同平臺(tái)曲軸箱通風(fēng)管結(jié)冰優(yōu)化

于貴芙 李鑫 張治國(guó) 王雷

摘 要：文章通過對(duì)于同平臺(tái)搭載相同動(dòng)力總成不同車型在整車高寒可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題進(jìn)行分析，并依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出解決方案并進(jìn)行驗(yàn)證，最終車輛滿足在高寒地區(qū)使用要求。

關(guān)鍵詞：曲軸箱通風(fēng)管;結(jié)冰

Abstract： This paper analyzes the freezing problem on the same platform ventilation pipe with different vehicle models in alpine area test. Based on the industry experience the paper puts forward the solution to the problem and verifies. Finally meet the requirements of vehicle in alpine area.

Keywords： Ventilation pipe; Freezing

前言

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)一部分燃油蒸汽、水蒸汽和燃燒廢氣等構(gòu)成曲軸箱竄氣通過活塞環(huán)與氣缸套的間隙進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱并最終通過強(qiáng)制曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)[1]。但當(dāng)整車在高寒環(huán)境行駛時(shí)，曲軸箱竄氣在排入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)會(huì)因與進(jìn)氣冷氣流相遇導(dǎo)致竄氣攜帶的水蒸氣冷凝并在曲軸箱通風(fēng)管管口凝結(jié)為冰霜。車輛長(zhǎng)時(shí)間行駛，冰霜逐漸加厚直至堵塞管路時(shí)會(huì)導(dǎo)致曲軸箱竄氣無法排出，曲軸箱內(nèi)壓力將急劇上升，甚至導(dǎo)致機(jī)油因壓力從曲軸箱油封等位置滲漏，發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油（排氣能夠觀察到藍(lán)色霧氣），發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)甚至出現(xiàn)機(jī)油尺噴出的現(xiàn)象[2]。

一般此類結(jié)冰問題會(huì)在項(xiàng)目初期考慮，但當(dāng)某平臺(tái)A車型已通過高寒地區(qū)結(jié)冰問題驗(yàn)證，新開B車型沿用A車型動(dòng)力總成系統(tǒng)時(shí)卻出現(xiàn)結(jié)冰問題。本文通過對(duì)兩款車型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試分析查找問題原因，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)提出優(yōu)化方案，并結(jié)合方案成本和工程更改難度確定最終方案，為同平臺(tái)此類問題解決提供參考經(jīng)驗(yàn)。

1 同平臺(tái)車型試驗(yàn)結(jié)果差異分析

在呼倫貝爾市進(jìn)行整車高寒試驗(yàn)過程中B車型在低于-30℃環(huán)境中以100km/h連續(xù)行駛140km時(shí)觀察到通關(guān)管路連接發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的氣球急劇增大，同時(shí)從壓力表中讀取到曲軸箱壓力已超過2kpa，此時(shí)曲軸箱壓力已出現(xiàn)異常（見圖1）;停車檢查曲軸箱系統(tǒng)管路，在曲軸箱通風(fēng)管與進(jìn)氣管接口位置出現(xiàn)明顯積冰，在管口內(nèi)已基本封堵（見圖2）。在相同試驗(yàn)條件下，之前研發(fā)同平臺(tái)A車型行駛至約4小時(shí)返程也未出現(xiàn)曲軸箱壓力異常，停車檢查曲軸箱通風(fēng)管路，其曲軸箱通風(fēng)管和進(jìn)氣管接口位置雖有少量積冰，但管道仍通暢。

為對(duì)比兩款車型結(jié)冰情況差異，使用溫度測(cè)量熱電耦測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)艙與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)零部件外壁溫度、在相同-30℃以下環(huán)境溫度進(jìn)行高速工況行駛對(duì)比測(cè)量溫度數(shù)據(jù)如表1。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)B車型在相同試驗(yàn)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度和油氣分離器外壁溫度都要低10℃以上，盡管兩款車型使用的是相同的動(dòng)力總成，但由于進(jìn)氣格柵設(shè)計(jì)開口率及開口位置的不同導(dǎo)致兩輛車在高速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)外部空氣侵入量和流場(chǎng)存在顯著差異，B車型因?yàn)檫M(jìn)氣格柵開口面積比A車型大71%，且氣流存在不流經(jīng)散熱器直接進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)部位問題，導(dǎo)致當(dāng)車輛高速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)溫度與環(huán)境溫度接近，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部管路受發(fā)動(dòng)機(jī)艙低溫環(huán)境影響導(dǎo)致竄氣溫度急劇下降，最終導(dǎo)致竄氣水分在管路內(nèi)凝結(jié)并流至進(jìn)氣管管口位置結(jié)冰，結(jié)冰堵塞了曲軸箱竄氣排出，曲軸箱壓力因而升高，出現(xiàn)異常。

2 方案對(duì)策

通過溫度測(cè)量數(shù)據(jù)分析出B車型曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題的根源是因?yàn)檎囘M(jìn)氣格柵及發(fā)動(dòng)機(jī)艙設(shè)計(jì)導(dǎo)致，但由于整車造型和散熱導(dǎo)風(fēng)板更改涉及多個(gè)部門已完成工作，將影響項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)度，因此考慮從其他方法解決該問題。目前已經(jīng)確定是因發(fā)動(dòng)機(jī)艙低溫導(dǎo)致該問題，故針對(duì)溫度從以下幾種方案入手解決。

