面向國六標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)研究

張琳，韓松，李騰騰，王傳琪，付鐵強，張晴，鄒林

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

日益嚴(yán)峻的石油能源危機和環(huán)境污染對傳統(tǒng)內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)提出了更加嚴(yán)格的要求，采用新型能源滿足內(nèi)燃機性能和排放需求是改善能源和環(huán)境形勢的必由之路。天然氣由于具有在世界范圍內(nèi)儲量高，價格低廉，且燃燒清凈性好等優(yōu)勢，是替代傳統(tǒng)化石燃料的最優(yōu)選擇[1]。壓縮天然氣(CNG)作為代用燃料被廣泛應(yīng)用在汽車，特別是商用汽車上[2]。對于重型車用發(fā)動機而言，天然氣被認為將成為用量僅次于柴油的重要燃料來源[3]。

近年來，我國的重型車排放法規(guī)快速更新，目前已經(jīng)發(fā)布了第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，即GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》。相比于國五排放標(biāo)準(zhǔn)，國六標(biāo)準(zhǔn)中對重型車用發(fā)動機的測試方法要求更加嚴(yán)格，污染物限值大幅加嚴(yán)[4]。根據(jù)已有研究，柴油機為了滿足國六標(biāo)準(zhǔn)中對氮氧化物(NOx)、顆粒物質(zhì)量(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)等污染物的要求，需配備復(fù)雜的后處理系統(tǒng)，包括氧化催化器(DOC)、顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)和氨捕集器(ASC)，技術(shù)難度和研發(fā)制造成本大大增加[5]。而相關(guān)研究表明，當(dāng)量空燃比天然氣發(fā)動機只需要通過優(yōu)化空燃比控制并安裝三效催化轉(zhuǎn)化器(TWC)即能夠?qū)崿F(xiàn)NOx和顆粒物的超低排放，具有較好的應(yīng)用前景[6]。

相比于國五標(biāo)準(zhǔn)，國六標(biāo)準(zhǔn)除了對天然氣發(fā)動機的污染物排放限值加嚴(yán)之外，還要求整個測試循環(huán)(WHTC)過程中的曲軸箱壓力都不高于大氣壓力，即相對壓力為負值。由于國五階段要求曲軸箱壓力測試為穩(wěn)態(tài)工況，采用閉式曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)很容易達標(biāo)。國六階段要求瞬態(tài)工況下曲軸箱壓力保持負值，對于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，目前相關(guān)的研究成果很少。

本研究基于一臺裝配有閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的當(dāng)量空燃比天然氣發(fā)動機，通過改變進氣空調(diào)供氣壓力和全流稀釋通道(CVS)的總流量，研究了全流發(fā)動機排放測試臺架相關(guān)設(shè)備的工作狀態(tài)對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下曲軸箱壓力的影響。在此基礎(chǔ)上，運行了瞬態(tài)排放測試循環(huán)(WHTC)，基于法規(guī)研究了當(dāng)量空燃比天然氣發(fā)動機的曲軸箱壓力特性，并分析了典型曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的特點，提出了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗基于一臺當(dāng)量空燃比天然氣發(fā)動機和全流(CVS)發(fā)動機排放測試臺架進行。全流試驗設(shè)備布局見圖1。測試系統(tǒng)主要包括四部分：電力測功機、進氣空調(diào)系統(tǒng)、CVS稀釋系統(tǒng)、采集及控制系統(tǒng)。通過AVL電力測功機使發(fā)動機按照穩(wěn)態(tài)或者WHTC瞬態(tài)工況運行，進氣空調(diào)提供特定溫度和濕度的發(fā)動機燃燒空氣，CVS稀釋系統(tǒng)收集并稀釋發(fā)動機尾氣，采集系統(tǒng)測量發(fā)動機運行過程中的曲軸箱壓力。測試過程中，曲軸箱壓力測點為發(fā)動機缸蓋罩殼上的機油加注口。使用工業(yè)級的相對壓力傳感器測量曲軸箱壓力，傳感器測量范圍-10～10 kPa，測量精度±20 Pa，采樣頻率10 Hz。

圖1 全流試驗設(shè)備布局

發(fā)動機相關(guān)參數(shù)如表1所示。本次選取的發(fā)動機裝配了閉式曲軸箱強制通風(fēng)系統(tǒng)，采用被動式油氣分離器。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。發(fā)動機工作過程中，曲軸箱排氣流經(jīng)油氣分離器，分離出的潤滑油流回油底殼，剩下的曲軸箱排氣進入空濾后端進氣管路，經(jīng)過增壓器增壓后進入氣缸參與燃燒。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖2 閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)示意

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 CVS流量和進氣空調(diào)壓力對曲軸箱壓力的影響

