程霖,譚建松,楊帆,蘭燕杰
(北京汽車股份有限公司汽車研究院動(dòng)力中心, 北京 101106)
發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中,燃燒室內(nèi)一部分混合氣通過(guò)活塞環(huán)間隙會(huì)竄到曲軸箱中去,在這部分氣體中,大約20%是已完全燃燒的,而80%是未完全燃燒的。在氣體成分分析上,由于氣缸壁是燃燒室內(nèi)相對(duì)的低溫區(qū),滲出氣體中含有高比例(約70%)的碳?xì)浠衔铮@些物質(zhì)與機(jī)油混合可能改變機(jī)油潤(rùn)滑性能并加速油泥的產(chǎn)生。滲出氣體中微量的水和氮氧化合物則會(huì)形成硝酸和亞硝酸,這類物質(zhì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)金屬表面具有高度的腐蝕性,可能增加發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)件磨損速度。這些廢氣將產(chǎn)生如下不良影響:
1) 高溫廢氣促使機(jī)油氧化變質(zhì),破壞其使用性能。廢氣中的水蒸氣凝結(jié)后滲入機(jī)油中,一方面促使機(jī)油泡沫化,破壞了機(jī)油泵的泵油效能,另一方面,冷凝水會(huì)使機(jī)油中的各種添加劑早期失效。
2) 曲軸箱內(nèi)氣體增多,壓力增大,易使機(jī)油上竄燃燒室形成積炭,還會(huì)造成曲軸箱油封、油底殼密封墊等處漏油。
為減少和避免上述不利影響,必須采用曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng),將發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣送回到進(jìn)氣歧管并與新鮮空氣一起進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒。而由于漏氣中帶有機(jī)油顆粒,機(jī)油不能完全燃燒,因而會(huì)對(duì)排放產(chǎn)生負(fù)面影響。因此必須采用油氣分離器對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)漏氣進(jìn)行油氣分離處理[1-10]。
本研究對(duì)某增壓汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器進(jìn)行了漏氣流量和機(jī)油攜帶量的試驗(yàn)測(cè)試。基于發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣流量,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比,為油氣分離器的基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供試驗(yàn)依據(jù),避免漏氣中機(jī)油含量超標(biāo)帶來(lái)負(fù)面影響。
本研究中增壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng),整個(gè)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)依據(jù)增壓器是否介入工作分為低負(fù)荷管路和高負(fù)荷管路,依據(jù)所研究發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定情況,確定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩約90 N·m為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)高低負(fù)荷管路的切換點(diǎn)。
圖1示出所研究的增壓汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)原理。發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣歧管內(nèi)真空度大,發(fā)動(dòng)機(jī)中的漏氣經(jīng)油氣分離器分離后,潔凈的氣體直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)參與燃燒。發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí),增壓器壓氣機(jī)前真空度大,發(fā)動(dòng)機(jī)中的漏氣經(jīng)油氣分離器分離后,潔凈的氣體經(jīng)缸體、缸蓋、氣缸蓋罩上內(nèi)置通道后,經(jīng)外置曲通高負(fù)荷管路進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng),最終參與燃燒。
圖1 增壓汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)原理
