BFM2012型柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器改進(jìn)

陳 然崔光超郭洪山金 喆王 克王 駿

（1.道依茨一汽（大連）柴油機(jī)有限公司；2.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.曼胡默爾管理（上海）有限公司）

1 油氣分離器方案改進(jìn)

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)部分工作氣體會(huì)從氣缸壁與活塞環(huán)以及活塞環(huán)與活塞之間的間隙進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，這些竄氣中除了殘留的燃油和燃燒產(chǎn)生的廢氣、炭黑之外，還含有不少機(jī)油[1～3]。竄氣會(huì)導(dǎo)致燃油蒸氣凝結(jié)，從而使機(jī)油變質(zhì)，污染發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，如果不及時(shí)將竄氣排出，會(huì)引起曲軸箱壓力過(guò)大從而導(dǎo)致漏氣、漏油現(xiàn)象[4～6]。此時(shí)需要通過(guò)在曲軸箱上裝油氣分離器，以平衡曲軸箱內(nèi)氣體的壓力變化，但油氣分離器抽出來(lái)的氣體中含有大量機(jī)油蒸氣，還需經(jīng)過(guò)油氣分離器把機(jī)油分離出來(lái)再送回發(fā)動(dòng)機(jī)[7～9]。

目前，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)分為2種，即油氣分離器出口連接到增壓器之前、空氣濾清器之后的閉式循環(huán)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和油氣分離器出口直通大氣的開(kāi)式循環(huán)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)[10]。

本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為BFM2012發(fā)動(dòng)機(jī)，其油氣分離器通風(fēng)管連接到空氣濾清器上，曲軸箱內(nèi)的竄氣同濾清器的空氣共同被增壓器吸入進(jìn)氣道，導(dǎo)致在油氣分離效率低下的情況下使空氣濾清器更易堵塞，從而縮短空氣濾清器的更換周期，并且造成降低進(jìn)氣效率、增大進(jìn)氣負(fù)壓、影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、增加油耗等現(xiàn)象。為了提高油氣分離器的分離效率、減少機(jī)油攜出量，并維持合理的曲軸箱壓力，在與整車廠協(xié)商后提出了新油氣分離器方案:在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋處迷宮預(yù)分離器之后，將原有的帶有壓力閥的離心式油氣分離器改為帶有玻璃纖維濾芯的彌散式油氣分離器；同時(shí)對(duì)該分離器的效率進(jìn)行考量，在試驗(yàn)所得具體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別在活塞漏氣量、曲軸箱流量阻力特性、曲軸箱壓力以及油氣分離器機(jī)油攜出量和油氣分離效率等方面將新、舊兩種方案進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行理論分析。

2 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

原離心式分離器（圖1）工作時(shí)，油氣混合物經(jīng)進(jìn)油口進(jìn)入分離器后噴灑在隔板上，擴(kuò)散后的油靠重力沿內(nèi)壁下滑到分離器的下部，經(jīng)排油管排出。同時(shí)，氣體因密度小而上升，經(jīng)內(nèi)壁集中向上改變流動(dòng)方向，將氣體中的小油滴粘附在過(guò)濾皮上，聚集后附壁而下，脫油后的氣體經(jīng)分離器出氣管進(jìn)入管線排出。

新的彌散式分離器帶有控制閥、卸壓閥和濾芯式分離結(jié)構(gòu)，用來(lái)保證分離器正常工作和防止曲軸箱異常高壓，并通過(guò)彌散分離的方法分離竄漏氣中的油滴。

試驗(yàn)是在BFM2012柴油機(jī)上進(jìn)行，該發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如表1所列。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩由渦流型水力測(cè)功機(jī)WE-42測(cè)量，燃油消耗量由燃油消耗測(cè)量?jī)xFCM05采集，燃油恒溫系統(tǒng)RWK01控制燃油溫度，活塞漏氣量由漏氣量測(cè)量?jī)xAVL442測(cè)量，系統(tǒng)壓力由U型管讀取。試驗(yàn)所設(shè)置的各邊界條件如表2所列。試驗(yàn)中所測(cè)取的漏氣量及各壓力的測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)表3。其他點(diǎn)和設(shè)備參考圖如圖2所示。

