某發(fā)動機油氣分離器的設(shè)計改進

曲孟

摘 要：曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)作為對發(fā)動機性能與可靠性有著非常重要影響的核心子系統(tǒng)，隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，發(fā)動機性能日益提升，運行工況愈發(fā)復(fù)雜的情況，對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)以及油氣分離器的設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn)。文章通過對車輛出現(xiàn)的故障問題進行詳細(xì)的分析而找到故障的根本原因，并提出了相應(yīng)的設(shè)計更改方案，并將改進后零件搭載在相關(guān)的試驗車輛上進行驗證，證明了解決措施的有效性。

關(guān)鍵詞：曲軸箱通風(fēng);油氣分離器;設(shè)計改進

中圖分類號：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-40-04

Abstract： As the core subsystem which has a very important impact on the performance and reliability of the engine， with the increasingly strict emission regulations， the requirements of improved performance and the more complex operation conditions， the crankcase ventilation system， particularly the oil separator is facing more and more challenges from design perspective. In this paper， through detailed analysis of the problems， the root cause was found， and the corresponding design change was proposed， the parts after improvements were carried on the relevant test vehicles for verification， which has proven the effectiveness of the solutions.

Keywords： Crankcase ventilation; Oil separator; Design improvement

緒論

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的日益提高，汽車已經(jīng)走進千家萬戶，成為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾慕煌üぞ摺Ｓ捎谥袊鴩翉V袤，橫跨多個經(jīng)度、緯度，氣候環(huán)境復(fù)雜多樣，因此在中國銷售和使用的汽車必須具備在高溫、高寒、高原等極端惡劣下正常使用的能力。

發(fā)動機工作時，部分可燃混合氣和廢氣經(jīng)活塞環(huán)漏入曲軸箱內(nèi)，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可將漏入曲軸箱的氣體排出曲軸箱;同時達(dá)到防止?jié)櫥妥冑|(zhì)及燃油稀釋機油，減輕機件的磨損和腐蝕，回收可燃?xì)怏w，減少污染。

油氣分離器則是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中最重要的零件，曲軸箱混合氣通過油氣分離器后，機油從混合氣中分離出來回到油底殼，較為干凈的氣體經(jīng)油氣分離器的分離后進入燃燒室再次燃燒。

我們在一輛進行耐久試驗的公告車輛上發(fā)現(xiàn)了發(fā)動機燒機油的問題，本文將對此問題進行深入分析，對問題的起源油氣分離器設(shè)計改進，最后通過測試驗證設(shè)計改進的合理性。

1 某發(fā)動機燒機油分析與處理

1.1 問題車輛現(xiàn)狀介紹

在東北長春進行耐久試驗的車輛上發(fā)現(xiàn)了發(fā)動機燒機油的問題，測試車輛在運行不到3000 公里的路程里，機油由最初的7.85L 減少為1.7L。

燒機油是指機油通過一定的途徑進入了發(fā)動機的燃燒室，與混合氣一起參與燃燒。它的主要表現(xiàn)是排氣管冒藍(lán)煙（如圖1 所示），發(fā)動機下排氣比較嚴(yán)重，伴隨有比較多的油滴排出以及機油量嚴(yán)重缺少等現(xiàn)象。在正常狀態(tài)下，發(fā)動機燃燒時也會燒掉一部分機油，這些機油來自對缸體、活塞、氣門潤滑用的機油，不過量很少而已，這里所討論的燒機油現(xiàn)象是作為故障，就是超過正常范圍的燒機油現(xiàn)象。

車輛出現(xiàn)燒機油現(xiàn)象，會使氧傳感器過快損壞，導(dǎo)致燃燒室的積碳增加、怠速不穩(wěn)、加速無力、油耗上升、尾氣排放超標(biāo)等不良后果，嚴(yán)重者發(fā)動機潤滑不足，使發(fā)動機造成難以修復(fù)的損傷甚至報廢，造成維修成本大幅升高甚至事故隱患。

發(fā)動機燒機油主要由如下幾個原因造成：

（1）活塞與氣缸壁之間因為磨損，造成間隙過大，導(dǎo)致機油進入燃燒室。

（2）氣門油封因為老化，破裂等原因?qū)е碌拿芊獠涣际箽忾T罩蓋內(nèi)的機油順氣閥桿進入燃燒室。

（3）渦輪增壓器的回油不暢或者密封不良導(dǎo)致增壓器漏油進入氣道，然后送入燃燒室。

1.2 為何增壓發(fā)動機容易燒機油

從很多發(fā)動機燒機油的案例中不難發(fā)現(xiàn)，有相當(dāng)多案例發(fā)生在裝備有渦輪增壓器的發(fā)動機上，下面就來分析一下是否裝備有渦輪增壓器的發(fā)動機更容易燒機油。

