進氣歧管上曲通結構對節氣門體結冰的影響研究

閔熳，夏英子，劉向峰，王勇，宋志輝

進氣歧管上曲通結構對節氣門體結冰的影響研究

閔熳1,2，夏英子1，劉向峰1，王勇1，宋志輝1

（1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利動力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

進氣歧管為發動機進氣系統主要零部件，擔任著向發動機各個氣缸引入混合新鮮空氣的作用，同時決定發動機各個氣缸充氣均勻性和進氣效率[1]。而曲軸箱通風系統的油氣大多會通過管路引入進氣歧管，并進入氣缸進行燃燒。文章通過進氣歧管的曲通均勻性分析及冬季試驗研究了進氣歧管上不同的曲通結構對發動機節氣門體處結冰的影響，對進氣歧管曲通結構的設計有一定的指導意義。

進氣歧管；曲通結構；曲通均勻性分析；冬季試驗

1 引言

眾所周知，發動機工作時，總有一部分可燃混合氣和廢氣經活塞環與汽缸套之間間隙竄入曲軸箱內，業內將這種泄露稱為“竄氣”，竄氣中含有燃油、水蒸氣和廢氣等大量污染物，如果不加處理，發動機曲軸箱內壓力會升高破壞發動機的密封，導致發動機油封失效、機油滲漏，這些竄氣逸入大氣還會造成大氣污染；另外水蒸氣遇冷凝結在機油中會形成泡沫，破壞機油供給，嚴重時會形成油泥，阻塞油路，這種情況在冬季尤為嚴重；廢氣中的酸性氣體與水和空氣接觸會形成酸性物質，這些酸性物質不僅腐蝕零件，而且也會使機油變質、加速運動件磨損[2]。

為防止曲軸箱壓力過高，延長機油使用期限，減少零件磨損和腐蝕，防止發動機漏油，現在發動機上都設計有曲軸箱通風系統。同時，隨著排放法規的日益嚴格，為了控制曲軸箱竄缸混合氣的排放量，須采取控制系統，將曲軸箱內的混合氣通過軟管連接到進氣管或進氣歧管的適當位置，隨新鮮空氣進入氣缸重新燃燒，這樣既可以減少排氣污染，又能提高發動機的經濟性。

一般為了保證曲通廢氣的均勻性，進氣歧管上會設計獨立對稱的曲通結構，如圖1所示。但一般情況下曲軸箱廢氣溫度較高，在冬季較寒冷地區，熱的曲通廢氣與冷的零部件及新鮮空氣相遇時，廢氣中的水蒸氣遇冷會液化為小水珠，在寒冷地區，極易結成冰。

本文通過對某機型冬季試驗過程中節氣門體處結冰的失效模式進行分析，找到了節氣門體處結冰的原因，并最終結合仿真分析及方案優化驗證解決了該問題。

圖1 某機型進氣歧管上曲通結構

2 節氣門體結冰問題描述

某增壓發動機在搭載整車進行冬季試驗時出現動力不足問題，經拆機檢查發現節氣門體閥板處結冰導致卡死，如下圖2所示。

圖2 某機型冬季試驗節氣門體結冰示意圖

3 節氣門體處結冰問題分析

3.1 曲軸箱通風系統原理

圖3 某發動機部分負荷工況曲軸箱竄氣圖

增壓發動機在部分負荷工況時，節氣門半開，進氣歧管負壓很大，PCV閥導通，曲軸箱竄氣經部分負荷油氣分離器進行油氣分離后，通過 PCV閥、曲軸箱強制通風管進入進氣歧管[3]。路線如圖3所示。

3.2 進氣系統布置分析

如下圖4為進氣系統在整車上的布置圖示，可以看出，進氣歧管上曲軸箱通風管接口距離節氣門體很近，且節氣門體位置朝下，處于易積水區域；圖5為進氣歧管曲通結構示意圖，進氣歧管上獨立的小負荷曲通通道為1分2結構連接進氣歧管穩壓腔，但曲通結構出口位置距離節氣門體較近，且曲通廢氣與新鮮空氣氣流方向垂直，兩者產生干涉。在冬季試驗低溫環境下，熱的曲軸箱廢氣遇到冷的新鮮空氣時容易液化成小水珠，導致液態水流入進氣歧管入口處，在節氣門體閥板處形成積水并結冰。

圖4 整車上系統布置圖

圖5 進氣歧管曲通走向圖示

3.3 進氣歧管曲通結構瞬態均勻性分析

圖6 進氣歧管曲通均勻性分析流線圖

為分析曲軸箱通風系統油氣到各缸的分布情況，我們進行了進氣歧管曲通結構瞬態均勻性分析。如圖6、圖7分別為仿真計算的流線圖及顆粒圖，可以看出，因曲通出口位置距離節氣門體位置較近，大量曲通廢氣會流向節氣門體位置，在冬季溫度較低的情況下，熱的曲通廢氣與冷的節氣門體閥板及新鮮空氣相遇，發生液化并匯聚在節氣門體閥板上，結冰造成閥板卡死。

