柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

秦鳳蓮

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041)

柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)研究

秦鳳蓮

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 200041)

針對(duì)某款柴油機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出口出現(xiàn)的大量機(jī)油問(wèn)題，在試驗(yàn)臺(tái)架上測(cè)量了其在不同工況下的機(jī)油溢出量，在排除發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量及竄氣中機(jī)油含量高等原因后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的安裝角度，分析了該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油溢出量高的原因。采用橡膠膜片單向閥，在儲(chǔ)油腔內(nèi)壁增加6°斜槽，同時(shí)優(yōu)化預(yù)分離結(jié)構(gòu)后，得到了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，橡膠膜片閥式的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)油溢出試驗(yàn)中機(jī)油溢出量很少，滿足該發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)臺(tái)架 柴油機(jī) 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng) 機(jī)油溢出

0 前言

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮和膨脹過(guò)程中，氣缸中的高壓燃?xì)?包括燃料)會(huì)不可避免地經(jīng)過(guò)活塞環(huán)的間隙而漏入曲軸箱內(nèi)，如果曲軸箱不設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，不立即排出這些有害氣體，會(huì)造成以下不良后果:(1)油底殼內(nèi)的機(jī)油被滲漏出的氣體污染，被燃料(汽油或柴油)所稀釋，再加上加熱氧化作用，就會(huì)使機(jī)油的使用壽命縮短;(2)曲軸箱內(nèi)的氣體壓力升高，當(dāng)其壓力高于外部壓力時(shí)，就會(huì)引起機(jī)油從曲軸兩端油封處漏出，同時(shí)，會(huì)增加活塞的泵氣損失。因此，內(nèi)燃機(jī)中都設(shè)有曲軸箱通風(fēng)裝置［1-3］。

如果采用曲軸箱開(kāi)式系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)，竄氣會(huì)夾雜著大量的污染物排出。為了避免柴油機(jī)的竄氣直接排出，通過(guò)閉式系統(tǒng)即曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣濾清器與增壓器進(jìn)氣管之間的接管中。

為了減少油霧從曲軸箱通風(fēng)口中逸出，從而減少機(jī)油耗和降低排放，需在通風(fēng)裝置內(nèi)部設(shè)有高效的油氣分離裝置，即將油氣混合物中的機(jī)油分離出來(lái)使其重新回到油底殼中，而分離出的氣體因含有碳?xì)?HC)等成分，將其重新引入燃燒室中進(jìn)行燃燒［4］。通常曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)由一級(jí)分離系統(tǒng)和二級(jí)分離系統(tǒng)組成。一級(jí)分離系統(tǒng)又稱預(yù)分離系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)將混合氣中較大的油粒清除，以減輕二級(jí)分離系統(tǒng)的工作壓力;二級(jí)分離系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將一級(jí)分離系統(tǒng)處理過(guò)的混合氣中的絕大部分油粒清除。

對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在整車上的安裝角度等不同，需要選配不同類型的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求［5］。本文即針對(duì)某4缸柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)總成存在大量機(jī)油溢出問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)研究背景

在工程研發(fā)階段對(duì)某4缸柴油機(jī)進(jìn)行磨合及耐久試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)總成出口處有大量機(jī)油積聚，如圖1所示。

圖1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出口處有大量機(jī)油

2 原方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

該發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)為半集成式系統(tǒng)，通過(guò)螺栓直接安裝在氣門室罩蓋上。該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要由預(yù)分離結(jié)構(gòu)、精細(xì)分離結(jié)構(gòu)、壓力調(diào)節(jié)閥及回油單向閥組成，其中預(yù)分離結(jié)構(gòu)為迷宮式結(jié)構(gòu)，精細(xì)分離結(jié)構(gòu)為撞擊式結(jié)構(gòu)，回油單向閥為塑料結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，曲軸箱內(nèi)的混合氣首先到達(dá)預(yù)分離結(jié)構(gòu)，將部分大分子機(jī)油直接分離至氣門室罩蓋內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)精細(xì)分離將過(guò)濾出的機(jī)油通過(guò)單向閥流回至氣門室罩蓋內(nèi)，分離出的氣體則通過(guò)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出口進(jìn)入氣缸內(nèi)參與燃燒。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)原方案曲軸箱通風(fēng)總成

