提高面向高原地區(qū)的汽車發(fā)動機機油消耗適應(yīng)性研究

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

由于高原地區(qū)大氣壓力低，對車輛發(fā)動機的要求與平原地區(qū)有所差異。在平原地區(qū)可以正常使用的車輛，如果發(fā)動機不經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M，運用到高原地區(qū)可能出現(xiàn)機油消耗快的問題。這是因為發(fā)動機的內(nèi)外壓力偏差，機油油氣未經(jīng)分離就會吸入到進氣口，進到燃燒室進行燃燒，導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)機油缺失,出現(xiàn)燒機油的現(xiàn)象。為此必須針對某型號發(fā)動機相關(guān)的零部件、系統(tǒng)進行適應(yīng)性的改進，經(jīng)過分析制定了優(yōu)化改進方案。試驗用發(fā)動機的基本性能參數(shù)見表1所示。

表1試驗用發(fā)動機的基本性能參數(shù)

1 發(fā)動機機油消耗快原因分析

1.1 環(huán)境原因

青海、西藏、云南、四川等地屬于中國的高原地區(qū)，部分區(qū)域海拔高達4 000~5 000m，海拔每升高100米，大氣壓就下降5 mmHg(0.67 kPa)。因此大氣壓降268 kPa。某款車輛的發(fā)動機總成在高海拔區(qū)域出現(xiàn)機油消耗偏大的情況。

1.2 發(fā)動機系統(tǒng)原因

（1）凸輪軸罩蓋內(nèi)油氣分離迷宮密封不嚴(yán)。由于發(fā)動機在工作時，曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，在高原地區(qū)氣壓偏差大，油氣容易通過密封不嚴(yán)的部位，進入油氣分離系統(tǒng)，過多油氣導(dǎo)致油氣分離系統(tǒng)來不及進行油氣分離，油氣直接進入到進氣管內(nèi)。

（2）凸輪軸罩蓋總成油氣分離腔壓降過大。主要的原因是由于發(fā)動機內(nèi)外氣壓偏差大，含油廢氣竄入油氣分離腔內(nèi)，未經(jīng)充分分離和及時回油，直接由呼吸口竄出然后進行燃燒，導(dǎo)致出現(xiàn)機油消耗快的現(xiàn)象。

2 改進設(shè)計

主要從發(fā)動機凸輪軸罩蓋總成的油氣分離系統(tǒng)入手，以達到解決發(fā)動機高原地區(qū)機油消耗快問題的目的。

改進后的發(fā)動機采用迷宮式油氣分離系統(tǒng)，其工作原理為：流速較高的油霧進入迷宮式分離器會撞擊在迷宮擋板上，漸漸匯集成比較重的機油油滴。在重力作用下油滴沉淀到管壁上并在機油回流管中聚集，流回曲軸箱。迷宮式油氣分離器集成在凸輪軸罩蓋內(nèi)。迷宮式油氣分離器的主要特點是使用壽命長、壓損小、價格便宜，該結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛。該系統(tǒng)采用凸輪軸罩蓋集成油氣分離模塊，使用兩路管路，僅在臟空氣進入進氣歧管端帶PCV閥（單向閥）。

具體包括：（1）凸輪軸罩蓋：集成簡單的孔板式油氣分離模塊；（2）PCV閥：單向閥，控制曲軸箱氣體流量，并阻止進氣歧管回火；（3）兩路管路管子：空濾曲軸箱（新鮮空氣及臟空氣雙向流動）、PCV閥進氣歧管。圖1為迷宮式分離器結(jié)構(gòu)原理。圖2為機油在發(fā)動機內(nèi)部整體的工作圖。

圖1迷宮式分離器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2發(fā)動機內(nèi)部整體工作圖

3 計算方法

油氣分離的工作原理知道后，我們采用歐拉-拉格朗日算法對油氣分離器分離效率進行研究。分析高原氣壓對發(fā)動機內(nèi)部的氣壓變化以及機油消耗過快的具體原因。

按照拉格朗日動量守恒方程:

式中:

md為粒子質(zhì)量，kg；

uid為粒子速度，m/s；

Fidr為粒子阻力，N；

Fig為粒子所受重力和浮力，N；

Fip為粒子所受壓力，N；

Fib為其它外力，N。

發(fā)動機在運行過程中通過氣缸間隙漏入曲軸箱內(nèi)的已燃和未燃?xì)怏w總稱為活塞漏氣量。在油氣分離器氣相流場計算過程中，即用歐拉-拉格朗日算法中的歐拉算法進行穩(wěn)態(tài)流場計算時，其中入口面邊界條件為活塞漏氣量，出口為靜壓。

機油粒子直徑的大小對油氣分離器的分離效果影響較大，在重力作用下，當(dāng)油氣混合物的流速不太快時，大的油滴最終會落到油氣分離器的底部，而油滴直徑越小，其下落的時間越長。對于直徑很小的機油微粒，能夠長時間懸浮在空氣中，無法在自身重力的作用下從氣體中分離出來。因此發(fā)動機蓋罩通過油氣分離器的迷宮、擋板等手段，盡可能地把這部分油滴分離出來。