在排放測試過程中需要開啟CVS系統(tǒng)和進氣空調(diào)，而這兩個系統(tǒng)可能會影響發(fā)動機進排氣系統(tǒng)工作狀態(tài)，進而影響曲軸箱壓力的測量。為了評價CVS系統(tǒng)和進氣空調(diào)工作狀態(tài)對曲軸箱壓力測量的影響，選取了4個發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況，分別設(shè)定CVS系統(tǒng)的不同流量和進氣空調(diào)的不同供氣壓力，并測量各工作狀態(tài)下的曲軸箱壓力。發(fā)動機工況和設(shè)備參數(shù)設(shè)定如表2。

表2 發(fā)動機工況和設(shè)備參數(shù)

在關(guān)閉進氣空調(diào)的情況下，調(diào)整CVS系統(tǒng)流量和發(fā)動機運行工況，測得的曲軸箱壓力見圖3。對于同一個CVS流量，隨著發(fā)動機運行負荷的增大，曲軸箱的負壓增大。這是因為隨著發(fā)動機運行負荷的增大，進氣量增大，渦輪增壓器進氣入口的負壓提高，對曲軸箱的吸力相應(yīng)增強。而對于任何一種發(fā)動機工況，當(dāng)調(diào)整CVS流量時，曲軸箱壓力最大差值為0.02 kPa，并沒有明顯變化。這是因為雖然不同的CVS流量會造成排氣背壓的變化，但此變化不會影響到曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。因此在檢測曲軸箱壓力時，可以正常開啟CVS系統(tǒng)。

圖3 不同CVS流量下的曲軸箱壓力

在保持CVS流量不變的情況下，調(diào)整進氣空調(diào)供氣壓力和發(fā)動機運行工況，測得的曲軸箱壓力見圖4。對于同一個進氣空調(diào)供氣壓力，隨著發(fā)動機運行負荷的增大，曲軸箱的負壓增大。對于同一發(fā)動機工況，隨著進氣空調(diào)供氣壓力的升高，曲軸箱壓力相應(yīng)升高，且供氣壓力對中小負荷時的曲軸箱壓力影響更加顯著。因為對于試驗機型，曲軸箱排氣流動的動力源為曲柄連桿機構(gòu)的掃氣動作和空濾后進氣管路的壓力，改變進氣空調(diào)的供氣壓力會相應(yīng)改變發(fā)動機進氣管路壓力，進而影響曲軸箱壓力。曲軸箱壓力與進氣空調(diào)的供氣壓力和進氣壓力具有正相關(guān)性。

圖4 不同進氣空調(diào)供氣壓力下的曲軸箱壓力

由于影響曲軸箱壓力的因素并不單一，雖然進氣壓力與曲軸箱壓力正相關(guān)，但是在試驗過程曲軸箱壓力的變化并不完全等于進氣壓力的變化。如圖5所示，當(dāng)固定進氣空調(diào)的供氣壓力(104.0 kPa)不變時，改變發(fā)動機工況，發(fā)動機進氣壓力和曲軸箱壓力相應(yīng)改變，但二者并不相同。雖然發(fā)動機負荷增大后進氣負壓更大，對曲軸箱排氣的抽吸作用更強，但是更大的曲軸箱排氣量削弱了進氣負壓的作用，而且由于曲軸箱內(nèi)的迷宮設(shè)計增加了曲軸箱通風(fēng)阻尼，導(dǎo)致曲軸箱壓力的變化程度隨著發(fā)動機負荷的變化被削弱。因此，在開啟進氣空調(diào)的情況下，并不能簡單地利用進氣壓力對測量的曲軸箱壓力進行修正。為了更加貼合整車的狀態(tài)，在檢測曲軸箱壓力時，為了避免引入誤差，應(yīng)關(guān)閉進氣空調(diào)，或者使用開式進氣空調(diào)系統(tǒng)，以消除進氣空調(diào)對發(fā)動機進氣管路壓力的影響。

圖5 不同工況下的進氣壓力和曲軸箱壓力

2.2 運行WHTC時曲軸箱壓力變化規(guī)律

在關(guān)閉進氣空調(diào)的情況下，運行了國六標(biāo)準(zhǔn)中要求的冷熱態(tài)WHTC循環(huán)(詳細工況參見文獻[7])，并測量了循環(huán)過程中的曲軸箱壓力。瞬態(tài)曲軸箱壓力變化見圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)，運行WHTC時曲軸箱壓力存在以下特點：在循環(huán)的前900 s，冷態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力變化范圍要大于熱態(tài)循環(huán)；在循環(huán)的后900 s，冷、熱態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力變化基本一致；試驗樣機在大部分工況下的曲軸箱壓力低于大氣壓，最大負壓可達-2.5 kPa，而起動、停機以及部分工況點下，曲軸箱壓力會超過大氣壓力；將1 800 s的曲軸箱壓力算數(shù)平均值作為循環(huán)的平均曲軸箱壓力，冷、熱態(tài)循環(huán)的平均曲軸箱壓力分別為-0.35 kPa和-0.42 kPa。冷態(tài)時發(fā)動機曲軸箱負壓水平要略低于熱態(tài)，且冷態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力超過大氣壓力的點要多于熱態(tài)循環(huán)。