渦輪增壓器利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪來壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸，提高了發(fā)動機的燃燒效率，降低了油耗并且減少了排放。由于渦輪增壓器經(jīng)常處于高溫的工作環(huán)境并且高速運轉(zhuǎn)，所以需要潤滑油對其進行潤滑并且發(fā)揮一定的冷卻作用，如圖2 所示。

如上一節(jié)提到的發(fā)動機燒機油原因可見，增壓發(fā)動機燒機油常見兩個方面：一是渦輪增壓器與進氣管之間的油封密封不良導(dǎo)致機油泄漏，而油封損壞的主要原因是更換機油周期太長或者使用劣質(zhì)機油，造成浮動的渦輪主轉(zhuǎn)軸缺少潤滑和散熱進而損壞了油封，造成漏油。二是由于回油不暢，整個油路壓力不平衡而導(dǎo)致機油泄漏。

1.3 發(fā)動機渦輪增壓器燒機油現(xiàn)象與原因分析

在此次進行耐久測試的車輛上發(fā)生的發(fā)動機燒機油現(xiàn)象是比較嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)為排氣管冒藍(lán)煙，機油量嚴(yán)重減少，下面根據(jù)上述常見的引起發(fā)動機燒機油的原因?qū)Ρ敬伟l(fā)動機燒機油問題進行詳細(xì)分析。

1.3.1 渦輪增壓器拆解分析

我們首先將壓縮空氣管從渦輪增壓器側(cè)拆下，在渦輪增壓器壓縮機排氣口一側(cè)發(fā)現(xiàn)了機油的存留，并且在壓縮機排氣口和中冷器的連接管內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了機油的存留，如圖3所示。

然后，我們將渦輪增壓器從發(fā)動機上拆下，對渦輪增壓器進行觀察，發(fā)現(xiàn)廢氣渦輪以及廢氣渦輪殼體的表面均有相當(dāng)多的黑色的碳沉積物（如圖4所示），是很明顯的機油燃燒后的產(chǎn)物，但是葉片本身沒有發(fā)生彎曲變形以及發(fā)生于殼體的接觸，進氣壓縮機以及壓縮機殼體表面都光潔無瑕，沒有任何變形以及殘留物。

通過對渦輪增壓器的觀察，說明了渦輪增壓器存在漏油現(xiàn)象。

隨后將渦輪增壓器送往供應(yīng)商做軸承和油封的測試，發(fā)現(xiàn)并沒有損壞的跡象，同時，對渦輪增壓器進行高速動平衡測試，也未發(fā)現(xiàn)異常。之后換上新的渦輪增壓器繼續(xù)進行測試，漏油依舊，所以排除了渦輪增壓器本身的問題。

1.3.2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)拆解分析

排除了渦輪增壓器本身的問題，渦輪增壓器漏油還有一個可能就是回油不暢，油路內(nèi)壓力過高導(dǎo)致泄漏。渦輪增壓器供油與發(fā)動機油路直接相連，回油管路直接通往曲軸箱內(nèi)部，潤滑油通過重力的作用直接流回到曲軸箱內(nèi)，最終流向油底殼，如圖6所示。既然回油管路直接通向曲軸箱，如果曲軸箱內(nèi)壓力較大，就會導(dǎo)致回油不暢而使渦輪增壓器內(nèi)部油路壓力過大引起渦輪增壓器的泄漏，而曲軸箱壓力過大的一個常見原因便是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)堵塞。

那么通風(fēng)系統(tǒng)到底有沒有堵塞呢？讓我們先看看我們對另一輛試驗后靜置在零下15度左右環(huán)境（當(dāng)時長春地區(qū)的室外溫度）一夜的車輛的渦輪增壓器和機油濾清器進行拆除檢查發(fā)現(xiàn)了什么：我們在渦輪增壓器壓縮機側(cè)和機油濾清器上有大顆粒的冰渣，如圖7所示。

隨后，我們對問題車輛的機油進行了過濾分析和含水量檢查，過濾分析中未發(fā)現(xiàn)異常的顆粒物，而機油中的含水量的確超出新機油的10倍多，但在高濕和高寒地區(qū)連續(xù)進行試驗的發(fā)動機確實會通過通風(fēng)系統(tǒng)送入的新鮮氣體中帶入曲軸箱進而進入機油中，從而提升其含水量。但是，另一方面機油中的部分水會在發(fā)動機熱機后變成水蒸汽通過通風(fēng)系統(tǒng)中的油氣分離器及相關(guān)通風(fēng)管送入燃燒室最后排出發(fā)動機。

正常情況下，當(dāng)發(fā)動機停止工作后，在通風(fēng)管中的水蒸汽經(jīng)過緩慢冷卻會殘留在油氣分離器和通風(fēng)管中。但當(dāng)發(fā)動機在連續(xù)工作8小時以上并立即停止工作時，而室外溫度極低（零下15度以下），在通風(fēng)管中的水蒸汽會快速冷卻變成水，如果水不能回流到油氣分離器中，而是累積在通風(fēng)管與油氣分離器接頭部位（如圖8所示），那么在極低溫度下，如同渦輪增壓器壓縮機側(cè)和機油濾清器中結(jié)冰一樣，該處位置也會結(jié)冰。

