重型甲醇發動機國六標準曲軸箱通風系統開發

盧瑞軍 夏麗娟 蘇茂輝

（1-浙江吉利新能源商用車集團有限公司 浙江 杭州 311000 2-七一一研究所）

引言

隨著國家對機動車國六排放標準的發布，對曲軸箱通風系統控制的要求加嚴。對于開式曲軸箱通風系統，要求將曲軸箱排放與尾氣排放一起進行測試。目前，滿足國六排放標準的發動機基本上都采用閉式曲軸箱通風系統。但是，閉式曲軸箱通風系統帶來了新的技術難題，曲軸箱廢氣中的機油顆粒對增壓器效率、火花塞點火、進氣系統等產生影響。對于甲醇發動機，閉式曲軸箱通風系統中的廢氣含有大量的甲醛、甲酸，容易腐蝕中冷器、進氣系統的金屬零部件，特別是鋁材料零部件，造成火花塞電極間隙沉積鋁元素，影響點火效果；同時造成機油中的金屬元素超標，產生缸套快速磨損等故障。目前，滿足國六排放標準的柴油機由剛開始采用的閉式曲軸箱通風系統逐漸向開式曲軸箱通風系統發展；而點燃式發動機、CNG 發動機和甲醇發動機等，基本上還是采用閉式曲軸箱通風系統。

良好的曲軸箱通風系統應滿足以下要求：

1）基本功能

a）機油分離。分離發動機曲軸箱廢氣中的機油，減少機油消耗；減小閉式曲軸箱通風系統對增壓器效率、火花塞點火的影響；

b）曲軸箱壓力。維持發動機的曲軸箱壓力在一定范圍內，輔助發動機密封，使增壓器回油通暢。

2）功能提升

a）及時帶走燃燒產生的廢氣，將其導入燃燒室中重新燃燒，降低排氣污染（閉式）；

b）導入新鮮空氣，帶走燃燒產生的廢氣，延緩機油乳化與機油稀釋，延長機油壽命；

c）保持通風管路通暢，避免冬季結冰[1]。

1 重型甲醇發動機曲軸箱通風系統簡要介紹

本文的曲軸箱通風系統為一款6 缸13 L 重型甲醇發動機開發的。發動機的技術參數見表1。

表1 發動機技術參數

重型甲醇發動機采用閉式曲軸箱通風系統后，曲軸箱通風系統的排放要達到國六排放標準，有一定的技術難度和挑戰性。

重型甲醇發動機原機曲軸箱通風系統的原理見圖1。

圖1 重型甲醇發動機曲軸箱通風系統原理圖

該發動機的曲軸箱通風系統是閉式曲軸箱通風系統，曲軸箱廢氣的取氣位置在缸體曲軸箱上部，沒有預分離結構，主分離器采用主動式的油驅式油氣分離器。

2 重型甲醇發動機失效現象

在國六排放標準發動機的開發研究中，曲軸箱通風系統的開發是很重要的工作，曲軸箱通風系統的關鍵指標包括機油攜帶量、曲軸箱通風系統壓力的穩定性和曲軸箱通風系統的耐久性，是決定國六排放標準發動機開發成功的關鍵因素之一。

在重型甲醇發動機1 000 h 可靠性試驗中，運行到144 h，發動機在全負荷工況下，曲軸箱通風系統的透明管監測到有機油竄出，并呈線性流淌，故確認為油氣分離器失效。檢查發動機的主分離器有大量乳化物，如圖2 所示。

圖2 主分離器內部乳化物情況

同時，對發動機的關鍵零部件進行拆解，發現缸蓋頂平面、增壓器壓氣機入口、火花塞點火電極都有附著物以及大量的乳化物，如圖3 所示。

圖3 缸蓋、增壓器和火花塞的乳化物情況

缸蓋頂平面的乳化物會影響發動機的機油質量以及搖臂機構的潤滑；增壓器壓氣機入口的附著物會影響增壓器的平衡和效率；火花塞點火電極附著物會嚴重影響發動機點火系統的工作，導致發動機失火和爆震等現象發生。這些問題應該引起足夠的重視。