2．1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試

該柴油機(jī)為直列4缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，標(biāo)定點(diǎn)功率為110 kW，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，最大扭矩為350 N·m(1 800～2 600 r/min)，壓縮比為15．8，點(diǎn)火次序?yàn)?-3-4-2。該發(fā)動(dòng)機(jī)允許的最大活塞漏氣量為55 L/min，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油溢出量小于1．5 g/h。在所有試驗(yàn)前，都必須要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行調(diào)試和確認(rèn)。

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下和模擬各種惡劣條件下進(jìn)行的部分負(fù)荷和全負(fù)荷的測(cè)試。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)儀器主要有測(cè)功機(jī)、控制臺(tái)、集油瓶、各種溫度及壓力傳感器等。

為了驗(yàn)證該柴油機(jī)的竄氣量是否在允許范圍內(nèi)，首先對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了漏氣量測(cè)量。由圖3可知，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測(cè)得的活塞最大漏氣量為48 L/min，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

圖3 柴油機(jī)漏氣量測(cè)量結(jié)果

通過(guò)使用去除油氣分離器(預(yù)分離結(jié)構(gòu)及精細(xì)分離結(jié)構(gòu))的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)原始竄氣中的機(jī)油含量，以確認(rèn)該發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣中的機(jī)油含量是否在合理范圍內(nèi)。試驗(yàn)中使用絕對(duì)濾清器收集混合氣中的機(jī)油，試驗(yàn)前首先測(cè)試絕對(duì)濾清器濾芯的質(zhì)量，然后按要求工況運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)束后拆下濾芯，再一次測(cè)量該濾芯的質(zhì)量。為了模擬惡劣條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，試驗(yàn)中還通過(guò)在標(biāo)定工況時(shí)向曲軸箱中額外通入0．5倍和1．0倍的過(guò)量空氣來(lái)測(cè)量曲軸箱竄氣中的機(jī)油含量。由表1可知，無(wú)論在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀況下，還是通過(guò)向曲軸箱中通入過(guò)量空氣等惡劣條件下，曲軸箱竄氣中的機(jī)油攜帶量均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱原始竄氣中機(jī)油含量

2．2 原方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備仍然采用絕對(duì)濾清器，測(cè)試方法與使用去除油氣分離器后測(cè)量曲軸箱原始竄氣中機(jī)油含量相同。由表2可知，在轉(zhuǎn)速3 400 r/min全負(fù)荷運(yùn)行1 h后，絕對(duì)濾清器的濾芯增重6．25 g，為充分驗(yàn)證此曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，更換絕對(duì)濾清器濾芯后在相同的工況繼續(xù)運(yùn)行，重復(fù)2次后，收集的機(jī)油量均高于允許值。然后在標(biāo)定工況通過(guò)向曲軸箱中額外通入標(biāo)定點(diǎn)的0．5倍及1．0倍漏氣量，以模擬惡劣條件下曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離能力，當(dāng)通入0．5倍漏氣量時(shí)，機(jī)油溢出量已超出限值，當(dāng)通入1．0倍漏氣量時(shí)，機(jī)油溢出量急劇上升，超出限值的100倍之多。

表2 原方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油溢出量

通過(guò)以上測(cè)量可知，該柴油機(jī)上使用的原始方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)得到的油氣分離效果無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行分析并優(yōu)化。

3 原因分析

3．1 回油單向閥

通過(guò)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)原方案曲軸箱通風(fēng)總成進(jìn)行分析，其回油閥為塑料膜片閥，存在以下缺點(diǎn):(1)容易受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響，可控性差;(2)反應(yīng)遲緩，在曲軸箱壓力快速波動(dòng)時(shí)不能及時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉;(3)閥片對(duì)平面度要求很高，樣件容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回油單向閥失效會(huì)導(dǎo)致曲軸箱竄氣，直接從回油口進(jìn)入曲軸箱通風(fēng)總成，使得分離出來(lái)的機(jī)油無(wú)法回流至油底殼，從而使機(jī)油溢出曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 塑料膜片單向閥失效分析

此外，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的質(zhì)量問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致個(gè)別樣件機(jī)油溢出特別嚴(yán)重，如下殼體回油單向閥處有注塑毛刺，回油單向閥閥片平面度差，有明顯的翹曲，如圖5所示。

圖5 回油單向閥質(zhì)量問(wèn)題

3．2 回油管高度

通過(guò)對(duì)回油管高度進(jìn)行分析，回油管處空氣壓差最大為3 hPa(竄氣量為55 L/min)，理論的需要回油高度為34 mm，實(shí)際設(shè)計(jì)的回油高度為40 mm，因此設(shè)計(jì)的原曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回油高度足夠，如圖6所示。