油氣分離器是整個(gè)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要構(gòu)成部分,本研究中油氣分離器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上(見(jiàn)圖2),為外置形式的油氣分離器。該油氣分離器主要由粗分離、精分離兩部分構(gòu)成,其中粗分離模塊采用擋板結(jié)構(gòu),精分離模塊采用毛氈結(jié)構(gòu)。對(duì)于油氣分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需要對(duì)較大顆粒直徑范圍的油滴顆粒都有較高的油氣分離效率,且油氣分離器壓力損失小。
圖2 油氣分離器在缸體上裝配示意
圖3示出油氣分離器的結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)的漏氣經(jīng)缸體上的入氣口進(jìn)入油氣分離器粗分離模塊時(shí),粗分離模塊上的擋板對(duì)漏氣中飛濺的機(jī)油進(jìn)行遮擋。同時(shí),粗分離模塊上設(shè)計(jì)有回油槽,漏氣中飛濺的機(jī)油撞擊粗分離模塊上的擋板后,漏氣中的機(jī)油進(jìn)行了粗分離,分離出的機(jī)油經(jīng)回油槽和缸體上的回油孔回流到油底殼機(jī)油液面上。
圖3 油氣分離器結(jié)構(gòu)示意
在油氣分離器回油功能的設(shè)計(jì)中,為保證油氣分離器分離出的機(jī)油能順利流回油底殼,同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的傾斜角度對(duì)油氣分離器回油功能的影響,本油氣分離器在回油通道上,特別是在油氣分離器精分離后的回油通道上,設(shè)計(jì)布置了回油單向閥。
本研究選用增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī),其曲軸箱通風(fēng)壓力分布設(shè)計(jì)原則如下:曲軸箱內(nèi)盡可能無(wú)正壓分布,負(fù)壓分布要合理,壓力分布范圍應(yīng)控制在-5 kPa~+0.5 kPa。
在正?;钊饬髁壳闆r下,油氣分離器的分離能力要滿足進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的機(jī)油量小于等于2 g/h。同時(shí),為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)后期磨損情況下的機(jī)油攜帶量,在雙倍活塞漏氣流量情況下,油氣分離器的分離能力要滿足進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的機(jī)油量小于等于4 g/h。并且油氣分離器分離出的機(jī)油能順暢流回油底殼,極端情況下避免反向吸油。
為確認(rèn)所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是否可用于試驗(yàn),對(duì)其進(jìn)行了漏氣流量和曲軸箱壓力試驗(yàn)測(cè)量,漏氣流量按照開(kāi)環(huán)的連接方法測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)的基本性能參數(shù)如表1所示。
表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)基本性能參數(shù)
圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣流量MAP圖,在5 500 r/min、184 N·m工況點(diǎn)下,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量大,缸內(nèi)壓力也大,漏氣流量最大值在25 L/min。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣流量MAP圖
從發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣流量特性可知,所研究發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣流量水平符合設(shè)計(jì)要求,可用于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器的試驗(yàn)研究。
圖5為在發(fā)動(dòng)機(jī)單倍活塞漏氣流量情況下曲軸箱壓力分布MAP圖,油氣分離器精分離采用4孔。同時(shí)結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理,可知曲軸箱壓力分布符合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況。
圖5 精分離4孔時(shí)曲軸箱壓力MAP圖
