直噴增壓汽油發動機曲軸箱通風系統的研究

冀曉棟 左云 李佳 李紅梅 王鵬 周武明

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

直噴增壓汽油發動機曲軸箱通風系統的研究

冀曉棟1，2左云1，2李佳1，2李紅梅1，2王鵬1，2周武明1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

為滿足直噴增壓汽油發動機的曲軸箱通風系統的開發需求，借助現代CAE軟件分析能力，通過降低活塞漏氣量，優化回油結構，優化取氣口位置及面積，合理匹配油氣分離器壓損和有效回油高度，通過多輪試驗驗證，找出最優設計方案。

活塞漏氣量油氣分離分離器壓損

引言

隨著發動機性能的不斷提升及汽車相關排放法規的日趨嚴格，由曲軸箱內的油霧顆粒、廢氣（碳氫化合物）引起的排放問題越來越受到人們的關注。在某高性能發動機的開發過程中，出現曲軸箱通風失效的問題，在解決問題的同時對發動機曲軸箱通風系統進行徹底分析研究。

發動機工作時，部分可燃混合氣和廢氣經活塞環漏入曲軸箱內，曲軸箱通風系統可將漏入曲軸箱的氣體排出曲軸箱；同時達到防止潤滑油變質及燃油稀釋機油，減輕機件的磨損和腐蝕，降壓、降溫、防漏、回收可燃氣體，減少污染。

1 對曲軸箱通風系統的要求

對于自然吸氣發動機，應確保發動機在任何工況下曲軸箱壓力＜0 kPa，即為負壓。對于增壓機型，可以允許少數工況的曲軸箱為正壓，但壓力應＜1 kPa；同時，曲軸箱的最低壓力都應＞-5 kPa，在最糟糕的情況下，曲軸箱的最低壓力不＜-7.5 kPa。

曲軸箱通風系統機油消耗量方面，正常活塞漏氣量情況下，油氣分離效率需滿足進入進氣歧管的機油量不大于2 g/h，在漏氣量翻倍情況下，油氣分離器出口仍沒有目視可見的油流。其中，機油量不大于2 g/h的要求為平均值要求，即模擬發動機實際運行的工況來分配機油量的比例值，如在全速全負荷工況，在整車實際運行過程中幾乎不會使用，所以這個工況只占10%。以此類推，部分負荷占20%，中高負荷占70%，例如，部分負荷分離后機油量為1 g/h，部分負荷分離后機油量為2 g/h，全速全負荷分離后機油量為4 g/h，這樣平均機油量為1×20%+2×70%+4× 10%=1.9 g/h，滿足要求。

將通風中分離出來的機油回到油底殼，使機油循環利用。

2 曲軸箱通風系統的優化方向

2.1 曲軸箱氣體的來源及控制

為了保證曲軸箱通風系統的有效性，首先應了解曲軸箱中氣體的來源，這樣才能從系統的產生根源去控制，使曲軸箱通風系統設計更合理、高效。原來我們把曲軸箱通風所吸出的氣體等同于活塞漏出的廢氣，實際上還有其他來源，主要有：

2.1.1 活塞漏氣

燃燒壓力大大高于曲軸箱壓力。由于密封組件中有間隙，所以排氣可以竄入曲軸箱，如圖1所示。燃燒室和曲軸箱之間的壓差越大，竄氣流量也越大。在汽油發動機中，發動機怠速時或者高速時活塞環會顫抖，此時也會引起竄氣流量的上升。

圖1 活塞竄氣示意圖

活塞漏氣是主要原因，我們應盡量降低它。活塞漏氣主要有3個途徑：1）活塞環與缸孔間；2）活塞環的側隙、背隙；3）活塞環開口。這3個途徑中，第一途徑取決于活塞環與缸孔的接觸質量，為了改善接觸質量，一般采取的方法有：改變活塞環張力；增強缸孔的結構強度，減少變形；合理設計缸蓋螺孔深度位置，減少對缸孔的作用力；采用預加載工藝加工缸孔（又稱壓板珩磨工藝），使缸孔實際裝配后圓柱度得到保證，詳細信息如表1所示。在解決某款發動機活塞漏氣量過大問題中，通過采用預加載加工缸孔的工藝，成功將最大活塞漏氣量由97 L/min降低到57 L/min，大大改善了曲軸箱通風效果。對于第二途徑，取決于側隙、背隙面積及活塞環形式。對于第三途徑，取決于活塞環閉口間隙的大小，和各活塞環閉口相互之間是否錯位。這3個途徑的影響因素都會造成活塞漏氣量過大，出現活塞漏氣量大時一一排查。一般活塞漏氣量估算為：

