國六直噴發動機曲軸箱通風系統設計研究

宮曉娥，于貴芙，張治國

國六直噴發動機曲軸箱通風系統設計研究

宮曉娥，于貴芙，張治國

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

針對機油稀釋現象和國六PN排放的要求，文章從曲軸箱通風系統的角度來分析，總結緩解機油稀釋現象和滿足國六PN排放的曲軸箱通風系統的布置和油氣分離器的設計方案。

國六排放；直噴發動機；機油稀釋；曲軸箱通風系統；油氣分離器

前言

為應對排放法規升級，越來越多的整車廠投放直噴發動機車型上市，伴隨而來的是機油稀釋問題常見諸報端。一旦發生機油稀釋現象，機油的使用性能和運動粘度都會發生變化，嚴重時還將導致機油壓力下降，發動機磨損加大等嚴重問題。一般通過加速發動機暖機速度，提高機油溫度，調整噴油器設計，減少活塞竄氣量等方式緩解機油稀釋現象，本文主要從合理設計PCV系統的角度來減緩機油稀釋問題，同時國六排放法規對整車PN排放也提出了新的要求，在曲軸箱通風系統油氣分離設計中需考慮減少機油顆粒攜帶量來減少PN顆粒排放。

1 機油稀釋問題

在發動機工作時，燃燒室內小部分氣體經活塞環竄到曲軸箱內，由于直噴機型更容易導致未燃燒的燃油隨竄氣進入到曲軸箱內，一旦這部分燃油未能及時排出曲軸箱，則會混入發動機機油中導致機油液位升高，即機油稀釋問題。機油稀釋現象在整車頻繁進行低溫短程行駛時尤為嚴重。通過模擬用戶多次短程行駛發現，當試驗至第5輪時機油尺液位就已從下限升至上限，第15輪時機油尺液位明顯超出上限（即機油稀釋）。

表1 某車型低溫短程行駛機油稀釋數據

輪數試驗前機油尺液位高度/mm試驗前溫度/℃試驗后溫度/℃ 機油環境機油環境 1上限下3?14.8?16.544?20 5上限上2（+9）?9?1545?15 10上限上5（+9）?16?2643.9?26 15上限上10（+17）?17?2645?26

2 曲軸箱通風系統設計

2.1 縮短竄氣在曲軸箱內路徑長度

在低溫環境下冷車狀態時，活塞間隙變大，缸內直噴燃油霧化不良存在濕壁問題，未燃燃油不可避免地隨竄氣進入曲軸箱。合理布置PCV系統油氣分離器的位置，縮短缸體下沿與油氣分離器取氣口的距離，可以減少竄氣中燃油混入機油的概率，如圖1本田L15B2發動機采用將油氣分離器布置在缸體，取氣點緊挨缸體缸徑下沿，類似設計還有豐田D-4T、D-4ST、馬自達創馳藍天2.0、大眾EA211。

圖1 L15B2發動機油氣分離器

2.2 增加曲軸箱強制通風

由于曲軸箱竄氣的存在，曲軸箱內不可避免存在一定的氣態燃油顆粒和水蒸氣，將新鮮空氣引入發動機曲軸箱內可以降低上述氣體在曲軸箱內的濃度，一般低負荷工況補充新鮮空氣量為活塞漏氣量的15%～30%[1]，高負荷工況補氣則可采用如圖2所示，通過管路連接增壓后管路和發動機曲軸箱，將增壓后空氣強制注入曲軸箱內，注入空氣量的多少由串聯在管路中的節流管控制。為減少發動機裝配零部件數量提高整機零部件集成度，可以將發動機低負荷工況油氣分離器、柱塞閥、單向閥和高負荷工況補氣管路集成在一個零部件內如圖3所示，例如寶馬B48發動機即采用此種結構將上述零部件集成在氣門室罩進氣側內。

圖2 高負荷工況補氣管路

在高負荷工況下，補氣節流管兩端壓差會出現接近1 bar的情況，為防止補氣量過大而導致整體曲軸箱通風量過高甚至超出油氣分離器工作范圍，補氣管路中的節流尺寸需充分考慮此種情況。

在高負荷工況下，除了將增壓后空氣注入曲軸箱強制通風的方法外，豐田工程師在D-4ST發動機開發中使用了搭載Ejector機構的PCV系統如圖4，在PCV系統的通道上加入Ejector機構，Ejector機構將一部分增壓后的氣體作為驅動氣體旁通導入，其機構內的噴嘴形成高速低壓的噴氣流，該氣流將曲軸箱內氣體抽出，此時曲軸箱內形成負壓，新鮮空氣得以從空濾后管路引入稀釋曲軸箱內燃氣和水蒸氣的濃度，減緩機油稀釋等問題產生[2]。