在4 500 r/min、180 N·m工況點(diǎn),曲軸箱最大負(fù)壓值為-4.4 kPa,但在低速大負(fù)荷區(qū)域,部分工況點(diǎn)最大正壓值為1.3 kPa,需要對(duì)油氣分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,降低發(fā)動(dòng)機(jī)低速大負(fù)荷區(qū)域曲軸箱壓力正壓值。
發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況曲軸箱壓力可通過(guò)調(diào)整油氣分離器低負(fù)荷管路上的節(jié)流孔大小實(shí)現(xiàn),高負(fù)荷工況曲軸箱壓力的調(diào)整需要通過(guò)優(yōu)化油氣分離器的內(nèi)部分離結(jié)構(gòu)。
GB/T 18352.6—2016 《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》中對(duì)曲軸箱污染物排放Ⅲ型試驗(yàn)作如下要求:整車工況下,三項(xiàng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況(見(jiàn)表2)進(jìn)行測(cè)量的曲軸箱內(nèi)的壓力均不超過(guò)測(cè)量時(shí)的大氣壓力,則認(rèn)為汽車曲軸箱污染物排放滿足要求[11]。
表2 Ⅲ型試驗(yàn)要求的運(yùn)轉(zhuǎn)工況
依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所搭載的整車條件,將Ⅲ型試驗(yàn)要求的運(yùn)轉(zhuǎn)工況轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩,經(jīng)臺(tái)架驗(yàn)證,在油氣分離器精分離采用不同孔數(shù)條件下,法規(guī)工況點(diǎn)下的曲軸箱壓力值均為負(fù)壓,曲軸箱壓力滿足開(kāi)發(fā)要求。
為降低曲軸箱內(nèi)水蒸氣飽和度,減少對(duì)機(jī)油的稀釋,降低回收漏氣的燃油濃度,使其不影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒,所研究的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)有新鮮空氣補(bǔ)充管路,新鮮空氣補(bǔ)充量建議為漏氣流量(限值)的15%~30%。如果補(bǔ)充的新鮮空氣過(guò)多,則會(huì)使曲軸箱內(nèi)漏氣流速加快、機(jī)油含量增多,使油氣分離效果變差[12]。
新鮮空氣的補(bǔ)充量是通過(guò)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)集成凸輪軸罩蓋總成上的單向閥來(lái)進(jìn)行控制。通過(guò)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量,得到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱新鮮空氣補(bǔ)充量和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)壓力的關(guān)系(見(jiàn)圖6)。
圖6 新鮮空氣補(bǔ)充量與曲軸箱壓力關(guān)系
為分析所設(shè)計(jì)的油氣分離器分離效率是否達(dá)到開(kāi)發(fā)要求,對(duì)油氣分離器進(jìn)行專項(xiàng)機(jī)油攜帶量試驗(yàn),以評(píng)判油氣分離器的分離效率。
為了解油氣分離器精分離小孔數(shù)量的影響,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同精分離小孔數(shù)量下的機(jī)油攜帶量和曲軸箱壓力進(jìn)行了測(cè)量。如圖7所示,為觀察油氣分離器回油情況,試驗(yàn)用油氣分離器選用透明樣件。
圖7 試驗(yàn)用油氣分離器透明樣件
油氣分離器分離腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)油氣分離器分離效果有重要影響。分離腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),粗分離腔入口應(yīng)對(duì)漏氣中飛濺的機(jī)油進(jìn)行遮擋,入口通道面積應(yīng)盡可能大以降低漏氣的入口流速。
本研究中油氣分離器粗分離模塊采用擋板設(shè)計(jì),在保證漏氣分離出的機(jī)油順利回油及粗分離腔入口面積盡可能大的前提下,減少了曲軸箱內(nèi)液態(tài)機(jī)油隨曲軸箱氣體一同進(jìn)入油氣分離器分離腔的可能性。若漏氣中機(jī)油含量高,即使油氣分離器的分離效率高,也很難滿足嚴(yán)格的機(jī)油攜帶量法規(guī)要求。通過(guò)試驗(yàn)分析可知,控制油氣分離器入口處流速在2 m/s以下是合理的。