式中：C—系數；

Vt—理論吸氣量；

Vh—排量；

n—標定轉速；

rr—全負荷增壓器壓比；

Tm—增壓進氣管溫度。

其中C取0.6%～0.8%，根據發動機加工、強化水平以及發動機的磨損情況決定。

表1 更改前后配合間隙μm

2.1.2 增壓器

增壓器的渦輪軸由增壓的油來潤滑，回油腔直通曲軸箱，無壓力。而渦殼中的排氣受排氣背壓的影響，存在一定壓力，加上密封組件有一定泄漏，這樣渦殼中的廢氣會竄入回油腔，進入曲軸箱。當增壓器密封失效時，曲軸箱通風量會增大，導致油氣分離效果惡化，這要求增壓器密封的有效性，可以通過發動機耐久試驗和冷熱沖擊試驗來驗證增壓器密封的有效性。在前期試驗中，某發動機出現油氣分離系統失效，發生竄油現象，排查出通風量超標，后分析出為增壓器密封失效，導致通風量增加，使油氣分離系統失效，導致竄油。

2.1.3 補充的新鮮空氣

為了降低曲軸箱內的水蒸氣飽和度，減少對機油的稀釋，同時降低回收氣體的汽油濃度，使其不影響發動機正常燃燒，汽油機會向曲軸箱內注入新鮮空氣，這樣會使曲軸箱通風量增加。補充空氣量建議為活塞漏氣量的15%～30%。前期在某增壓發動機試驗過程中，曲軸箱通風量始終偏大，導致分離效果不佳，后排查為從進氣歧管補充新鮮空氣太多，導致整體曲軸箱通風量大，后改變設計，使補充的新鮮空氣量減少到20%，油氣分離效果大大改善。

2.2 優化回油結構

回油機構的作用是使分離出來的機油順利地重新回到油底殼，再循環利用；同時，不能讓機體內不潔凈的竄氣和油滴反竄入回油通道內。

為了能使分離后的機油順利回到油底殼，必須讓油液形成足夠的液位高度，以克服油氣分離器等參數的壓差，具體可根據回油腔與曲軸箱的壓力差來計算匹配回油液位高度，圖2為油液在120℃時形成的壓差。

圖2 壓差與機油液面的關系

當油液形成的壓力不能克服回油腔與曲軸箱之間的壓力差時，將使油液不能正常回到曲軸箱內，油液多時將會隨氣體排出，造成油氣分離失效，嚴重時曲軸箱的氣體會反竄入回油腔，同時帶走大量油液，發生竄油。圖3為發動機的自密封回油結構。

圖3 自密封回油結構

2.3 優化取氣口位置及面積

在設計油氣分離器取氣口位置時，應避開凸輪軸凸輪等甩油零部件，在滿足搭載布置的情況下，盡可能將取氣口布置在較高的位置。

在活塞漏氣量一定的情況下，進入油氣分離腔內的竄氣流速與進氣口截面積成反比關系。經過試驗分析，在進氣口截面積較小時易導致進入油氣分離腔的竄氣流速過大。此時，竄氣將攜帶更多的飛濺油滴進入油氣分離腔內，大大增加了整個油氣分離系統的分離難度，使得竄油問題更加嚴重。通過試驗分析，發現將進氣口處竄氣流速控制在2 m/s以下是合理的。

從控制竄氣流速方面入手，對整個曲軸箱通風系統的進氣口進行優化：將進氣口布置在機油相對較少的地方，同時進氣口截面積由210 mm2增大至760 mm2，相對應的竄氣流速從4.5 m/s降低至1.25 m/s。