圖3 高負荷工況補氣零部件集成示意圖

圖4 Ejector PCV系統示意圖

圖5 Ejector機構工作原理

3 油氣分離器設計

3.1 分離結構選擇

國六排放法規的升級，明確要求了發動機排放尾氣中PN顆粒的數量。改善油氣分離器分離效率可以減少曲軸箱中竄氣攜帶機油量，減少其循環燃燒后產生的PN顆粒。在國六排放法規實施前油氣分離器設計標準通常按分離后竄氣攜帶機油量不大于2 g/h進行設計，為減少PN顆粒排放建議將設計標準提高到不大于1 g/h[3]。提高分離效率主要依靠采用更高分離效率的分離結構，分離效率的高低通過不同分離結構所能截留不同直徑油滴顆粒百分比進行評估，如圖6是按不同結構所能實現分離率50%的最小直徑顆粒和分離結構壓損繪制而成，目前主流分離結構處于2 μm～4 μm直徑顆粒可以50%分離，為提高分離效率則需采用更高分離效率的分離結構，或采用增加分離結構級數的方法來提高分離效率，但分離結構級數的增加會導致分離器尺寸變長，不利于在發動機上布置集成，同時在過長的通道中也會導致竄氣中燃油顆粒和水蒸氣凝聚成大顆粒被分離出返回曲軸箱，加劇機油稀釋。當前分離效率最高的結構是采用過濾材質結構，但由于需要定期更換濾材，增加用車成本，并不適合車主的用車習慣；主動離心結構成本高且需要額外動力，在有其他合適結構滿足功能需求下非優先選擇；而旋風分離結構由于其分離結構壓損大，分離流速要求高，若布置單個旋風分離結構則需要很大的空間，由OLYTEC GROUP開發的替代結構如圖7，目前已應用在大眾EA211發動機上；國內目前更多的廠家采用了兼具高分離效率和低壓損的無紡布分離結構。

圖6 不同分離結構分離效率

圖7 controlled cyclone separator結構

3.2 油氣分離器對竄氣流量的匹配

一般來講，分離結構都是在設計流量下進行設計，但發動機在實際工作過程中怠速工況和額定功率點曲軸箱竄氣流量是相差非常大，這就導致如圖8中PCV系統使用單一油氣分離器無法匹配所有工況的曲軸箱竄氣量實現分離效率最優化。針對這一情況采用如圖9結構的油氣分離器，其通道口被一金屬彈性片覆蓋，不同竄氣量通過時，金屬彈性片開口大小不同，以此來調整分離結構局部流速，實現不同流量下竄氣通過分離結構流速相近，從而保證分離效率的一致性。同時其竄氣通道結構也可不設計成單一通孔，如上文提及的controlled cyclone separator結構。

圖8 單一油氣分離器曲軸箱通風系統

圖9 彈性金屬片分離結構

還有一種方法是通過如前文圖3所示PCV系統采用雙油氣分離器結構，針對高低負荷時不同的竄氣量分別設計油氣分離器。在低負荷工況時，適當補充新鮮空氣能提高油氣分離器的竄氣流速，以此提高低負荷油氣分離器的分離效率；在高負荷工況時如果采用補氣結構，則存在油氣被過度攜入進氣系統的風險，為防止此問題出現，可以借鑒豐田Ejector PCV系統設置驅動流量控制閥，在高負荷工況控制氣體流量。

3.3 油氣分離器針對機油稀釋的優化

盡管從滿足國六法規控制PN顆粒排放的角度應盡可能提高油氣分離器的分離效率，但由于竄氣中的燃油顆粒和水蒸氣被分離結構分離出會返回曲軸箱，因此在油氣分離器設計中應在滿足整機排放PN基礎上適當放寬分離效率，避免竄氣中的顆粒分離得過于干凈。而當低溫時，竄氣中的水蒸氣和燃油顆粒極易形成更大顆粒被油氣分離器捕捉，因此油氣分離器采用保溫結構可提高油氣分離器溫度，減輕機油稀釋問題。通常在80 ℃以上時，燃油和水分就可以從機油稀釋、乳化的混合物中自然揮發，因此將油氣分離器分離出的液體回流到一個布置在發動機高溫區域的回油池（例如布置在氣門室罩的油氣分離器其回油點下方在缸蓋上設計小的儲油池），利用發動機溫度加速分離后液體中水分和燃油的揮發，并隨曲軸箱氣體重新進入曲軸箱通風系統，可有效減緩機油稀釋、乳化問題。

4 結論

通過對曲軸箱通風系統和油氣分離器的設計研究得出，合理布置油氣分離器的位置，縮短曲軸箱內竄氣通路的長度，增加全工況曲軸箱強制通風補充新鮮空氣，在滿足排放法規PN顆粒排放標準前提下降低分離效率減少竄氣在分離器內流通時間，提高油氣分離器溫度并避免分離出液體直接返回曲軸箱油底殼等措施都會減緩機油稀釋問題。

[1] 冀曉棟,左云,李佳,等.直噴增壓汽油發動機曲軸箱通風系統的研究[J].小型內燃機與車輛技術,2014,43(04):14-17.

[2] 早川直幸,本田光司,西田恒義.新型2.0 L直列4気筒 ESTEC D- 4STエンジン[J].Toyota technical review=トヨタ?テクニカル?レビュー, 2015, 61: 100-105.

[3] 王駿.曲軸箱強制通風系統構成和發展趨勢[J].柴油機設計與制造,2012,18(02):1-8.

Research on Optimization of PCV System in GDI Engine

GONG Xiaoe, YU Guifu, ZHANG Zhiguo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141)

In view of the oil dilution phenomenon and the national sixth PN emission requirements, this paper analyzes from the angle of crankcase ventilation system, summarizes the crankcase ventilation system layout and oil and gas separator design scheme to alleviate the oil dilution phenomenon and meet the national sixth PN emission.

CN6 emission; GDI engine; Oil dilution; PCV system; Oil separator

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.020

U464

A

1671-7988(2021)21-86-04

U464

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1671-7988(2021)21-86-04

宮曉娥，中級工程師，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為發動機零部件設計。