從上式可以看出，對于發(fā)動機型號一定的車型來說，在高原地區(qū)海拔越高曲軸內(nèi)外壓差越大，粒子速度uid越快、粒子所受壓力Fip、其它外力Fib越大，導(dǎo)致油氣粒子繞過所有的縫隙迅速的通過分離器迷宮，在進氣口與回油孔相同的條件下，機油滴無法及時有效地返回曲軸箱，導(dǎo)致被吸入進氣歧管，發(fā)生機油消耗快現(xiàn)象。

結(jié)合以上原理，經(jīng)過分析，制定了改進方案，如表2所示。具體如下：

表2凸輪軸罩蓋的改進措施

（1）將原機凸輪軸罩蓋迷宮，增加密封膠提高密封性。

改進前后的凸輪軸罩蓋的狀態(tài)如圖3、圖4所示。

圖3原發(fā)動機凸輪軸罩蓋的狀態(tài)

圖4凸輪軸罩蓋通過加密封膠后的狀態(tài)

（2）增大油氣分離強度的改進。對原凸輪軸罩蓋再增加密封膠的基礎(chǔ)上，加大進氣口，本身凸輪軸罩蓋進氣口是由三個小圓孔組成，把三個小圓孔打穿成一個大孔，來增加進氣口，降低曲軸箱與凸輪軸罩蓋內(nèi)油氣分離系統(tǒng)的壓差；并在罩蓋上增加回油孔，在油氣分離后機油可以順著增加的回油孔流回。如下圖5所示。

圖5凸輪軸罩蓋回油孔由三個小孔改為一大孔

4 改進設(shè)計的試驗驗證

4.1 實驗方案確定

試驗的過程分別為：（1）對凸輪軸罩蓋的油氣分離迷宮進行密封性打膠處理；（2）對原凸輪軸罩蓋在增加密封膠的基礎(chǔ)上，加大進氣口，增加回油口。

在動力環(huán)保試驗室進行試驗驗證，在改進前后的曲軸強制通風(fēng)閥與進氣歧管接口處，各接一個機油量杯，進行動力試驗效果明顯（如圖6），對不同轉(zhuǎn)速下的機油消耗量進行對比如表3。

表3試驗驗證數(shù)據(jù)分析

圖6曲軸強制通風(fēng)管與進氣歧管接口處放置機油杯

4.2 試驗結(jié)果及分析

（1）改進前

對改進前發(fā)動機的機油消耗性在高原地區(qū)進行實車試驗，結(jié)果見下表4。

表4在高原地區(qū)改進前的發(fā)動機機油消耗性試驗結(jié)果

改進前整車發(fā)動機機油消耗試驗曲線如圖7所示，結(jié)果不符合技術(shù)要求。

圖7改進前整車發(fā)動機機油消耗試驗曲線

（2）改進后

對改進凸輪軸罩蓋后的發(fā)動機總成在高原地區(qū)進行實車試驗，結(jié)果見下表5。

表5高原地區(qū)改進后的發(fā)動機機油消耗性試驗結(jié)果

改進后整車發(fā)動機機油消耗試驗曲線如圖8所示，符合技術(shù)要求。

圖8改進后整車發(fā)動機機油消耗試驗曲線

2003年GB/T19055-2003《汽車發(fā)動機性能試驗方法》明確規(guī)定：額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時機油/燃油的消耗比不得超過0.3%，按行駛1 000 km機油消耗最大100 ml計算改進凸輪軸罩蓋后的車輛，在高原地區(qū)發(fā)動機的機油消耗得到明顯的改善，符合技術(shù)要求。

因為高原地區(qū)海拔越高氣壓越低，引起的曲軸箱內(nèi)外壓力差越大，根據(jù)拉格朗日動量守恒方程公式md=Fidr+Fig+Fip+Fib，所有機油消耗量越大，發(fā)動機在平原地區(qū)測試路試正常的，不一定在高原地區(qū)適應(yīng)，應(yīng)該根據(jù)不同的地區(qū)特點進行改進，提高發(fā)動機的適應(yīng)性與耐用性，滿足不同地區(qū)的用戶需求。

5 結(jié)束語

中國地域遼闊，許多汽車廠家銷售的車輛在不同的地域會有不同的故障，尤其在高原地區(qū)車輛容易出現(xiàn)燒機油、冒藍(lán)煙等故障，對高原地區(qū)車輛使用環(huán)境進行分析，實際進行車輛測試，發(fā)動機整體系統(tǒng)部符合中國高原環(huán)境的技術(shù)要求。為了滿足不同地區(qū)的車輛要求，需要對發(fā)動機凸輪軸罩蓋的油氣分離系統(tǒng)進行改進工作。

本文針對高原地區(qū)的環(huán)境特點、燒機油的工作原理等，經(jīng)過分析制定改進方案，改進涉及到凸輪軸罩蓋油氣分離迷宮的密封性、進氣口、回油孔等，通過增加分離迷宮密封性，增大進氣口，增加回油孔來提高發(fā)動機的油氣分離性能。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計做出樣件，進行裝車試驗測試，測試結(jié)果達到了技術(shù)要求。優(yōu)化后發(fā)動機提高了在特定區(qū)域的適應(yīng)性。

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