圖6 WHTC循環(huán)過程中的曲軸箱壓力

圖7示出進行冷、熱態(tài)循環(huán)時，潤滑油溫度和進氣壓力的變化。前1 000 s，冷、熱態(tài)循環(huán)的發(fā)動機潤滑油溫度差別很大。不同的活塞環(huán)密封狀態(tài)、不同潤滑油溫度造成的不同密封程度和機油蒸氣量直接導(dǎo)致了冷、熱態(tài)循環(huán)時曲軸箱排氣量的不同。試驗樣機的曲軸箱負壓主要來源于進氣負壓。在循環(huán)過程中，瞬態(tài)工況中節(jié)氣門的急劇變化導(dǎo)致增壓器進氣量急劇變化，從而在進氣管路產(chǎn)生一定的氣波壓力，不能為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的負壓，導(dǎo)致循環(huán)過程中的部分工況點不能滿足法規(guī)要求。而在起動和停機過程中，進氣壓力幾乎為0，無法產(chǎn)生抽吸作用，導(dǎo)致這兩個過程的曲軸箱壓力也不能滿足法規(guī)要求。

圖7 WHTC循環(huán)過程的進氣壓力和機油溫度

2.3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化分析與設(shè)計

針對以上曲軸箱壓力存在的問題，分析了可行的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案。首先需要增加穩(wěn)定的負壓源，以改善進氣壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致的曲軸箱壓力不穩(wěn)定。針對怠速工況和進氣壓力波動較大的工況，可以采用主動式油氣分離器[8-9]，通過潤滑油或者壓縮空氣驅(qū)動主動式油氣分離器，不但可以獲取較高的油氣分離效率，同時還能產(chǎn)生一定的負壓，從而降低曲軸箱壓力。

對于起動和停機工況，由于此時機油或者增壓空氣并未完全建立壓力，因此需要額外的負壓源。在起動和停機時，由于節(jié)氣門開度很小，節(jié)氣門后形成較大的負壓，可以利用此處的負壓來驅(qū)動曲軸箱排氣。當(dāng)增壓空氣壓力建立后，需要將此通路關(guān)閉，因此需要增加單向控制閥或者電磁閥。需要說明的是，曲軸箱負壓并不是越大越好，太大的負壓會造成油氣大量進入增壓器，進而形成油泥的堆積，會增大增壓器損壞的風(fēng)險。

優(yōu)化后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)見圖8。采用了使用增壓空氣驅(qū)動的主動式油氣分離器，并在曲軸箱通風(fēng)管路和節(jié)氣門后進氣管路建立了單向?qū)ü苈贰?/p>

圖8 優(yōu)化后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)示意

基于此系統(tǒng)運行了冷態(tài)WHTC循環(huán)，并測量了循環(huán)過程的曲軸箱壓力，結(jié)果見圖9。整個瞬態(tài)循環(huán)過程中，所有的曲軸箱壓力均低于大氣壓，壓力波動在-2.1～0 kPa之間，平均曲軸箱壓力為-1.42 kPa，較改進之前的平均曲軸箱壓力降低了1 kPa，從而能夠滿足國六法規(guī)的要求。

圖9 優(yōu)化后的曲軸箱壓力

3 結(jié)論

a) 對于試驗工況，CVS系統(tǒng)工作狀態(tài)變化造成的曲軸箱壓力最大差值為0.02 kPa，對曲軸箱壓力的測量沒有影響，在測試時可以正常開啟；

b) 進氣壓力與曲軸箱壓力呈正相關(guān)關(guān)系，但不完全一致，在測試過程中，應(yīng)該關(guān)閉進氣空調(diào)或者采用開式系統(tǒng)，消除進氣空調(diào)對發(fā)動機進氣管路壓力的影響；

c) 利用增壓器前端進氣系統(tǒng)的負壓難以保證瞬態(tài)過程中曲軸箱壓力一直保持負壓，雖然冷、熱態(tài)循環(huán)的平均曲軸箱壓力分別為-0.35 kPa和-0.42 kPa，但仍有部分工況點的曲軸箱壓力超過大氣壓力；

d) 結(jié)合主動式油氣分離器、節(jié)氣門后端負壓狀態(tài)引入可以優(yōu)化曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，基于優(yōu)化后的系統(tǒng)運行冷態(tài)WHTC循環(huán)，平均曲軸箱壓力為-1.42 kPa，且沒有超過大氣壓力的工況，能夠滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的要求。