表1 BFM2012柴油機(jī)性能參數(shù)

表2 邊界條件

表3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 活塞漏氣量的對(duì)比

圖3所示為原油氣分離器及新油氣分離器的活塞漏氣量隨轉(zhuǎn)速變化的對(duì)比關(guān)系。從圖3中可以看出，隨轉(zhuǎn)速的升高兩種油氣分離器漏氣量均逐漸增大。即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高、功率加大，氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力升高，經(jīng)由活塞環(huán)的側(cè)隙和開(kāi)口間隙流向曲軸箱的漏氣量增多。由圖3還可看出，采用新油氣分離器后漏氣量比原油氣分離器略有減少，不同工況可下降1～3 L/min不等。根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法GBT 19055-2003，該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量應(yīng)不大于70 L/min，由圖3看出原油氣分離器和新油氣分離器的漏氣量均接近55 L/min，符合國(guó)標(biāo)要求。

3.2 曲軸箱流量阻力特性對(duì)比

曲軸箱流量阻力特性反映的是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各部分的壓差阻力隨活塞漏氣量的變化關(guān)系，可反映出通風(fēng)系統(tǒng)的阻力分布，也可在一定程度上反映出曲軸箱通風(fēng)的難易程度。

圖4為原油氣分離器與新油氣分離器曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)流量阻力分布。由圖4可以看出，新油氣分離器的流量阻力分布規(guī)律與原油氣分離器幾乎相同，部分工況的搖臂室壓力大于曲軸箱壓力，從而導(dǎo)致曲軸箱壓力與搖臂室的壓力差為負(fù)值。這是由于隨著漏氣量的增大，搖臂室到油氣分離器的出氣不暢，通風(fēng)道阻力變大，因此導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)搖臂室的壓力稍大于曲軸箱的壓力。

根據(jù)油氣分離器國(guó)標(biāo)QCT812的規(guī)定，在額定空氣體積流量下，在無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試中，新油氣分離器總成的上游和下游規(guī)定測(cè)壓點(diǎn)測(cè)得的壓力之差應(yīng)不大于1.5 kPa；在額定工況下滿足試驗(yàn)壽命，總成壓力差應(yīng)不大于5 kPa。一般在滿足曲軸箱壓力最大指標(biāo)范圍內(nèi)，油氣分離器壓損值越小越好。從圖4中可知，在額定空氣體積流量（60 L）下，對(duì)應(yīng)的原油氣分離器壓損值＜0.25 kPa，新油氣分離器壓損值＜1.3 kPa，因而兩種油氣分離器均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5所示為怠速時(shí)原油氣分離器與新油氣分離器流量阻力特性。從圖5中可以看出，隨著漏氣量的增大，新、舊油氣分離器的阻力均升高，且新油氣分離器流量阻力升高明顯。原油氣分離器當(dāng)漏氣量大于60 L/min時(shí)，阻力增加幅度較明顯。由于新油氣分離器增加了玻璃纖維的濾芯結(jié)構(gòu)，使得整體的阻力增大明顯，提高油氣分離效率將無(wú)法避免流量阻力增大，所以在選擇油氣分離器時(shí)需要平衡阻力與分離效率這對(duì)矛盾關(guān)系。

3.3 曲軸箱阻力特性對(duì)比

曲軸箱阻力特性反映的是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各部分的阻力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，可在一定程度上反映曲軸箱通風(fēng)的難易程度。

圖6所示為原油氣分離器與新油氣分離器的通風(fēng)系統(tǒng)外特性阻力分布。可知新油氣分離器通風(fēng)系統(tǒng)的外特性阻力分布規(guī)律與原油氣分離器相近，新油氣分離器產(chǎn)生的阻力較原油氣分離器平均增大200 Pa左右。

圖7所示為外特性油氣分離器阻力隨轉(zhuǎn)速的變化曲線。從圖7中可以看出，外特性油氣分離器阻力隨轉(zhuǎn)速的變化與圖4兩油氣分離器的流量阻力特性相符，都反映了采用新油氣分離器后曲軸箱內(nèi)各零部件及油氣分離器的阻力均有所增加，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的壓力平衡有一定的阻礙作用，使得曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)工作難度加大。