當(dāng)經(jīng)過一夜極低溫度環(huán)境靜置后再次起動車輛時，且未經(jīng)發(fā)動機暖機情況下，通風(fēng)管與油氣分離器接口處的冰無法快速解凍，這樣會造成隨著發(fā)動機的運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機油和水蒸汽無法通過油氣分離器送到進氣管中，從而會造成曲軸箱內(nèi)壓力過高，直接影響渦輪增壓器油路進出兩端的壓力平衡，從而導(dǎo)致回油不暢，油路壓力過大，最終引起泄漏。

為了驗證我們的分析，首先將滿載通風(fēng)管從進氣管上拔下，讓其直通大氣，按照相同的步驟和方法對車輛進行一夜的極低溫度靜置，然后快速發(fā)動車輛并運轉(zhuǎn)一定時間，沒有發(fā)現(xiàn)燒機油現(xiàn)象。另一方面，如果我們手動堵住滿載通風(fēng)管連接進氣歧管的端口，發(fā)動車輛，發(fā)現(xiàn)有明顯燒機油現(xiàn)象。這就說明一旦通風(fēng)系統(tǒng)堵塞會造成渦輪增壓器潤滑機油的泄漏。

2 油氣分離器設(shè)計改進及驗證

2.1 油氣分離器設(shè)計改進

針對來自曲軸箱的蒸汽容易在油氣分離器出口處遇冷凝結(jié)的問題，通過對油氣分離器出口進行剖解分析發(fā)現(xiàn)如圖9紅圈所示的凹槽內(nèi)容易積攢液體，而且很難回流，如果積攢到一定程度，再加上天氣寒冷，很容易在該位置結(jié)冰，從而導(dǎo)致通氣不暢。

為了解決極低溫度下通風(fēng)系統(tǒng)堵塞造成渦輪增壓器燒機油現(xiàn)象，即油氣分離器設(shè)計中出口處凹槽容易積攢液體從而導(dǎo)致遇冷凝結(jié)堵塞通風(fēng)管的問題，我們在油氣分離器凹槽處開了一個1毫米左右的小孔（如圖10所示），使得液體能回流到油氣分離器中，從而避免積攢結(jié)冰造成的堵塞。

2.2 油氣分離器設(shè)計驗證

為了驗證該技術(shù)改進是否能避免渦輪增壓器再次燒機油，首先在低溫環(huán)境倉模擬外部環(huán)境使用舊油氣分離器復(fù)現(xiàn)該問題，然后，我們在將改進后的油氣分離器安裝在同一輛試驗車上進行試驗，安裝新的油氣分離器之后分別在零下20度和常溫的環(huán)境中運行，實驗數(shù)據(jù)如下。

對于自然吸氣發(fā)動機，應(yīng)確保發(fā)動機在任何工況下曲軸箱壓力<0kPa，即為負(fù)壓。對于增壓機型，可以允許少數(shù)工況的曲軸箱為正壓，但壓力應(yīng)<1kPa;同時，曲軸箱的最低壓力都應(yīng)>-5kPa，在最糟糕的情況下，曲軸箱的最低壓力不<7.5kPa。

通過對低溫和常溫試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，曲軸箱壓力（Oil-lid）屬于正常范圍，同時發(fā)動機的各項指標(biāo)如發(fā)動機扭矩（Eng -Trq）、發(fā)動機水溫（EngCoolTemp）和發(fā)動機油溫（EngOil -Temp）是也在正常范圍。

然后，我們在公告車輛上安裝了新的油氣分離器，并正常行駛了160000 公里，沒有再發(fā)現(xiàn)燒機油的問題，證明這此的改進是成功的。

3 結(jié)論

上面我們介紹了發(fā)動機搭載在耐久性車輛上試驗過程中遇到的故障現(xiàn)象：排氣冒藍(lán)煙及機油快速減少（燒機油）。采用最大影響因素排除法進行了根本分析和可疑零件的排查找到引起故障的根本原因：發(fā)動機通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計缺陷導(dǎo)致渦輪增壓器燒機油。針對導(dǎo)致故障的根本原因提出了相應(yīng)的解決措施，并將改進后的零件搭載在相關(guān)試驗車輛上或在發(fā)動機臺架試驗上進行了驗證，最后通過相關(guān)試驗證明了解決措施的有效性。

參考文獻(xiàn)

[1] Daimler AG，Introduction of the new inline engine generation 4-cylin -der， 2012.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M]機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 馬廣森.渦輪增壓器失效原因及故障分析，2004.5.