柴油發(fā)動機凸輪軸罩蓋的開發(fā)

許亞軍

（美嘉帕拉斯特汽車零部件（上海）有限公司 201202)

柴油發(fā)動機凸輪軸罩蓋的開發(fā)

許亞軍

（美嘉帕拉斯特汽車零部件（上海）有限公司 201202)

本文主要是介紹一款新的柴油發(fā)動機凸輪軸罩蓋的開發(fā)，相比目前市場上正在使用的凸輪軸罩蓋，此罩蓋有更高的油氣分離效率，更低的機油消耗量，更穩(wěn)定可靠的曲軸箱壓力調(diào)節(jié)，更及時的回機油到油底殼等特點。

柴油機；塑料凸輪軸罩蓋；油氣分離

0 引言

隨著國六對內(nèi)燃機排放有著苛刻的要求，主機廠對新發(fā)動機的設(shè)計提出了更高的要求，更高的功率、扭矩性能，更經(jīng)濟的燃油性，更低的機油消耗量，更穩(wěn)定可靠的曲軸箱壓力調(diào)節(jié)，良好的整機振動表現(xiàn)等。

1 概述

此凸輪軸罩蓋從2016年5月開始正式立項開發(fā)，采用正向全新設(shè)計，高度集成凸輪軸罩蓋的各個組件，滿足客戶各種功能指標的要求。歷經(jīng)方案設(shè)計，產(chǎn)品三維數(shù)模實現(xiàn)，二維圖紙的定稿，軟模階段的零部件級別、整機的設(shè)計驗證，硬模階段的零部件、整車的產(chǎn)品生產(chǎn)驗證，最終很好的滿足了客戶的要求。

凸輪軸罩蓋最重要的功能是分離竄氣中的機油回油底殼，達到機油的循環(huán)利用，降低排放的目的。其中竄氣是來自于發(fā)動機燃燒室燃燒后的氣體從活塞環(huán)與缸體之間的間隙竄出，和增壓器參與工作前后的竄氣，流入曲軸箱，由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速很快，竄氣會在曲軸箱里集聚，這樣會造成曲軸箱壓力上升，對曲軸的徑向密封帶來很大挑戰(zhàn)，所以要把曲軸箱里的竄氣及時地通過發(fā)動機缸體里的通道導入到凸輪軸罩蓋上的進氣口。竄氣從進氣口進入，然后經(jīng)過特殊設(shè)計的粗分離裝置，大顆粒的機油會被擋板分離流向回油孔，細小顆粒的油氣隨后會進入精分離裝置，此精分離裝置集成有螺旋分離機構(gòu)，無紡布，可控制截面開度的旁通閥。此精分離裝置可以滿足流量從0～120 L/min的分離效率。小顆粒的機油經(jīng)過精分離裝置分離以后，形成大顆粒機油，然后流入油底殼。分離后的竄氣最終流入進氣系統(tǒng)干凈側(cè)。

2 凸輪軸罩蓋系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

下面介紹一下凸輪軸罩蓋的各個功能組件的詳細設(shè)計以及主要性能指標的實現(xiàn)。凸輪軸罩蓋的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 凸輪軸罩蓋結(jié)構(gòu)圖

圖2 凸輪軸罩蓋結(jié)構(gòu)

主要的性能指標，如表1所示。

表1 凸輪軸性能指標

來自于曲軸箱的竄氣經(jīng)過發(fā)動機缸體里的通道上升到缸蓋與發(fā)動機罩蓋組成的封閉腔體，然后進入罩蓋的竄氣入口。竄氣入口設(shè)計時要竭力避免位于凸輪軸的正上方，否則給凸輪軸潤滑的機油會被高速運轉(zhuǎn)的凸輪軸甩入竄氣入口，這樣會導致竄氣初始機油攜帶量過大，不利于油氣分離效率提升。竄氣入口的截面面積不能太小，截面積過小會導致竄氣流速過高，油氣不易分離，結(jié)合仿真計算以及試驗驗證，竄氣入口的截面面積要大于480 mm2，這樣能保證竄氣有較高的流速，但又不至于特別高，有利于大顆粒的機油油滴在粗分離結(jié)構(gòu)中被分離出來。粗分離結(jié)構(gòu)是有兩個擋板組成，兩個擋板之間的面積，以及每個擋板處的有效流通截面面積最好一致，截面面積都大于480 mm2，這樣是為了避免流通截面有突變導致的流速變化。經(jīng)過粗分離擋板的撞擊以后，大顆粒的機油油滴會沿著擋板流進回油孔。

