某型號(hào)柴油機(jī)油氣分離機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

林華山，于仙

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361021；2.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

某型號(hào)柴油機(jī)油氣分離機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

林華山1，于仙2

（1.廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361021；2.廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

為解決某上市車型售后市場反饋機(jī)油消耗量過大問題，通過模擬實(shí)驗(yàn)的方法查找故障原因，優(yōu)化設(shè)計(jì)得到帶彎管的迷宮擋板式油氣分離機(jī)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化前后整機(jī)油耗測試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明與優(yōu)化前相比，機(jī)構(gòu)優(yōu)化后機(jī)油消耗量降低 26.5%，機(jī)油燃油消耗比降低 36.3%，曲軸箱壓力有所上升且持續(xù)穩(wěn)定，避免了曲軸箱氣體竄入分離腔的現(xiàn)象。

機(jī)油消耗量；油氣分離機(jī)構(gòu)；彎管；迷宮擋板

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，氣缸內(nèi)部分未燃燒的可燃混合氣及燃燒廢氣會(huì)通過氣門與氣門導(dǎo)管間隙、活塞環(huán)端隙、活塞環(huán)與氣缸間隙等進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)[1-3]。這些竄氣使曲軸箱內(nèi)溫度與壓力升高，導(dǎo)致油底殼機(jī)油蒸發(fā)量增加，活塞做功行程背壓增大，降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)導(dǎo)致油封漏油。這些進(jìn)入曲軸箱的竄氣是氣體（包括空氣、已燃?xì)怏w、未燃?xì)怏w）、水蒸氣、機(jī)油氣溶膠顆粒及碳煙微粒等組成的復(fù)雜混合物[4,5]，直接排入大氣則污染較重，故通常采用封閉式曲軸箱技術(shù)將竄氣引入至進(jìn)氣系統(tǒng)及燃燒室內(nèi)。在該引流過程中竄氣中的機(jī)油蒸汽會(huì)沿途冷凝并吸附在進(jìn)氣系統(tǒng)的部件上，如增壓器葉片、中冷器避免等，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量增加，另外機(jī)油在燃燒室內(nèi)易產(chǎn)生碳煙，增加有害物質(zhì)排放，同時(shí)在氣缸內(nèi)形成積碳，降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能[6-8]，因此在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中安裝油氣分離器變得十分必要，需要對(duì)曲軸箱竄氣進(jìn)行油氣的有效分離。

本文以某上市車型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)售后市場反饋該款發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量過高的問題，分析該發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離機(jī)構(gòu)工作原理，通過試驗(yàn)重現(xiàn)故障現(xiàn)象并分析其原因，完成該油氣分離機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)優(yōu)化前后的柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)24小時(shí)機(jī)油消耗量、機(jī)油燃油消耗比、曲軸箱壓力數(shù)據(jù)，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行理論分析。

1 油氣分離機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 單向閥式油氣分離機(jī)構(gòu)（優(yōu)化前）

該柴油機(jī)采用的是單向閥式油氣分離系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單向閥式油氣分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

曲軸箱通風(fēng)罩上布置有過濾絲網(wǎng)及單向閥，其下端與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體形成封閉的腔體即曲軸箱，其上端與有帶有通風(fēng)管的殼體形成分離腔。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)的竄氣經(jīng)過過濾絲網(wǎng)完成第一步油氣分離進(jìn)入分離腔，該濾網(wǎng)采用鋼絲濾網(wǎng)，竄氣通過時(shí)，其中所含帶的機(jī)油氣化珠則粘附到濾網(wǎng)上，同時(shí)由于濾網(wǎng)本身的氣阻作用，可以降低氣流速度同時(shí)控制竄氣的通過量。由于分離腔與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣端相連，在進(jìn)氣吸力作用下該腔處于負(fù)壓狀態(tài)，而曲軸箱在竄氣作用下壓力變大，故單向閥的塑料閥芯在兩側(cè)壓力差的作用下處于圖2中a圖所示的工作位，即該閥處于閉合狀態(tài)。當(dāng)分離腔內(nèi)存積有一定機(jī)油時(shí)，單向閥塑料閥芯在機(jī)油重力作用下克服曲軸箱內(nèi)壓力而向下移動(dòng)至圖2中b圖所示工作位，則機(jī)油從出油口及閥芯與閥座的出油口間隙流出，實(shí)現(xiàn)油氣的第二步分離。