圖7 進氣歧管曲通均勻性分析氣體分子顆粒圖

3.4 故障復現驗證

（1）方案說明

為驗證上述分析情況，在另一款結構類似的進氣歧管上設計了不同的曲通接口位置及結構，并在環境倉中進行了驗證，方案一如下圖8所示，曲通出口位置連接進氣總管，正對節氣門體（與上述結冰問題結構一致）；方案二如下圖9所示，曲通出口位置在穩壓腔上；方案三如下圖10所示，曲通出口位置連接進氣歧管氣道，遠離節氣門體位置，水珠不易液化流入節氣門體處。

圖8 曲通入口在進氣總管上

圖9 曲通入口連接穩壓腔

圖10 曲通入口連接進氣歧管氣道

（2）故障復現驗證

將上述三個樣件分別在低溫環境倉中進行曲通試驗驗證，試驗結果如下：

方案一：曲通出口位置連接進氣總管，距離節氣門體位置近，且曲通廢氣氣流與新鮮空氣氣流方向垂直，正對節氣門造成液化水聚集在節氣門體處，如下圖11所示。

方案二：曲通出口位置連接穩壓腔，雖然出口位置遠離節氣門體位置，但在節氣門體正上方，水珠易液化流入節氣門體處，造成結冰，如下圖12所示。

方案三：曲通出口位置連接進氣歧管氣道，且曲通廢氣氣流方向順著新鮮空氣氣流方向，節氣門體處無結冰情況。

圖11 方案一結冰情況

圖12 方案二結冰情況

通過上述故障復現驗證，可以初步得出上述故障為曲通不合理的布置結構所致。

4 結冰問題優化方案

從上述分析及冬季試驗結果來看，進氣歧管上不合理的曲通結構導致了節氣門體處結冰，使得節氣門體卡死，進而出現發動機加速無力的問題。結合上述故障復現驗證情況，對該問題機型進氣歧管上曲通結構進行了設計優化，如下圖13所示，新曲通結構的曲通出氣口連接進氣歧管法蘭面，遠離節氣門體，距離缸蓋較近，且與新鮮空氣氣流方向平行，即使熱的曲通廢氣遇到冷的新鮮空氣或者歧管壁面液化，水珠也是在進氣歧管穩壓腔內部，不會聚集在節氣門體位置，而穩壓腔內部的水珠隨著進氣溫度的升高，會隨著進氣進入氣缸燃燒，不會對零部件產生任何影響。

圖13 新狀態進氣歧管曲通結構走向示意圖

為驗證該分析情況，針對新曲通結構的進氣歧管同樣進行了曲通瞬態均勻性分析，并制作樣件搭載冬季實驗進行驗證，曲通瞬態均勻性分析結果如下圖14，可以看出，新曲通結構的進氣歧管曲通廢氣顆粒很少進入節氣門體位置，即節氣門體閥板位置無水珠或水珠很少，節氣門體閥板不會出現結冰導致卡死的情況。

圖14 新狀態進氣歧管曲通均勻性分析氣體分子顆粒圖

冬季試驗結果也顯示，節氣門體閥板出無結冰情況。試驗后節氣門體閥板處無結冰情況，如下圖15所示。

圖15 新狀態進氣歧管冬季試驗節氣門體閥板處結冰情況

從上述分析及試驗驗證可以看出，節氣門體結冰問題與進氣歧管曲通結構強相關。在后續進氣歧管產品設計時，需重點關注曲通結構，進氣歧管上小負荷曲通結構設計時，需關注曲通出氣口的位置及角度，同時，需同時考慮曲通廢氣進入各缸的均勻性。

5 結束語

本文通過原理分析，故障復現、曲通均勻性仿真分析、冬季試驗，可以看出，進氣歧管曲通結構設計需重點關注節氣門體結冰問題，后續進氣歧管曲通結構的設計需同步考慮以下幾點：

（1）需考慮進氣歧管曲通結構的出口位置，杜絕布置在節氣門體上方。

（2）需考慮曲通廢氣氣流方向與進氣歧管主通道氣流方向的角度。

（3）設計之初結合仿真計算，分析曲通氣體內氣體分子在進氣歧管內的運動情況。

[1] 麻向軍,鄧霽蘭.塑料進氣歧管的研究進展[J].模具技術,2009,(5): 58-62.

[2] 李建國.車用發動機曲軸箱通風系統構成及常見故障分析[J].內燃機與配件.2014,(5):32-34.

[3] 肖姍姍,韓廣華,韓玉偉等.某增壓直噴汽油發動機曲軸箱通風系統失效的分析和解決[J].小型內燃機與車輛技術,2015.44(3):52-55.

Intake Manifold’ PCV Structure Influence The Frozen Of The Throttle body

Min Man1,2, Xia Yingzi1, Liu Xiangfeng1, Wang Yong1, Song Zhihui1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Powertrain Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

The intake manifold is the main component of engine, it can supply fresh air to the engine cylinder, it has direct influence on the uniformity of inlet and intake efficiency[1]. exhaust gas from PCV structure will flow into intake manifold, and finally burn in the cylinder. The article is based on the PCV CFD analyze and winter test, By the test result, it can be found that the PCV structure in intake manifold has a great impact on the frozen of throttle body, it will be useful for the design of the PCV structure in intake manifold.

Intake manifold;PCV structure in intake manifold;PCV CFD analyze; Winter car test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.036

U464

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1671-7988(2021)07-112-04

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閔熳（1991-），男，湖北隨州人，工程師，本科，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司、浙江吉利動力總成有限公司，主要從事發動機進、排氣系統設計工作。