3.4 曲軸箱壓力對(duì)比

活塞漏氣如不及時(shí)排出會(huì)導(dǎo)致漏氣、漏油現(xiàn)象，因而曲軸箱壓力的平衡也至關(guān)重要，相對(duì)較小的曲軸箱壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)較安全。圖8為原油氣分離器與新油氣分離器外特性曲軸箱壓力對(duì)比。由圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，曲軸箱壓力均大幅增大，但新油氣分離器的曲軸箱壓力比原油氣分離器略高，高出壓力平均為40 Pa。由前文可知,隨轉(zhuǎn)速的升高新油氣分離器的通風(fēng)系統(tǒng)阻力比原油氣分離器大，從而導(dǎo)致曲軸箱壓力略有升高。但新油氣分離器設(shè)置有平衡曲軸箱壓力的卸壓閥，當(dāng)曲軸箱壓力超過(guò)設(shè)定允許值時(shí)其會(huì)自動(dòng)卸壓，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合理的曲軸箱壓力范圍內(nèi)工作。

3.5 油氣分離器機(jī)油攜出量和油氣分離效率對(duì)比

活塞竄氣中含有不少機(jī)油，如不將其分離并送回發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)污染發(fā)動(dòng)機(jī)零部件并造成機(jī)油浪費(fèi)。表4、表5所示原油氣分離器與新油氣分離器的機(jī)油攜出量和油氣分離效率，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況為額定工況，漏氣通道為罩蓋側(cè)方。由表4～表5可知，原油氣分離器的分離效率僅為53%，而新油氣分離器的分離效率提高到了79%～95%，這說(shuō)明新油氣分離器方案可有效對(duì)曲軸箱竄氣中的油氣進(jìn)行分離。

表4 原油氣分離器機(jī)油攜出量和分離效率

表5 新油氣分離器機(jī)油攜出量和分離效率

從分離機(jī)理看，原油氣分離器采用的是將竄漏氣引入油氣分離器，并且通過(guò)流道的設(shè)計(jì)使竄漏氣在油氣分離器內(nèi)部進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)；由于油滴密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體的密度，在離心力的作用下，油滴從竄漏氣中分離出來(lái)。但是這種分離方法只對(duì)質(zhì)量較大的對(duì)象起作用，無(wú)法有效去除體積小的油滴。新油氣分離器采用的纖維式濾芯可以通過(guò)彌散分離的方法分離竄漏氣中的油滴。彌散分離過(guò)程如圖9所示。根據(jù)iso20564試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中采用的油滴分布典型曲線可知，曲軸箱排氣氣溶膠體中油滴的平均直徑約0.9 μm，彌散式分離器通過(guò)采用慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)及漫射效應(yīng)等可將小油滴分離出來(lái)。因此，在最終的分離效率以及攜油量上新油氣分離器的效果明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)BFM2012柴油機(jī)匹配車型存在的油氣分離效率低問(wèn)題，提出了將原有的帶有壓力閥的離心式油氣分離器改為帶有玻璃纖維濾芯的彌散式油氣分離器的新油氣分離器方案，并將兩者做了對(duì)比試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:

a.無(wú)論是隨轉(zhuǎn)速還是隨漏氣量的變化，新油氣分離器的阻力分布與原油氣分離器都十分相近；但新油氣分離器的阻力比原油氣分離器增加明顯，且搖臂室到油氣分離器入口處之間出氣通道的阻力所占比例最大。

b.隨著轉(zhuǎn)速的提高，原油氣分離器及新油氣分離器的壓力均大幅增大，新油氣分離器的曲軸箱壓力平均高出原油氣分離器約40Pa，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較小。

c.新油氣分離器可以減少機(jī)油攜出量，且油氣分離效率由原來(lái)的53%提高到了79%～95%。

d.原油氣分離器為長(zhǎng)壽命部件，靠零部件的結(jié)構(gòu)尺寸等保證功能，不需要定期更換。新油氣分離器的濾芯有一定的使用周期，需要定期更換和維護(hù)，增加了一定的使用成本。

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3 蔡小偉.柴油機(jī)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究與開(kāi)發(fā).柴油機(jī)，2001，3，33.

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10 王駿.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢(shì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012，18（2）.