3．3 儲(chǔ)油腔

原儲(chǔ)油腔是按照發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上水平安裝來(lái)設(shè)計(jì)的，而實(shí)際上該款發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到整車上存在6°斜角，這樣會(huì)形成1個(gè)凹坑從而不利于回油，如圖7

圖6 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回油管高度

所示。

圖7 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)安裝到整車上的實(shí)際角度

3．4 預(yù)分離結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)分離結(jié)構(gòu)為迷宮式結(jié)構(gòu)，氣流走向見(jiàn)圖8。由圖8可知，目前的迷宮式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致部分混合氣不經(jīng)過(guò)預(yù)分離結(jié)構(gòu)而直接進(jìn)入精細(xì)分離，從而增加精細(xì)分離負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致油氣分離不徹底，因此，需優(yōu)化預(yù)分離結(jié)構(gòu)。

圖8 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)分離結(jié)構(gòu)

由此可知，原方案的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn):(1)使用了塑料膜片單向閥;(2)曲儲(chǔ)油腔內(nèi)壁沒(méi)有6°斜角，影響了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的回油;(3)預(yù)分離結(jié)構(gòu)不合理，可能會(huì)影響曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離效率。

4 優(yōu)化方案

4．1 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)

針對(duì)原方案的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在回油單向閥采用橡膠膜片閥，在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)儲(chǔ)油腔內(nèi)壁增加6°斜槽，同時(shí)優(yōu)化預(yù)分離結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

4．2 優(yōu)化方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，再次進(jìn)行了機(jī)油溢出試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下:

(1)帶有絕對(duì)濾清器的機(jī)油溢出試驗(yàn)。為模擬惡劣條件下優(yōu)化方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離能力，試驗(yàn)過(guò)程中除向曲軸箱內(nèi)通入過(guò)量空氣外，還驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)不同的機(jī)油液面對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離效率的影響。

(2)不帶絕對(duì)濾清器和集油瓶的機(jī)油溢出試驗(yàn)。在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出口處不連接絕對(duì)濾清器及集油瓶，直接連接一段透明膠管至壓氣機(jī)前進(jìn)氣管路。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油量下進(jìn)行試驗(yàn)，每隔轉(zhuǎn)速200 r/min為一步長(zhǎng)，每個(gè)工況運(yùn)行10 min，之后重復(fù)運(yùn)行標(biāo)定點(diǎn)工況，同時(shí)向曲軸箱中通入1倍漏氣量，觀察曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出口處的油流情況。

表3給出了優(yōu)化方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)帶有絕對(duì)濾清器的機(jī)油溢出試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，在最小機(jī)油量情況下，高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)不向曲軸箱中加入過(guò)量空氣，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油溢出量為0。當(dāng)向曲軸箱中加入1．0倍漏氣量時(shí)，有少量機(jī)油溢出。在機(jī)油量最大值增加0．5 L機(jī)油的情況下，高速高負(fù)荷下存在少量機(jī)油溢出，但溢出量都小于1．5 g/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)不帶絕對(duì)濾清器和集油瓶的機(jī)油溢出試驗(yàn)，在各工況下曲軸箱通風(fēng)出口至進(jìn)氣管間無(wú)可見(jiàn)油流現(xiàn)象，故滿足設(shè)計(jì)要求。

4．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)油溢出試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和加入過(guò)量機(jī)油、過(guò)量空氣等惡劣條件下，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油溢出量都小于1．5 g/h，且其出口處無(wú)可見(jiàn)油流現(xiàn)象。因此，優(yōu)化后曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離能力滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于某4缸柴油機(jī)原方案曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油溢出的嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)該曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其導(dǎo)致機(jī)油溢出嚴(yán)重的原因，確定了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的方案滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，提高了油氣分離效率。

［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］周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［3］梁保權(quán)．柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．內(nèi)燃機(jī)，2012(6):7-10．

［4］黃闊．車用發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器的設(shè)計(jì)匹配［J］．汽車技術(shù)，2012(3):32-35．

［5］王駿．曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢(shì)［J］．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012，18(2):1-8．

表3 優(yōu)化方案-帶有絕對(duì)濾清器的機(jī)油溢出試驗(yàn)