秦鳳蓮

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 200041)

柴油機曲軸箱通風系統(tǒng)試驗研究

秦鳳蓮

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 200041)

針對某款柴油機試驗過程中曲軸箱通風系統(tǒng)出口出現(xiàn)的大量機油問題，在試驗臺架上測量了其在不同工況下的機油溢出量，在排除發(fā)動機竄氣量及竄氣中機油含量高等原因后，根據(jù)發(fā)動機在整車上的安裝角度，分析了該曲軸箱通風系統(tǒng)機油溢出量高的原因。采用橡膠膜片單向閥，在儲油腔內(nèi)壁增加6°斜槽，同時優(yōu)化預分離結(jié)構(gòu)后，得到了曲軸箱通風系統(tǒng)的優(yōu)化方案。試驗驗證表明，橡膠膜片閥式的曲軸箱通風系統(tǒng)在整個機油溢出試驗中機油溢出量很少，滿足該發(fā)動機的設計要求。

試驗臺架 柴油機 曲軸箱通風系統(tǒng) 機油溢出

0 前言

往復式發(fā)動機在壓縮和膨脹過程中，氣缸中的高壓燃氣(包括燃料)會不可避免地經(jīng)過活塞環(huán)的間隙而漏入曲軸箱內(nèi)，如果曲軸箱不設置通風系統(tǒng)，不立即排出這些有害氣體，會造成以下不良后果:(1)油底殼內(nèi)的機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，就會使機油的使用壽命縮短;(2)曲軸箱內(nèi)的氣體壓力升高，當其壓力高于外部壓力時，就會引起機油從曲軸兩端油封處漏出，同時，會增加活塞的泵氣損失。因此，內(nèi)燃機中都設有曲軸箱通風裝置［1-3］。

如果采用曲軸箱開式系統(tǒng)進行通風，竄氣會夾雜著大量的污染物排出。為了避免柴油機的竄氣直接排出，通過閉式系統(tǒng)即曲軸箱強制通風來解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導入發(fā)動機的空氣濾清器與增壓器進氣管之間的接管中。

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

對于不同類型的發(fā)動機，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系統(tǒng)，以滿足發(fā)動機的設計要求［5］。本文即針對某4缸柴油機曲軸箱通風總成存在大量機油溢出問題進行分析研究，提出優(yōu)化設計方案并進行試驗驗證。

1 試驗研究背景

在工程研發(fā)階段對某4缸柴油機進行磨合及耐久試驗過程中，發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風總成出口處有大量機油積聚，如圖1所示。

圖1 曲軸箱通風系統(tǒng)出口處有大量機油

2 原方案曲軸箱通風系統(tǒng)

該發(fā)動機曲軸箱通風系統(tǒng)為半集成式系統(tǒng)，通過螺栓直接安裝在氣門室罩蓋上。該曲軸箱通風系統(tǒng)主要由預分離結(jié)構(gòu)、精細分離結(jié)構(gòu)、壓力調(diào)節(jié)閥及回油單向閥組成，其中預分離結(jié)構(gòu)為迷宮式結(jié)構(gòu)，精細分離結(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。該曲軸箱通風系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，曲軸箱內(nèi)的混合氣首先到達預分離結(jié)構(gòu)，將部分大分子機油直接分離至氣門室罩蓋內(nèi)，然后經(jīng)過精細分離將過濾出的機油通過單向閥流回至氣門室罩蓋內(nèi)，分離出的氣體則通過曲軸箱通風系統(tǒng)出口進入氣缸內(nèi)參與燃燒。

圖2 發(fā)動機原方案曲軸箱通風總成

2．1 發(fā)動機性能測試

該柴油機為直列4缸水冷發(fā)動機，標定點功率為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，點火次序為1-3-4-2。該發(fā)動機允許的最大活塞漏氣量為55 L/min，曲軸箱通風系統(tǒng)的機油溢出量小于1．5 g/h。在所有試驗前，都必須要對發(fā)動機的性能進行調(diào)試和確認。