圖8示出機(jī)油攜帶量試驗(yàn)的臺(tái)架布置方案。在進(jìn)行油氣分離器機(jī)油攜帶量試驗(yàn)時(shí),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),將試驗(yàn)用的鋁罐和濾芯串接在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)低負(fù)荷管路上,在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),將試驗(yàn)用的鋁罐和濾芯串接在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)高負(fù)荷管路上。
圖8 機(jī)油攜帶量試驗(yàn)臺(tái)架布置方案
為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)試驗(yàn)所用的鋁罐和濾芯進(jìn)行烘烤。烘烤時(shí)間和溫度建議:試驗(yàn)前2 h@90 ℃,試驗(yàn)后90 ℃且烘干時(shí)間以濾芯及鋁罐中液體質(zhì)量不再變化為止。實(shí)際試驗(yàn)中,試驗(yàn)后烘干時(shí)間需滿足至少4 h。
1993年“國(guó)際人口行動(dòng)”提出的“持續(xù)水—人口和可更新水的供給前景”報(bào)告認(rèn)為人均水資源量少于1 700m3的國(guó)家為用水緊張國(guó)家。人均水資源量少于1 000m3為缺水國(guó)家。人均水資源量少于500m3為嚴(yán)重缺水國(guó)家。也有的認(rèn)為:人均水資源量低于3 000m3為輕度缺水。人均水資源量低于2 000m3為中度缺水。人均水資源量低于1 000m3為嚴(yán)重缺水。人均水資源量低于500m3為極度缺水。我國(guó)人均水資源量2 220m3,總體呈現(xiàn)輕度缺水。
對(duì)于機(jī)油攜帶量測(cè)試時(shí)間,在每個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)運(yùn)行2 h,或?yàn)V芯前后壓差超過(guò)初始值3 kPa時(shí)停止試驗(yàn),以先到者為準(zhǔn)。
2.3.1回油通道上回油單向閥的影響
對(duì)于所研究的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器,粗分離回油和精分離回油均設(shè)計(jì)在油底殼機(jī)油液面下。油氣分離器粗分離壓損小,粗分離腔的回油通道上未設(shè)計(jì)回油閥;而油氣分離器精分離部分壓損大,因此在精分離腔的回油通道上設(shè)計(jì)回油單向閥。在油氣分離器機(jī)油攜帶量試驗(yàn)過(guò)程中,在5 500 r/min,100%負(fù)荷工況點(diǎn),20 min時(shí)間內(nèi)觀察到油氣分離器精分離腔機(jī)油液面上升,機(jī)油攜帶量試驗(yàn)失敗。經(jīng)分析,造成精分離腔機(jī)油液面上升的原因?yàn)橛蜌夥蛛x器精分離腔內(nèi)真空度大,而精分離回油通道上的回油單向閥未完全反向截止,造成精分離腔從油底殼內(nèi)吸油,機(jī)油攜帶量試驗(yàn)失敗。
圖9示出機(jī)油攜帶量試驗(yàn)過(guò)程中油氣分離器分離腔內(nèi)機(jī)油位置狀態(tài)水平。將原設(shè)計(jì)的浮力閥更改為傘閥設(shè)計(jì)后,上述油氣分離器精分離腔吸油問(wèn)題得以解決。圖10示出回油通道上回油單向閥更改前后結(jié)構(gòu)示意。
圖9 油氣分離器精分離腔機(jī)油狀態(tài)
圖10 回油通道上單向閥更改前后結(jié)構(gòu)示意
2.3.2精分離孔數(shù)對(duì)機(jī)油攜帶量的影響
依據(jù)供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)及對(duì)標(biāo)參考,推薦精分離各孔徑為2.5 mm,孔板撞擊處的流速控制在15~20 m/s,其他區(qū)域流速控制在小于等于10 m/s的水平。而對(duì)于精分離孔數(shù)的選擇,在雙倍漏氣流量及壓力損失滿足回油高度前提下,依據(jù)機(jī)油攜帶量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)方案選擇。本研究在不同的精分離小孔數(shù)量以及漏氣流量下對(duì)油氣分離器機(jī)油攜帶量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量,為油氣分離器的方案選型提供試驗(yàn)依據(jù)。
圖11示出單倍漏氣流量情況下,不同精分離小孔數(shù)量下的機(jī)油攜帶量對(duì)比。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),單倍漏氣流量情況下,無(wú)論精分離小孔采用4孔還是9孔,機(jī)油攜帶量均小于2 g/h,且4孔的機(jī)油攜帶量試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于9孔。圖12示出雙倍漏氣流量情況下,不同精分離小孔數(shù)量下的機(jī)油攜帶量對(duì)比。從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),在雙倍漏氣流量情況下,無(wú)論精分離小孔采用4孔還是9孔,機(jī)油攜帶量試驗(yàn)結(jié)果均滿足小于4 g/h的標(biāo)準(zhǔn),且4孔的機(jī)油攜帶量試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于9孔。
