)

(2)在右側(cè)油氣分離器上增加2個(gè)迷宮擋板，詳見圖6、圖7所示。

圖6 原右側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)

圖7 優(yōu)化后右側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)

3 CAE分析

按照分析流程[3]對(duì)優(yōu)化后左右側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE分析，確認(rèn)是否滿足要求。分析流程詳見圖8所示。

圖8 CAE分析流程

3.1 CFD計(jì)算網(wǎng)格建立

創(chuàng)建左、右側(cè)油氣分離結(jié)構(gòu)模型并建立計(jì)算網(wǎng)格，詳見圖9所示。

圖9 左右側(cè)油氣分離器網(wǎng)格

3.2 流動(dòng)速度分析

油氣分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，左側(cè)新增擋板處流速大于1 m/s，有利于油滴撞擊捕獲；右側(cè)擋板附近流速也有一定提升。詳見圖10—14。

圖10 表面速度-左側(cè)

圖11 切片速度-左側(cè)

圖12 表面速度-右側(cè)

圖13 切片速度-右側(cè)

3.3 分離效率對(duì)比

從入口處將直徑分別為1、3、5、10、15 μm的油滴均勻噴入油氣分離器計(jì)算流域內(nèi)(油滴總數(shù)量為1 249個(gè))，確認(rèn)油滴捕捉效率，并進(jìn)行對(duì)比，詳見圖14—15所示。

圖14 左側(cè)分離效率對(duì)比

圖15 右側(cè)分離效率對(duì)比

從不同油滴直徑分離效果對(duì)比看，左側(cè)優(yōu)化定型后結(jié)構(gòu)分離效率有很大提高，右側(cè)分離效率也有所上升，詳見表1。

表1 油滴捕獲率數(shù)據(jù)對(duì)比

%

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架試驗(yàn)采用6缸、四沖程、水冷V形發(fā)動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力不大于8 MPa。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度采用機(jī)油恒溫裝置控制，機(jī)油溫度控制在(95±5)℃，冷卻液溫度采用恒溫控制裝置，出水溫度控制在(88±5)℃。

4.1 曲軸箱壓力試驗(yàn)

(1)怠速曲軸箱壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

冷怠速曲軸箱壓力測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，保證發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度為0，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)在冷怠速工況下曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各位置壓力(檢測(cè)位置詳見圖16)，記錄時(shí)間不少于60 s，記錄頻次不少于1 Hz，試驗(yàn)結(jié)果詳見圖17。

圖16 各壓力檢測(cè)位置示意圖

圖17 各位置壓力檢測(cè)結(jié)果(冷怠速)

熱怠速曲軸箱壓力測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)在30%額定轉(zhuǎn)速30%負(fù)荷熱機(jī)，待出水溫度達(dá)到92 ℃時(shí)，持續(xù)運(yùn)行30 min后，發(fā)動(dòng)機(jī)回到怠速工況，記錄曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各位置壓力，記錄時(shí)間不少于60 s，記錄頻次不小于1 Hz。試驗(yàn)結(jié)果詳見圖18所示。

(2)曲軸箱壓力萬(wàn)有特性試驗(yàn)

從1 200 r/min開始測(cè)量，轉(zhuǎn)速1 200 r/min到額定轉(zhuǎn)速，間隔400 r/min；BMEP從0.1 MPa到最大，間隔0.1 MPa，待機(jī)油溫度等各試驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果詳見圖19所示。

圖19 曲軸箱壓力萬(wàn)有曲線

(3)機(jī)油攜帶量試驗(yàn)

試驗(yàn)前用控溫加熱裝置將濾芯在120 ℃烘干2～4 h，烘干后測(cè)量濾芯質(zhì)量并記錄，暖機(jī)并達(dá)到額定功率，機(jī)油溫度穩(wěn)定在90 ℃，冷卻液出口溫度在95 ℃，停機(jī)，安裝濾芯并更換濾罐與氣缸蓋罩之間的連接軟管，時(shí)間小于10 min，發(fā)動(dòng)機(jī)在全速30%負(fù)荷、全速全負(fù)荷各運(yùn)行2 h停機(jī)，試驗(yàn)過程中控制加熱裝置維持濾芯溫度在110 ℃。部分負(fù)荷及全速全負(fù)荷工況收集裝置安裝位置如圖20、圖21所示。