曲軸箱通風系統(tǒng)試驗是在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)條件下和模擬各種惡劣條件下進行的部分負荷和全負荷的測試。曲軸箱通風系統(tǒng)試驗設備及試驗儀器主要有測功機、控制臺、集油瓶、各種溫度及壓力傳感器等。

為了驗證該柴油機的竄氣量是否在允許范圍內(nèi)，首先對該發(fā)動機進行了漏氣量測量。由圖3可知，在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)測得的活塞最大漏氣量為48 L/min，在發(fā)動機的設計要求的范圍內(nèi)。

圖3 柴油機漏氣量測量結(jié)果

通過使用去除油氣分離器(預分離結(jié)構(gòu)及精細分離結(jié)構(gòu))的曲軸箱通風系統(tǒng)測量發(fā)動機原始竄氣中的機油含量，以確認該發(fā)動機竄氣中的機油含量是否在合理范圍內(nèi)。試驗中使用絕對濾清器收集混合氣中的機油，試驗前首先測試絕對濾清器濾芯的質(zhì)量，然后按要求工況運行發(fā)動機，試驗結(jié)束后拆下濾芯，再一次測量該濾芯的質(zhì)量。為了模擬惡劣條件下發(fā)動機的工作狀況，試驗中還通過在標定工況時向曲軸箱中額外通入0．5倍和1．0倍的過量空氣來測量曲軸箱竄氣中的機油含量。由表1可知，無論在發(fā)動機正常工作狀況下，還是通過向曲軸箱中通入過量空氣等惡劣條件下，曲軸箱竄氣中的機油攜帶量均在設計要求范圍內(nèi)。

表1 發(fā)動機曲軸箱原始竄氣中機油含量

2．2 原方案曲軸箱通風系統(tǒng)試驗

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

表2 原方案曲軸箱通風系統(tǒng)機油溢出量

通過以上測量可知，該柴油機上使用的原始方案曲軸箱通風系統(tǒng)得到的油氣分離效果無法滿足設計要求，需對該曲軸箱通風系統(tǒng)進行分析并優(yōu)化。

3 原因分析

3．1 回油單向閥

通過對該發(fā)動機原方案曲軸箱通風總成進行分析，其回油閥為塑料膜片閥，存在以下缺點:(1)容易受到發(fā)動機振動的影響，可控性差;(2)反應遲緩，在曲軸箱壓力快速波動時不能及時開啟或關閉;(3)閥片對平面度要求很高，樣件容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。曲軸箱通風系統(tǒng)回油單向閥失效會導致曲軸箱竄氣，直接從回油口進入曲軸箱通風總成，使得分離出來的機油無法回流至油底殼，從而使機油溢出曲軸箱通風系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 塑料膜片單向閥失效分析

此外，曲軸箱通風系統(tǒng)的質(zhì)量問題會導致個別樣件機油溢出特別嚴重，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)量問題

3．2 回油管高度

通過對回油管高度進行分析，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，實際設計的回油高度為40 mm，因此設計的原曲軸箱通風系統(tǒng)回油高度足夠，如圖6所示。

3．3 儲油腔

原儲油腔是按照發(fā)動機在整車上水平安裝來設計的，而實際上該款發(fā)動機安裝到整車上存在6°斜角，這樣會形成1個凹坑從而不利于回油，如圖7

圖6 曲軸箱通風系統(tǒng)回油管高度

所示。

圖7 曲軸箱通風系統(tǒng)安裝到整車上的實際角度

3．4 預分離結(jié)構(gòu)