圖2 單向閥工作原理示意圖

1.2 故障原因分析

根據(jù)售后反饋機(jī)油消耗量過大的故障現(xiàn)象，初步分析其原因是油氣分離不徹底，導(dǎo)致機(jī)油無法正?；亓?，故對(duì)該單向閥式油氣分離機(jī)構(gòu)的工作過程進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。將曲軸箱通風(fēng)罩與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體連接，曲軸箱通風(fēng)管連接于空濾后轉(zhuǎn)接箱處，此時(shí)分離腔在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速踩到最高時(shí)負(fù)壓為，但單向閥中的塑料閥芯并未向上移動(dòng)，即無法封閉分離腔孔，此時(shí)用手堵住單向閥兩側(cè)孔或留較小空隙，輕踩油門塑料閥芯則可自行被吸上。

由上述試驗(yàn)可以看出該缸蓋罩在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作狀態(tài)，在未給塑料閥芯施加外力的情況下，靠發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中自然形成的壓差單向閥始終無法自行關(guān)閉。其主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)未工作時(shí)，塑料閥芯一直處于圖2中b圖所示位置，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增加，曲軸箱內(nèi)竄氣量增加，但部分竄氣通過單向閥的出油口直接進(jìn)入了分離腔，故當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，雖然分離腔已達(dá)到負(fù)壓，但是由于出油口（圖2中所示）竄氣的進(jìn)入導(dǎo)致分離腔負(fù)壓變小，塑料閥芯上下表面壓力差不大，故無法移動(dòng)至圖2中a圖所示位置，即單向閥無法閉合。而竄氣直接進(jìn)入分離腔必然造成售后市場所反饋的機(jī)油消耗量過大的故障現(xiàn)象。

1.3 帶彎管的擋板式油氣分離機(jī)構(gòu)（優(yōu)化后）

針對(duì)以上故障原因分析，對(duì)本柴油機(jī)油氣分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。即取消原有的單向閥，而在分離腔內(nèi)增加迷宮擋板結(jié)構(gòu)用于油氣分離，并在擋板下方增加接油彎管用于排出分離出來的機(jī)油。

圖3 優(yōu)化后油氣分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

具體優(yōu)化設(shè)計(jì)如下：

（1）分離腔內(nèi)采用迷宮擋板結(jié)構(gòu)

迷宮擋板式結(jié)構(gòu)如圖4所示，油氣混和氣通過濾網(wǎng)后在通過分離腔時(shí)，反復(fù)在擋板上撞擊，同時(shí)換向，在撞擊過程中實(shí)現(xiàn)油氣分離。擋板具有氣阻降低流速作用，油氣混和氣在經(jīng)過分離腔時(shí)，利用氣流密度及流速變化來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步分離。

圖4 迷宮擋板式分離腔

（2）增加彎管回油機(jī)構(gòu)

每個(gè)擋板下設(shè)置有彎形管，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 彎管機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

該彎管用于收集分離出來的機(jī)油，取代了原有單向閥的作用，彎形管中機(jī)油達(dá)一定量后，在壓力作用下，實(shí)現(xiàn)機(jī)油回流。同時(shí)由于彎管凹型處存在積油，起到一定密封作用，防止了曲軸箱內(nèi)的氣體由此進(jìn)入分離腔。

2 機(jī)油油耗測試及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)說明

為了驗(yàn)證油氣分離機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，將優(yōu)化前后的油氣分離機(jī)構(gòu)安裝于試驗(yàn)用柴油機(jī)中，并將其安裝于整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，在完成柴油機(jī)的基本磨合測試后，進(jìn)行機(jī)油消耗、機(jī)油燃油比、曲軸箱壓力的參數(shù)測量。

該試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用柴油機(jī)性能參數(shù)