圖20 部分負(fù)荷收集裝置位置

圖21 全速全負(fù)荷收集裝置位置

試驗(yàn)結(jié)束后，稱量濾芯質(zhì)量并記錄，將濾芯用溫控加熱裝置在120 ℃條件下烘干12 h，烘干后稱重，計(jì)算出的2 h試驗(yàn)前后濾芯的質(zhì)量差就是攜帶機(jī)油的總量。試驗(yàn)結(jié)果如下：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況6 000 r/min、30%負(fù)荷運(yùn)行2 h后，拆除濾罐，放置到控溫加熱裝置中，采用120 ℃加熱12 h后，試驗(yàn)后濾芯增重1 g，機(jī)油攜帶量為0.5 g/h。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況6 000 r/min、全速全負(fù)荷運(yùn)行2 h后，拆除濾罐，放置到控溫加熱裝置中，采用120 ℃加熱12 h后，試驗(yàn)后濾芯增重2 g，機(jī)油攜帶量為1 g/h。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)試驗(yàn)，油氣分離器油氣分離效果較好，沒有過多的機(jī)油竄入進(jìn)氣管路。

4.2 耐久試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的油氣分離器，搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)完成后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，燃燒室及活塞表面無(wú)明顯機(jī)油燒結(jié)物，詳見圖22、圖23所示。

圖22 燃燒室內(nèi)無(wú)明顯機(jī)油燒結(jié)物

圖23 活塞表面內(nèi)無(wú)明顯機(jī)油燒結(jié)物

5 總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器分離效果差，機(jī)油通過PCV閥軟管或通風(fēng)軟管竄入燃燒室參與燃燒是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗高的主要原因之一。

對(duì)油氣分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過CFD計(jì)算，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后油氣分離器的流動(dòng)及分離效率的模擬計(jì)算；采用曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的專項(xiàng)臺(tái)架試驗(yàn)，確認(rèn)優(yōu)化后油氣分離器的機(jī)油攜帶量、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力萬(wàn)有曲線；最后通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)，確認(rèn)是否達(dá)到提升油氣分離器分離效率的目的。

【1】倪計(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

【2】蔡小偉.柴油機(jī)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研發(fā)與開發(fā)[J].柴油機(jī)，2011,33(3):42-45.

CAI X W.Experimental Research and Development of Forced Ventilating System of Diesel Engine’s Crankcase[J].Diesel Engine,2011,33(3):42-45.

【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.

ZONG J J,NI J M,QIU X J,et al.Study on Performance of Air/Oil Separator in Crankcase Ventilation System[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,31(2):86-91.

【4】GB/T 18297-2001汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[M].

【5】GB/T 19055-2003汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法[M].

《汽車零部件》征稿啟事

《汽車零部件》(Automobile Parts)是由國(guó)家科技部主管，中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、中國(guó)汽車零部件工業(yè)公司主辦，機(jī)械工業(yè)汽車零部件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心承辦的以汽車零部件技術(shù)發(fā)展為內(nèi)容的技術(shù)性科技期刊。每月28號(hào)出版，國(guó)際刊號(hào)ISSN 1674-1986，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN11-5661/TH，面向全國(guó)公開發(fā)行。《汽車零部件》內(nèi)容上著重技術(shù)介紹，涉及理論研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造工藝技術(shù)、設(shè)備使用維修和技術(shù)改造方面的最新科研生產(chǎn)成果和國(guó)內(nèi)外最新發(fā)展動(dòng)向。刊物的主要欄目：聚焦決策者、研究與開發(fā)、檢測(cè)與維修、動(dòng)態(tài)與綜述、技術(shù)新視野、市場(chǎng)與信息等。

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《汽車零部件》編輯部

Solution for the Oil Flee Problem in an Engine Crankcase Ventilation System

ZHAO Da1，JIANG Enjie1，LI Lianbao1，LI Shuangqing1，WANG Ruiping1，2

(1.Zhejiang Geely Royal Engine Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315800,China;2.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315336,China)

The oil flee phenomenon of crankcase ventilation system is occurred when conducting the engine bench test.Some oil sinter appears on the surface of the intake manifold and the piston.To solve this problem,the oil gas separation structure (labyrinth) was optimized. The oil and gas separator flow speed, pressure loss and separation efficiency of the engine after optimization were analyzed by CFD software.Then they were verified by bench test.The carrying amount, crankcase pressure of the optimized oil gas separation structure were measured.It is shown that the optimized oil gas separation structure satisfies the requirement of normal use.

Oil and gas separation structure (labyrinth);CFD analysis;Oil and gas separation test;Engine endurance test

2016-07-21

趙達(dá)，男，博士，E-mail:zhouyao@geely.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.004

U464

A

1674-1986(2016)10-017-06