通過對曲軸箱通風系統(tǒng)的預分離結(jié)構(gòu)進行分析，該曲軸箱通風系統(tǒng)預分離結(jié)構(gòu)為迷宮式結(jié)構(gòu)，氣流走向見圖8。由圖8可知，目前的迷宮式結(jié)構(gòu)會導致部分混合氣不經(jīng)過預分離結(jié)構(gòu)而直接進入精細分離，從而增加精細分離負擔，導致油氣分離不徹底，因此，需優(yōu)化預分離結(jié)構(gòu)。

圖8 曲軸箱通風系統(tǒng)預分離結(jié)構(gòu)

由此可知，原方案的曲軸箱通風系統(tǒng)存在以下缺點:(1)使用了塑料膜片單向閥;(2)曲儲油腔內(nèi)壁沒有6°斜角，影響了曲軸箱通風系統(tǒng)的回油;(3)預分離結(jié)構(gòu)不合理，可能會影響曲軸箱通風系統(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)

針對原方案的曲軸箱通風系統(tǒng)存在的問題，對其進行了優(yōu)化設計。在回油單向閥采用橡膠膜片閥，在曲軸箱通風系統(tǒng)儲油腔內(nèi)壁增加6°斜槽，同時優(yōu)化預分離結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化方案的曲軸箱通風系統(tǒng)

4．2 優(yōu)化方案試驗驗證

為驗證優(yōu)化后的曲軸箱通風系統(tǒng)是否滿足設計要求，再次進行了機油溢出試驗，試驗方法如下:

(1)帶有絕對濾清器的機油溢出試驗。為模擬惡劣條件下優(yōu)化方案曲軸箱通風系統(tǒng)的油氣分離能力，試驗過程中除向曲軸箱內(nèi)通入過量空氣外，還驗證發(fā)動機不同的機油液面對曲軸箱通風系統(tǒng)油氣分離效率的影響。

(2)不帶絕對濾清器和集油瓶的機油溢出試驗。在曲軸箱通風系統(tǒng)出口處不連接絕對濾清器及集油瓶，直接連接一段透明膠管至壓氣機前進氣管路。在標準機油量下進行試驗，每隔轉(zhuǎn)速200 r/min為一步長，每個工況運行10 min，之后重復運行標定點工況，同時向曲軸箱中通入1倍漏氣量，觀察曲軸箱通風系統(tǒng)出口處的油流情況。

表3給出了優(yōu)化方案曲軸箱通風系統(tǒng)帶有絕對濾清器的機油溢出試驗結(jié)果?？梢钥闯?，在最小機油量情況下，高轉(zhuǎn)速高負荷時不向曲軸箱中加入過量空氣，曲軸箱通風系統(tǒng)的機油溢出量為0。當向曲軸箱中加入1．0倍漏氣量時，有少量機油溢出。在機油量最大值增加0．5 L機油的情況下，高速高負荷下存在少量機油溢出，但溢出量都小于1．5 g/h，滿足設計要求。

通過不帶絕對濾清器和集油瓶的機油溢出試驗，在各工況下曲軸箱通風出口至進氣管間無可見油流現(xiàn)象，故滿足設計要求。

4．3 試驗結(jié)果分析

通過對優(yōu)化后的曲軸箱通風系統(tǒng)進行機油溢出試驗，在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)和加入過量機油、過量空氣等惡劣條件下，曲軸箱通風系統(tǒng)的機油溢出量都小于1．5 g/h，且其出口處無可見油流現(xiàn)象。因此，優(yōu)化后曲軸箱通風系統(tǒng)的油氣分離能力滿足發(fā)動機的設計要求。

5 結(jié)束語

基于某4缸柴油機原方案曲軸箱通風系統(tǒng)機油溢出的嚴重問題，對該曲軸箱通風系統(tǒng)進行試驗研究，分析其導致機油溢出嚴重的原因，確定了曲軸箱通風系統(tǒng)的優(yōu)化設計方案。試驗結(jié)果表明，所設計的方案滿足評價指標要求，提高了油氣分離效率。

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表3 優(yōu)化方案-帶有絕對濾清器的機油溢出試驗