某直噴汽油發(fā)動機(jī)呼吸系統(tǒng)竄油量超標(biāo)的解決方法

張大晴，王善強(qiáng)

(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

發(fā)動機(jī)呼吸系統(tǒng)也稱為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使曲軸箱氣體與大氣相貫通，發(fā)動機(jī)因而進(jìn)行“呼吸”。呼吸系統(tǒng)一般分為開式呼吸系統(tǒng)和閉式呼吸系統(tǒng)兩種：開式系統(tǒng)主要是將曲軸箱內(nèi)氣體通過油氣分離器后直接排入大氣；閉式系統(tǒng)是將曲軸箱內(nèi)氣體引入到進(jìn)氣歧管與新鮮空氣進(jìn)行混合，然后進(jìn)行燃燒[1]；此次主要圍繞閉式呼吸系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(圖1)。呼吸系統(tǒng)主要連通發(fā)動機(jī)缸蓋護(hù)罩、油氣分離系統(tǒng)以及油底殼等主要部件，所述油氣分離系統(tǒng)包含粗、精分離擋板、PCV閥、毛氈過濾以及回油傘閥[2]。本次重點(diǎn)針對油氣分離系統(tǒng)進(jìn)行介紹(圖2)。呼吸系統(tǒng)竄油量主要是經(jīng)過油氣分離器分離后的氣體，再次進(jìn)入燃燒室中所含機(jī)油的質(zhì)量。

圖1 閉式竄油量試驗(yàn)示意圖

圖2 A發(fā)動機(jī)油氣分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 故障分析

1.1 故障現(xiàn)象及工況

以某款產(chǎn)品為例：A汽油直噴發(fā)動機(jī)其排放要求滿足國六b要求，同時竄油量設(shè)計指標(biāo)<1g/h，但是在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)呼吸系統(tǒng)竄油量達(dá)到3.55g/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計指標(biāo)要求。

呼吸系統(tǒng)竄油量試驗(yàn)方法(表1)，將發(fā)動機(jī)按照閉式方式進(jìn)行連接，同時管路中間安裝竄油量收集瓶，發(fā)動機(jī)以全速全負(fù)荷的方式運(yùn)作15 h以上，收集竄油量并記錄運(yùn)行時間及質(zhì)量。

表1 竄油量試驗(yàn)方法

呼吸系統(tǒng)竄油量烘干的試驗(yàn)方法(表2)：首先將樣品放至烘干箱內(nèi)，設(shè)置烘干溫度為80℃，烘干8h，此目的是為了將樣品中的汽柴油進(jìn)行加熱揮發(fā)(安全性考慮)；然后將烘干箱溫度升高至120℃進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行46h，此目的是將樣品的水分進(jìn)行加熱揮發(fā)，試驗(yàn)中溫度波動度≤±1℃，溫度均勻度±5℃。試驗(yàn)完成后對樣品進(jìn)行稱重計算[3]，呼吸系統(tǒng)竄油量=(烘干前質(zhì)量-烘干后質(zhì)量)/試驗(yàn)時間，式中：竄油量單位為g/h；質(zhì)量單位為g；試驗(yàn)時間為h。

表2 竄油量烘干試驗(yàn)參數(shù)

1.2 故障分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，建立以竄油量超標(biāo)的FTA分析(圖3)。主要從整機(jī)狀態(tài)和系統(tǒng)設(shè)計2個方面進(jìn)行分析，經(jīng)系統(tǒng)排查出7個潛在因子，分別為活塞環(huán)有對口現(xiàn)象、缸孔網(wǎng)紋不合格、缸蓋護(hù)罩漏氣、毛氈無法捕捉油滴、油氣分離器分離后回油不暢、PCV閥流量不合格和傘閥卡滯。具體故障排查檢測結(jié)果見表3。

圖3 竄油量超標(biāo)故障FTA分析

表3 故障排查檢測表

通過對可能導(dǎo)致故障的原因逐項(xiàng)進(jìn)行排查后，排除了其中5項(xiàng)，最終確定為X5分離后回油不暢和X7傘閥卡滯因子導(dǎo)致，具體分析如下。

1) 根據(jù)圖4及結(jié)合公式△p=ρgh，已知：ρ=0.878×103kg/m3，h=0.05m，得[4]：

0.878×103×9.8×0.05=430Pa

考慮臺架及整車發(fā)動機(jī)裝配姿態(tài)發(fā)動機(jī)后傾10°，以及1.3倍的安全裕度：0.878×103×9.8×0.045/1.3=298 Pa