分離后的竄氣會進入下游的精分離機構(gòu)，精分離機構(gòu)承擔了主要的油氣分離功能，此精分離機構(gòu)設(shè)計非常復雜并且巧妙，它能實現(xiàn)竄氣流量從0～120 L/min比較寬流量范圍內(nèi)的分離效率，當流量大于120 L/min時，彈簧完全被壓縮，此時旁通閥完全開啟，竄氣會被旁通。此精分離機構(gòu)如圖3所示。

精分離機構(gòu)工作原理如下，當竄氣流量小于120 L/min時旁通閥與分離結(jié)構(gòu)本體之間有三處凸起，竄氣會在這三處有泄漏，目的是降低壓力損失，使機油能夠在怠速，以及75%負荷以下能及時回油。當竄氣流量大于120 L/min時，旁通閥完全開啟，此時螺旋分離結(jié)構(gòu)將會被旁通，竄氣絕大部分會經(jīng)過旁通閥流出。當竄氣流量又小于120 L/min時，旁通閥會關(guān)閉，此時螺旋分離結(jié)構(gòu)又開始工作。這樣小巧的螺旋分離結(jié)構(gòu)能夠保證寬流量的分離效率，主要的原因是此精分離機構(gòu)包括兩個無紡布，其中一個無紡布分布于精分離機構(gòu)周圍，另外一個無紡布位于旁通閥一側(cè)，當竄氣被分離時，小顆粒機油會被螺旋分離結(jié)構(gòu)甩到側(cè)壁上，此時側(cè)壁上的無紡布會捕獲機油顆粒，隨著無紡布上的機油越積越多，大顆粒的油滴會從無紡布上流下，最終流入回油管。當竄氣流量大于120 L/min,精分離機構(gòu)的前后壓差大于1.8 kPa時，旁通閥會開啟，隨后大流量的竄氣會把附著在側(cè)壁無紡布上的機油吹走。當精分離機構(gòu)的前后壓差小于1.8 kPa時，旁通閥會關(guān)閉。精分離結(jié)構(gòu)的壓力損失與竄氣流量的對應關(guān)系如圖4所示。無紡布的幾何尺寸都是經(jīng)過激光切割的，一方面是為了保證精確的幾何尺寸，另外是為了滿足高的清潔度要求，因為采用激光裁剪無紡布能很好的避免碎屑的產(chǎn)生[1]。

圖3 精分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4 精分離結(jié)構(gòu)的壓力損失與竄氣流量對應關(guān)系

精分離過的機油會流進回油管，回油管是一個垂直高度為45 mm，集成有單向閥的長筒狀結(jié)構(gòu)，主要功能是收集機油，并把機油導入發(fā)動機缸體里的回油通道，最終流回油底殼，實現(xiàn)對機油的循環(huán)利用，同時也實現(xiàn)竄氣的閉式循環(huán)，降低了排放，從而達到滿足國六的排放要求。

單向閥是一個直徑為8 mm的塑料球，材料為PA6+GF30，與回油管的閥座配合，起到在怠速或發(fā)動機部分負荷時，能夠防止竄氣直接從回油管流入凸輪軸罩蓋，而不經(jīng)過罩蓋的竄氣入口，同時發(fā)動機工作時間越長，回油管里的機油越高，當精分離前后的壓差ΔP不足以支撐回油管里的機油高度h，回油閥將會開啟，然后機油會流回油底殼，最后回油閥將會在精分離前后的壓差作用下重新上移密封回油閥座。經(jīng)精分離機構(gòu)分離以后的氣體會流入進氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合，最后進入氣缸燃燒，從而實現(xiàn)竄氣的閉式循環(huán)，不會排放到大氣[2]。

在整個發(fā)動機工作過程中，曲軸箱里的壓力是波動的，并且波動范圍比較大，當發(fā)動機工作負荷比較低，轉(zhuǎn)速比較高時，曲軸箱里的竄氣真空度比較高，這樣新鮮空氣會被強行抽進曲軸箱，不利于新鮮空氣的利用。當發(fā)動機工作負荷比較大，轉(zhuǎn)速比較低時，曲軸箱里的竄氣真空度比較小，有時為正壓，這樣會對曲軸的徑向密封帶來很大挑戰(zhàn)，為了穩(wěn)定曲軸箱壓力，凸輪軸罩蓋集成有曲軸箱壓力調(diào)節(jié)閥，隨著發(fā)動機運行在不同工況，壓力調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)曲軸箱壓力在-4～0 kPa之間，這對發(fā)動機的平穩(wěn)運行非常有利。