2.4 匹配油氣分離器壓損與回油高度

采用缸蓋罩上方增加透明窗口的方法來觀察油氣分離系統的回油情況，可以快速了解缸蓋罩內油氣分離情況。

某發動機采用集成閥板式油氣分離器Multi-Flaps和閥板式回油結構，試驗測得油氣分離器壓損為1.0 kPa，同時回油結構的有效回油高度為20 mm，相應參數：120℃機油密度為ρ=0.8 kg/m2、重力加速度g=9.8 m/s2、回油高度h=20 mm、油氣分離器壓損△P=1.0 kPa；

則機油液位高度產生的最大壓力為P（機油）= ρgh=0.16 kPa＜△P。

通過以上計算結果分析：機油液位高速產生的壓力無法克服回油閥上下壓差（即油氣分離器壓損），導致回油閥板無法順利打開，產生回油不暢問題。

根據上述分析制定優化方案：在保證油氣分離效率的同時，適當降低油氣分離器的壓損至0.6 kPa，同時增加回油高度至119 mm。此時，各部分相對壓力如下：

機油液位高度產生的壓力P（機油）=ρgh=0.96 kPa＞△P（0.6 kPa），滿足設計要求。

3 CAE分析

通過上述措施對某發動機曲軸箱通風系統優化設計的同時，利用油氣分離模擬分析軟件Fire進行油氣分離效率分析計算，不斷優化設計，圖4和圖5分別為速度分布與粒子分布模擬分析及發動機油氣分離效率。

圖4 速度分布與粒子分布模擬分析

圖5 發動機油氣分離效率

4 試驗驗證

根據發動機負荷情況將過濾器連接在曲軸箱通風管的不同位置，在部分負荷時將過濾器連接在進氣側，在中高負荷時將過濾器連接在排氣側，為了避免油氣在管路中凝結，缸蓋罩竄氣出口至過濾器之間管路需要有保溫措施，連接管路不得出現漏氣現象且盡可能短。

為了確保測量的準確性，將過濾器殼體加熱至140℃，可以將濾芯中的凝結的水和燃油蒸發掉，在試驗開始前將玻璃纖維的濾芯稱重，待試驗工況穩定后，記錄竄氣流量。然后，切換三通閥至過濾器，并進行計時，5 min后將三通閥切換至空氣流量計，停機，將濾紙取出，稱重。計算出該工況下進入進氣歧管內的機油量，用g/h來表示。

經過試驗驗證，優化設計后的某發動機曲軸箱通風系統綜合工況下竄油量控制在2 g/h，如圖6所示。

圖6 油氣分離后通風系統中的機油含量分布圖

5 結束語

本文通過分析活塞漏氣量、回油結構、取氣口位置及面積、油氣分離器壓損和有效回油高度等影響曲軸箱通風系統的因素，提出了解決曲軸箱通風系統問題的方案，填補了各主機廠對曲軸箱通風系統問題研究的空白。

1蔣明德．高等內燃機原理[M]．西安：西安交通大學出版社，2002

2周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1996

3宗雋杰，倪計民，邱學軍，等.曲軸箱通風系統油氣分離器的性能研究[J].內燃機工程，2010，31（2）：86～91

Research on Optimization of Crankcase Ventilation System in TGDI Engine

Ji Xiaodong1，2，Zuo Yun1，2，Li Jia1，2，Li Hongmei1，2，Wang Peng1，2，Zhou Wuming1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

In order to satisfy the development requirements of crankcase ventilation system in TGDI engine，with the aid of modern CAE analysis，the optimal design is fixed through many test verifications by reducing piston blow-by，optimizing oil drain structure，air inlet position and area，and balancing the oil separator pressure loss and valid oil drain height.

Piston blow-by，Oil-gas separator，Separator pressure loss

TK411

A

2095-8234（2014）04-0014-04

2014-05-26）

冀曉棟（1986-），男，助理工程師，主要從事發動機開發工作。