具體實(shí)驗(yàn)要求如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件要求

本測試?yán)肅W160型電渦流測功機(jī)及FCMM-2型油耗自動(dòng)測量儀完成所需參數(shù)的測量。測量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電渦流測功機(jī)之間須采用彈性連接（試驗(yàn)過程中需要設(shè)置外加風(fēng)扇對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行吹拂散熱，保證發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度，機(jī)油冷卻器接冷卻水，以便控制機(jī)油溫度，具體測試標(biāo)準(zhǔn)參GB/T18297-2001執(zhí)行。

2.2 測試結(jié)果分析

2.2.1 機(jī)油燃油消耗量及機(jī)油消耗量對(duì)比

表3 優(yōu)化前后機(jī)油消耗量及機(jī)油燃油消耗比

在測試的24小時(shí)內(nèi)，優(yōu)化前后的機(jī)油消耗量及機(jī)油燃油消耗比數(shù)值如表3所示。由該表可知與優(yōu)化前數(shù)據(jù)相比，優(yōu)化后的油氣分離機(jī)構(gòu)24小時(shí)內(nèi)的機(jī)油消耗降低26.5%，機(jī)油燃油消耗比降低36.3%，即機(jī)油消耗減少明顯，優(yōu)化效果較好。

2.2.2 曲軸箱壓力對(duì)比

曲軸箱壓力過大容易導(dǎo)致密封圈漏油、發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低等問題，故其壓力值也是驗(yàn)證油氣分離機(jī)構(gòu)是否有效的重要指標(biāo)。由圖6可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1800rmp以內(nèi)時(shí)，優(yōu)化后的油氣分離機(jī)構(gòu)可以降低曲軸箱內(nèi)壓力，超過該轉(zhuǎn)速后，曲軸箱壓力值平均增加0.1kpa，該數(shù)據(jù)表明優(yōu)化后曲軸箱內(nèi)無竄氣進(jìn)入分離腔，彎管處密封效果比單向閥密封效果好。

圖6 曲軸箱壓力對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過對(duì)單向閥式油氣分離機(jī)構(gòu)工作原理及故障現(xiàn)象的分析，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行測試，可以得到如下結(jié)論：

（1）帶彎管的擋板式分離機(jī)構(gòu)分離可靠，能有效相抵機(jī)油消耗量及燃油機(jī)油消耗比。

（2）在彎管處存積分離出來的機(jī)油，可以起密封作用，保證曲軸箱內(nèi)氣體不從該處進(jìn)入分離腔，隔離效果較好。

[1] 孫建新.內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理[M]. 人民交交通出版社,2009.

[2] 袁兆成. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] 宗雋杰,倪計(jì)民. 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（1）.

[4] J.Candy and L.Guerbe.Blow-by Gases Coalescing Separation Performances on Passenger Car Engines[J].SAE,2009-01-0869.

[5] Dahnz Christoph, et al. Investigations on Pre-Ignition in Hightly Supercharged SI Engines[C].SAE paper 2010-01-0355.

[6] 胡景巖,蘇圣. 4G15D缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離模擬分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 車用發(fā)動(dòng)機(jī),2012,（5）,44-47.

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

[8] 蔡小偉. 柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與開發(fā)[J]. 柴油機(jī),2011,33（3）,42-45.

A Type of Diesel Engine Oil Separation System Optimization

Lin Huashan1, Yu Xian2
( 1.Xiamen King Long United Automotive Industry Co, Ltd., Fujian Xiamen 361021; 2.Xiamen University_Tan Kah Kee College, Fujian Zhangzhou 363105 )

One commercial vehicle already on the market is reported that the engine oil consumption is too much. The reason is found out through the simulation experiment, a baffle-type oil separation system with elbow is designed. Engine fuel consumption test is performed on the engine before and after optimization. Based on the analysis of the test results, the following conclusions are obtained, after optimization, the oil consumption is reduced by 26.5% and the fuel consumption ratio is reduced by about 36.3%, the pressure of the crankcase is stable, so as to avoid the phenomenon of gas channeling.

engine oil consumption; oil separation system; elbow; baffle-type

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-32-03

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-32-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.012

林華山（1984年出生）男，福建省，學(xué)士，工程師，研究方向：汽車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)。 基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金（2015J01223），廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院校級(jí)孵化項(xiàng)目（2015L07）。