3 原因分析及改進方案

3.1 曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置優化方案

3.1.1 原因分析

原機曲軸箱通風系統的布置圖見圖4，曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置在發動機曲軸箱位置上部。發動機曲軸箱內是曲軸旋轉的空間，這個空間的機油油氣濃度比較高，而且發動機缸蓋頂面的回油和通氣孔沒有獨立，使曲軸箱通風系統的主分離器負擔比較重，容易造成曲軸箱通風系統的管路、油氣分離器堵塞和失效等故障。

圖4 原機曲軸箱通風系統布局圖

3.1.2 整改措施

針對引發故障的要因，優化曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置，由原來的曲軸箱取氣改到缸蓋罩頂部取氣。發動機曲軸箱內部的活塞漏氣、機油蒸汽、水蒸汽等經過發動機內部通道回到缸蓋罩內部，廢氣中的機油含量大大降低，油氣分離器的機油分離負擔大大降低。同時，該位置是蒸汽的最高位置，不容易形成機油乳化現象。

3.1.3 改進措施的試驗驗證情況

為了確認曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置改進效果，在發動機臺架上進行對比試驗驗證，主要通過燒杯、濾紙和機油攜帶量3 個方面對比改進效果。濾紙、燒杯和機油攜帶量的測量位置在主分離器前，主要確認發動機本體位置不同的廢氣中機油濃度差異。曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置效果對比如表2所示。

表2 曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置效果對比

從表2 可以看出，原機的取氣位置，機油濃度非常高。改變位置后，無論從燒杯收集的水蒸汽中機油的顏色，還是濾紙的機油油滴情況，都大大改善。從機油攜帶量的對比來看，優化后，發動機本體的機油攜帶量減少了將近20 倍。原機曲軸箱通風系統廢氣的取氣位置不合理是造成曲軸箱通風系統的主分離器負擔重的主要原因。

3.2 增加預分離方案

3.2.1 原因分析

目前，發動機一般僅設計單一的主分離器。但是，不同的主分離器適合過濾相應大小的油氣顆粒。到國六排放階段，曲軸箱排放要求加嚴。對于采用閉式曲軸箱通風系統的發動機，要求最大機油攜帶量控制在0.5 g/h 以內[2]。重型發動機由于活塞漏氣量大，為了避免曲軸箱通風系統影響增壓器的效率以及影響火花塞點火，很多發動機生產企業已經把機油攜帶量指標控制在0.2 g/h 以內。但是，嚴格的指標單靠主分離器很難實現。原機缺少預分離結構，只有主分離器，使得主分離器的工作負荷重，特別是機油出現輕微乳化時，容易引起曲軸箱通風系統的管路和主分離器內部堵塞。

3.2.2 整改措施

設計方案是“預分離結構＋主分離器”的分離方案。這就要求預分離結構將最大機油攜帶量控制在2 g/h 以內，再通過主分離器實現目標。

本方案在發動機的缸蓋罩頂部靠近排氣側的位置集成預分離結構，不但節省了管路系統，還避免了外掛管路產生溫差而出現乳化現象，如圖5 所示。

圖5 缸蓋罩內部集成的預分離結構

3.2.3 預分離方案的試驗驗證

在發動機臺架上進行有無預分離結構的效果對比試驗，機油攜帶量的測量位置在主分離器前，有無預分離結構的效果對比見表3。

表3 有無預分離結構效果對比

從表3 所示的測量結果可以看出，增加預分離結構后，機油攜帶量下降了36%，下降效果明顯。同時，就預分離結構對曲軸箱壓力的影響進行評估，在去掉測量濾紙的情況下，曲軸箱壓力略有增加，但都是負壓，在可以接受的范圍內。

3.3 增加補氣系統方案

3.3.1 原因分析

圖6 為甲醇的氧化過程。圖中，M 為惰性氣體。

圖6 甲醇氧化過程圖解

通過甲醇的氧化機理可以看出，甲醛為氧化過程中的中間產物，甲醛進一步氧化會變成甲酸，氫離子和氫氧根離子的碰撞會產生大量的水。甲醇燃燒過程的實質就是被不斷氧化的過程，異于汽油的燃燒產物，甲醇的燃燒產物中含有甲醛、甲酸和水[3]。泄露到曲軸箱的大量甲醇、甲酸和水汽給甲醇發動機的曲軸箱通風系統帶來新的難題。