圖11 單倍漏氣流量下的機(jī)油攜帶量對(duì)比
圖12 雙倍漏氣流量下的機(jī)油攜帶量對(duì)比
油氣分離器精分離采用9孔時(shí)的曲軸箱負(fù)壓值更大,在4 500 r/min、180 N·m工況點(diǎn),最大負(fù)壓值為-6.8 kPa。對(duì)比精分離采用4孔時(shí)曲軸箱壓力MAP圖(見(jiàn)圖5),可以看到,在4 500 r/min、180 N·m相同工況點(diǎn),曲軸箱最大負(fù)壓值為-4.4 kPa。在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行工況下,曲軸箱負(fù)壓水平由增壓器壓氣機(jī)前真空度決定。在相同的增壓器壓氣機(jī)前真空度下,曲軸箱負(fù)壓值的大小和油氣分離器精分離的孔數(shù)相關(guān)。
曲軸箱負(fù)壓值越大,曲軸箱漏氣的氣體流速越快,在單雙倍漏氣流量情況下,機(jī)油攜帶量越大,這也正是油氣分離器精分離4孔方案的機(jī)油攜帶量試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于9孔方案的原因所在。
在油氣分離器方案確定的基礎(chǔ)上,進(jìn)行機(jī)油消耗試驗(yàn),采用機(jī)油稱重法來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油耗水平,進(jìn)一步驗(yàn)證油氣分離器的分離效率。
發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架機(jī)油消耗試驗(yàn)主要采用點(diǎn)工況來(lái)評(píng)價(jià)。按照汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法,本機(jī)油消耗試驗(yàn)中選取2個(gè)工況點(diǎn),即轉(zhuǎn)速5 500 r/min,負(fù)荷100%工況和轉(zhuǎn)速5 500 r/min,負(fù)荷30%工況。機(jī)油消耗試驗(yàn)用油氣分離器精分離小孔數(shù)量為4[13-14]。試驗(yàn)結(jié)果表明,在100%負(fù)荷工況點(diǎn),機(jī)油消耗占燃油消耗的比例為0.119%,而在30%負(fù)荷工況點(diǎn)這一數(shù)據(jù)為0.167%。
按照GB/T 19055—2003標(biāo)準(zhǔn)的要求,在標(biāo)定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況時(shí)機(jī)油消耗與燃料消耗比的限值為0.3%[15],而實(shí)際試驗(yàn)所測(cè)得的機(jī)油消耗占比符合限值要求,可見(jiàn)精分離小孔采用4孔的方案可行。
國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。油氣分離器作為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)一個(gè)重要零部件,其分離性能的優(yōu)劣對(duì)排放有很大影響,本研究通過(guò)試驗(yàn)對(duì)油氣分離器的基礎(chǔ)方案和優(yōu)化提供了依據(jù)。
試驗(yàn)測(cè)量了發(fā)動(dòng)機(jī)新鮮空氣的補(bǔ)充量和曲軸箱壓力之間的關(guān)系,在曲軸箱通風(fēng)高負(fù)荷工況點(diǎn)(5 500 r/min,負(fù)荷100%),發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣補(bǔ)充量最大約12.5 L/min。
油氣分離器精分離腔回油通道上回油單向閥反向截止功能的可靠性直接影響油氣分離器機(jī)油攜帶量試驗(yàn)的成敗,回油單向閥必須具有可靠的反向截止功能,避免反向吸油。
對(duì)所開(kāi)發(fā)的油氣分離器進(jìn)行專項(xiàng)的機(jī)油攜帶量研究,結(jié)果表明,在單雙倍活塞漏氣流量情況下,油氣分離器的機(jī)油攜帶量均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),精分離小孔數(shù)量為4時(shí)油氣分離器具有更優(yōu)的機(jī)油攜帶量水平。
通過(guò)本次研發(fā)工作,探索并獲悉了同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱壓力分布對(duì)油氣分離的影響,油氣分離器內(nèi)部不同區(qū)域的壓力與局部結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性是解決機(jī)油耗的核心。