下面介紹壓力調(diào)節(jié)閥，如圖5所示。調(diào)壓閥蓋板上有一個通大氣的孔，發(fā)動機工作時，隨著發(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)速的變化，曲軸箱里的壓力會變化，通常曲軸箱里的壓力相對大氣壓是負壓，大氣會作用于膜片，推動彈簧往下運動，當曲軸箱壓力真空度比較大時，彈簧會被極具壓縮膜片，把罩蓋本體上的出氣口給封住，此時彈簧已經(jīng)被壓縮到極限狀態(tài)，曲軸箱里的壓力不能再低了，發(fā)動機工作很短時間，竄氣會在曲軸箱里聚集，這樣曲軸箱里的壓力又會上升，彈簧將上升，如此往復彈簧將會隨著不同的發(fā)動機工況上下移動，快速響應。在設(shè)計開發(fā)階段，膜片和彈簧要經(jīng)過非常苛刻的疲勞試驗，要完成3 500萬次的循環(huán)，膜片不能損壞，彈簧不能失效。

除了完成上面主要的功能設(shè)計以外，還要保證凸輪軸罩蓋與發(fā)動機缸蓋的密封性，缸蓋密封圈的設(shè)計。螺栓位置以及數(shù)量的計算尤其重要，在前期設(shè)計階段，引入強大的仿真計算軟件，充分考慮到密封圈材料FKM的老化特性，經(jīng)過幾輪的優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的密封圈的高度和寬度，凸輪軸罩蓋法蘭面上密封槽的寬度和深度，達到最佳的密封效果。然后在經(jīng)過凸輪軸罩蓋零部件級別的產(chǎn)品和工藝生產(chǎn)試驗驗證，以及主機廠發(fā)動機整車級別的耐久測試，最終才能保證產(chǎn)品生產(chǎn)和交付。

除了與缸蓋的密封以外，還有凸輪軸罩蓋與噴油器的密封，此處的密封比較特殊，受制于噴油器的空間布置，此密封圈在軸向不受力，只能采取徑向密封的方式，密封圈既要保證與噴油器的密封，又要保證與罩蓋的鏈接牢靠，我們設(shè)計的密封圈骨架是不銹鋼圈，采用雙色注塑外面包FKM的橡膠材料，這樣能達到很好的密封性和強度，最終徑向密封圈在工廠生產(chǎn)線上通過壓裝設(shè)備壓入凸輪軸罩蓋，實現(xiàn)與罩蓋本體的牢固連接。

在完成以上凸輪軸罩蓋主要功能的設(shè)計以外，還要考慮罩蓋的NVH性能以及輕量化設(shè)計，為了提高NVH性能，尤其要提高平面模態(tài)，降低罩蓋的輻射噪聲，所以在前期設(shè)計時，除了主要的安裝固定面外，幾乎所有的面都要曲面化。經(jīng)過前期的優(yōu)化設(shè)計，軟/硬模階段的產(chǎn)品試驗驗證，以及整車級別的試驗驗證，凸輪軸罩蓋很好的滿足了NVH的要求。

圖5壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語

此凸輪軸罩蓋的開發(fā)很好的滿足了客戶的技術(shù)和交樣要求，同時填補了國內(nèi)柴油雙渦輪增加發(fā)動機罩蓋開發(fā)的空白，達到了國際先進水平。在油氣分離效率，燃油消耗量已經(jīng)領(lǐng)先國際上知名的主機廠，很好的滿足了國六排放的要求。

[1]馬天源,李發(fā)宗,鄧艷寧,胡如夫.柴油發(fā)動機凸輪軸疲勞斷裂研究[J].機械設(shè)計與制造,2013(01):140-142+145.

[2]柳國立,劉正勇,韓俊楠,張蒙,吳貴榮.現(xiàn)代發(fā)動機曲軸箱通風系統(tǒng)設(shè)計研究[J].內(nèi)燃機與配件,2014(12):17-22.

U464.9文獻標示碼：A

許亞軍（1984—），男，研究方向為汽車發(fā)動機產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保輕量化。