3.3.2 整改措施

在原機的曲軸箱通風系統中增加補氣系統。為了降低曲軸箱通風系統內氣體的含水率，調節系統內部的壓力大小，減少活塞漏氣在系統內的停留時間，提高機油的使用壽命[4]，需要將空氣濾清器中的新鮮空氣通過補氣管路引入到曲軸箱通風系統內。補氣原理如圖7 所示。補氣方案的試驗驗證結合整機可靠性試驗進行，不進行單項試驗。

圖7 重型甲醇發動機曲軸箱通風系統補氣示意圖

4 試驗驗證

曲軸箱通風系統試驗是國六排放標準發動機開發最重要的機械開發試驗，主要包括機油攜帶量試驗、1.5 倍活塞漏氣量竄油試驗、曲軸箱壓力試驗、機油消耗試驗以及曲軸箱通風系統耐久試驗。

4.1 機油攜帶量試驗

在發動機測試臺架對發動機曲軸箱通風系統的本體、主分離器后的機油攜帶量進行測量，評價曲軸箱的機油攜帶量指標和主分離器的效率是否達到設計要求。試驗結果見表4。

表4 機油攜帶量試驗結果

由表4 可以看出，經過改進優化的曲軸箱通風系統，本體的機油攜帶量大大降低，控制在5 g/h 以內；經過主分離器后，發動機整個曲軸箱通風系統的機油攜帶量指標控制在0.7 g/h 之內。同時，主分離器的機油分離效率達到85%以上，基本達到設計目的。

4.2 1.5 倍活塞漏氣量竄油試驗

從發動機缸體曲軸箱通風系統補氣管處引入外部壓縮空氣，調節壓縮空氣漏氣量等于1.5 倍最大活塞漏氣量，觀察油氣分離器后的管路竄油情況。

發動機在最大功率工況、最大轉矩工況各運行1 h，油氣分離器后的管路無明顯機油和乳化物竄出。

4.3 曲軸箱壓力試驗

曲軸箱壓力分別采用穩態萬有特性壓力試驗工況（圖8）和WHTC 瞬態循環工況（圖9）進行測試，測量位置為機油標尺處。

圖8 穩態萬有特性工況曲軸箱壓力曲線圖

圖9 WHTC 瞬態循環工況曲軸箱壓力曲線圖

從圖8 和圖9 的試驗結果可得出，曲軸箱壓力分布能夠控制在設計范圍-3～0 kPa 內。同時，發動機的穩態工況和瞬態工況，曲軸箱壓力均為負值，有利于發動機的密封，且符合國六排放標準對曲軸箱通風系統的要求。

4.4 曲軸箱通風系統可靠性試驗

曲軸箱通風系統的可靠性不僅影響發動機的燃燒穩定性、整機可靠性，同時影響發動機的排放性能和耐久性。目前，改進優化的曲軸箱通風系統已搭載于發動機整機在臺架上完成500 h 試驗，整個曲軸箱通風系統沒有出現失效堵塞現象，曲軸箱通風系統的管路、油氣分離器內部等沒有明顯的乳化物，同時發動機缸蓋罩內部的乳化物情況也得到大大改善。

5 結論

在重型甲醇發動機曲軸箱通風系統的開發過程中，不僅要保證重型甲醇發動機和傳統燃料（柴油、汽油和天然氣等）發動機一樣滿足嚴格的國六排放標準和更高的可靠性要求，同時還要關注甲醇燃料本身特性給發動機帶來的技術難題。這樣，才能開發出滿足重型甲醇發動機要求的曲軸箱通風系統。

本文通過對原機的設計不合理之處進行改進優化，結合單項試驗，進行效果對比驗證，確定技術方案。同時，結合甲醇發動機燃燒產物中水分、甲醛和甲酸多的特點，增加了補氣系統。通過曲軸箱通風系統的機械開發專項試驗和發動機臺架耐久試驗，對效果進行了驗證。試驗結果表明，各項指標基本滿足設計要求，比原機有了很大的提升。