2.1 增強(qiáng)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)保溫

通過A車型和B車型的溫度采集數(shù)據(jù)可以看到受發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度影響B(tài)車型油氣分離器外壁溫度已經(jīng)低于0℃，采用具有保溫效果的發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩，盡可能將曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣分離器、PCV閥（壓力控制閥）和曲軸箱通風(fēng)管路置于發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩下，在裝飾罩下與發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件之間填充保溫材料或是發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩本身就是保溫材料隨發(fā)動(dòng)機(jī)形狀造型，都可以有效減少曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各零部件熱量損失，提升局部溫度[3]。B車型由于進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置原因，無法增加發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾罩，故采用如圖3保溫結(jié)構(gòu)，將油氣分離器和壓力控制閥都置于保溫罩蓋結(jié)構(gòu)之內(nèi)。包裹后原測(cè)量位置溫度上升20℃以上。

曲軸箱通風(fēng)管作為連接油氣分離器和干凈空氣管的主要通道零部件，竄氣在通過該管路時(shí)受管路周圍溫度影響，當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管外壁一直在0℃以下，就非常容易出現(xiàn)竄氣中的水蒸氣在通風(fēng)管壁冷凝、結(jié)冰堵塞的情況。為提高管路溫度，為曲軸箱通風(fēng)管路包裹7mm厚EPDM保溫護(hù)套，通過保溫護(hù)套減少管路熱量損失來提升管路溫度，改善結(jié)冰現(xiàn)象產(chǎn)生[4]。

2.2 通風(fēng)管主動(dòng)加熱

在曲軸箱竄氣到達(dá)進(jìn)氣管接頭位置前對(duì)竄氣進(jìn)行加熱或是針對(duì)接頭進(jìn)行主動(dòng)加熱是最直接有效避免結(jié)冰現(xiàn)象產(chǎn)生的措施。一般加熱結(jié)構(gòu)分為水加熱和電加熱，水加熱需要從發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋出水端單獨(dú)引出一路金屬管與金屬曲軸箱通風(fēng)管焊接并行一段，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液熱量對(duì)曲軸箱通風(fēng)管進(jìn)行加熱，提高金屬通風(fēng)管溫度，同時(shí)金屬管接頭可以插入進(jìn)氣管接口內(nèi)，防止接口位置結(jié)冰;電加熱方法使用含有PTC電加熱元件的接頭（如圖5）[5]，由于電加熱會(huì)消耗一部分車輛蓄電池電能，故功率不會(huì)太大，只保證管口位置不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰如圖6所示。

2.3 擴(kuò)大曲通管接口延緩結(jié)冰封堵

曲軸箱竄氣在通風(fēng)管與進(jìn)氣管接口位置的結(jié)冰過程是一個(gè)累積的過程，加大該位置曲通管接口直徑，使車輛在一個(gè)最大駕駛周期內(nèi)（一箱油行駛里程）接口位置不會(huì)因結(jié)冰影響竄氣通過也可以延緩該問題[6]，但需要接口位置結(jié)冰可以在短時(shí)間怠速或熄火浸車后能夠消融。如圖7采用臺(tái)階擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)后結(jié)冰現(xiàn)象明顯延緩。同時(shí)，采用電加熱接頭結(jié)構(gòu)時(shí)，如電加熱接頭直接布置在與進(jìn)氣接觸的進(jìn)氣管接口時(shí)，加熱結(jié)構(gòu)熱量會(huì)被進(jìn)氣冷空氣帶走，如采用臺(tái)階擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)也可改善該問題，改善后如圖8模擬分析所示，電加熱僅提高竄氣溫度，受進(jìn)氣氣流影響較小。

3 方案選取

通過幾種方案組合試驗(yàn)，最終得出兩套最有效方案：1、曲軸箱通風(fēng)管保溫+電加熱方案;2、油氣分離器保溫+曲軸箱通風(fēng)管保溫。方案1由于涉及新開電加熱零部件和相關(guān)配合件調(diào)整，工程更改量和未來零部件成本上不如方案2影響小，故最終采用方案2。此外曲軸箱通風(fēng)管接頭臺(tái)階擴(kuò)徑對(duì)上述兩套方案均有改善效果，但非必須條件，因此在設(shè)計(jì)初期考慮更有意義。

除以上方法外，如果能從項(xiàng)目前期合理設(shè)計(jì)管路布置，有效縮短管路長(zhǎng)度，減少管路拐彎，加大拐彎半徑，避免管路受發(fā)動(dòng)機(jī)艙氣流影響，并且管路及接口位置布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙中“暖區(qū)”（如排氣側(cè)增壓器入口附近），合理設(shè)置接口角度都可以改善曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題，從而減少后續(xù)結(jié)冰問題的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文針對(duì)同一個(gè)平臺(tái)不同車型的曲軸箱通風(fēng)管路在整車高寒可靠性試驗(yàn)中出現(xiàn)的結(jié)冰問題，如何能采用更少的設(shè)計(jì)更改，在不改變平臺(tái)基本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上最小的增加成本去解決問題，滿足不同車型設(shè)計(jì)要求提供參考經(jīng)驗(yàn)。

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