設(shè)計指標(biāo)：精分離到曲軸箱壓損<300Pa。

圖4 油氣分離系統(tǒng)剖切圖

針對油氣分離器粗、精分離后至曲軸箱壓損進(jìn)行實(shí)際測量，粗分離后壓損最大值為220Pa，滿足設(shè)計<300Pa要求(圖5)；精分離后壓損最大值為316Pa，不能滿足設(shè)計<300Pa要求(圖6)，同時從圖6壓損分布圖可以看出，不合格區(qū)域處于高速高負(fù)荷狀態(tài)與竄油量全負(fù)荷工況相一致，且壓損數(shù)據(jù)明顯超出回油壓力，試驗(yàn)過程會直接導(dǎo)致回油不暢，壓損過大會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)氣體走勢受到阻礙，氣體中的機(jī)油不能及時地回到油底殼。

圖5 粗分離后至曲軸箱壓損分布圖

圖6 精分離后至曲軸箱壓損分布圖

2)針對回油傘閥以及傘閥安裝口進(jìn)行實(shí)物檢測(圖7)，同時針對傘閥安裝位置進(jìn)行剖切分析，經(jīng)剖切及裝配確認(rèn)，回油傘閥一直處于常閉狀態(tài)(圖8)，這樣會直接導(dǎo)致初始開啟壓力增大，致使機(jī)油回油不暢[5]。

圖7 回油傘閥裝配尺寸

圖8 回油傘閥裝配剖切圖

綜上所述,最終確認(rèn)呼吸系統(tǒng)竄油量超標(biāo)的原因主要是精分離后至曲軸箱壓損不合格和回油傘閥回油不暢兩個因子導(dǎo)致。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

由分析結(jié)論，提出優(yōu)化方案，并策劃相應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：

1)針對精分離后回油不暢問題，結(jié)合CAE分析及實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，將精分離擋板孔徑由2.5mm擴(kuò)大至3mm，擴(kuò)大孔徑減小壓損[6]。樣件如圖9所示。

圖9 精分離后擋板優(yōu)化前后對比

試驗(yàn)結(jié)果：整改后裝機(jī)驗(yàn)證，精分離后至曲軸箱壓損最大在240Pa，滿足設(shè)計指標(biāo)<300Pa的要求，整改方案有效(圖10)。

圖10 優(yōu)化后精分離后壓損分布圖

2) 針對傘閥卡滯問題，重新優(yōu)化及匹配傘閥尺寸，將傘閥高度增加1.5mm(圖11、圖12)[7]。

試驗(yàn)結(jié)果：優(yōu)化后使回油傘閥在正常狀態(tài)下處于常開狀態(tài)，同時使曲軸箱氣體不能反向流入，整改方案有效。

3 效果檢查

1) 整改后經(jīng)過多輪次不同樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，呼吸系統(tǒng)竄油量平均值為0.53g/h，達(dá)到<1g/h目標(biāo)要求。

2) 經(jīng)過機(jī)油耗專項(xiàng)驗(yàn)證，機(jī)油耗平均值為15.8g/h，滿足設(shè)計指標(biāo)≤35g/h的要求。

3) 經(jīng)過排放測試，A發(fā)動機(jī)能夠滿足國六b排放指標(biāo)要求，通過驗(yàn)收。

4) 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)前后活塞漏氣量、曲軸箱壓力以及動力性、經(jīng)濟(jì)性均符合設(shè)計要求，通過驗(yàn)收。

圖12 優(yōu)化后回油傘閥圖紙

圖13 優(yōu)化后回油傘閥剖切圖

4 結(jié)語

該呼吸系統(tǒng)竄油量超標(biāo)問題在發(fā)動機(jī)設(shè)計研發(fā)過程中是一種常見的故障現(xiàn)象，但是由于缸蓋護(hù)罩目前設(shè)計方案多元化導(dǎo)致故障誘因不確定，此故障是由缸蓋護(hù)罩油氣分離系統(tǒng)壓損導(dǎo)使氣體走勢受到阻礙及回油傘閥設(shè)計不匹配而導(dǎo)致的。通過CAE分析以及結(jié)合實(shí)際臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，從系統(tǒng)及設(shè)計源頭找出根源所在徹底解決問題，為后續(xù)同類問題提供解決思路。