缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)設(shè)計

摘要：為了保證發(fā)動機回油通暢，避免開式、閉式通風(fēng)機構(gòu)存在通風(fēng)效果差問題的發(fā)生，提出了缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)設(shè)計。從相鄰兩缸之間通風(fēng)和發(fā)動機曲軸內(nèi)部通風(fēng)兩個角度設(shè)計曲軸箱通風(fēng)通道，降低機油濃度。研究壓力調(diào)節(jié)閥和防結(jié)冰問題，平衡曲軸箱內(nèi)外部壓力，并使其不會在低溫環(huán)境下出現(xiàn)凍結(jié)情況。優(yōu)化取氣口面積，使油氣分離腔竄氣流速均勻，通過設(shè)計回油功能，使分離出的機油回到曲軸箱內(nèi)，保證良好通風(fēng)效果。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴;汽油發(fā)動機;曲軸箱;通風(fēng)機構(gòu)

0 ?引言

當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，一些未燃燒的廢氣、水蒸氣、微粒機油成分經(jīng)氣缸泄漏到曲軸箱空間內(nèi)形成有害的竄氣，這些竄氣在曲軸空間內(nèi)與油霧形式的機油混合，隨著活塞運動產(chǎn)生的壓力影響曲軸箱空間的壓力[1]。在壓力作用下會將機油擠向密封位置處的出油口噴出，還會引發(fā)機油從曲軸油封、曲軸箱襯墊等處滲漏，造成零件腐蝕、機油變質(zhì)，降低發(fā)動機的使用效率，如果不能有效抑制這些有害氣體的產(chǎn)生和排放，流失到大氣中還會造成環(huán)境污染。為了避免這些情況的發(fā)生，設(shè)置了曲軸箱通風(fēng)裝置，在設(shè)計過程中加入了環(huán)保理念，采用封閉式曲軸箱通風(fēng)裝置的結(jié)構(gòu)，保證了發(fā)動機正常穩(wěn)定的運行[2]。

1 ?缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機曲軸通風(fēng)機構(gòu)設(shè)計

缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機是直接將燃油噴射在缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)直接與空氣混合的一款動力發(fā)動機，具有低油耗、高功率和低排放的優(yōu)點。通過電子控制系統(tǒng)對吸入的空氣量與燃油噴射量和噴射時間進行精準地控制，而高壓的燃油噴射系統(tǒng)可以使油氣的霧化和混合效果達到最優(yōu)，提高了發(fā)動機的動力性能[3]。隨著缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機的廣泛應(yīng)用，對發(fā)動機結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計要求日趨嚴格，尤其是發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)的設(shè)計。

1.1 曲軸箱通風(fēng)通道設(shè)計

1.1.1 相鄰兩缸之間通風(fēng)通道

在曲軸箱通風(fēng)通道設(shè)計中，應(yīng)對相鄰兩缸之間用于氣流溝通的通道進行優(yōu)化設(shè)計[4]。采取合理的縱向通風(fēng)通道設(shè)計，減少氣體在空間流動時對機體各構(gòu)件的摩擦及曲軸箱氣體內(nèi)的機油含量，防止各個缸內(nèi)壓力過大對曲軸箱通風(fēng)造成影響。通風(fēng)通道空間的空氣變化和通風(fēng)流速受曲軸箱內(nèi)的往返運動影響，如果曲軸箱內(nèi)的氣體壓力過大就會推動油底殼內(nèi)的機油液面產(chǎn)生波動，會對曲軸箱及發(fā)動機造成影響，因此需對曲軸箱內(nèi)的壓力波動值進行規(guī)定，如圖1所示，發(fā)動機曲軸箱壓力波動值應(yīng)在±0.1mbar之間[5]。

由圖1可知：隨著曲軸轉(zhuǎn)角增加，壓力呈現(xiàn)規(guī)律性變化，呈下降-上升-下降趨勢，通過對各缸之間的縱向通風(fēng)通道的優(yōu)化設(shè)計，有效平衡各缸之間的內(nèi)部壓力，降低了曲軸箱通風(fēng)所造成的摩擦損失，確保相鄰兩缸曲軸箱之間有足夠的流通面積[6]。

1.1.2 發(fā)動機曲軸箱內(nèi)部通風(fēng)通道

根據(jù)曲軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點采用垂直通風(fēng)通道優(yōu)化設(shè)計，可以有效地將曲軸箱內(nèi)的氣體輸送到缸蓋上面的通風(fēng)通道內(nèi)。在設(shè)計過程中，為保證各個管道的性能和正常穩(wěn)定的運行，采取對機油回油道與通風(fēng)通道的分開設(shè)計，防止通風(fēng)通道與回油通道混合使氣體中含油量過多，有利于油氣分離，減少了油氣分離器的負擔(dān)。

進口邊界為進口風(fēng)向，出口邊界為出口風(fēng)向，具體邊界數(shù)值選取發(fā)動機在2500rpm、97N·m時運行數(shù)據(jù)，如表1所示。

發(fā)動機曲軸通風(fēng)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了通風(fēng)機構(gòu)能夠完全控制曲軸箱的排放，確保曲軸箱的良好通風(fēng)性能，并對油氣分離器和壓力控制閥等零件功能進行優(yōu)化設(shè)置，使曲軸箱內(nèi)的混合氣體與油有效分離，既保證了油的純度又可防止機油稀釋變質(zhì)，避免機件發(fā)生磨損和腐蝕，起到降壓、防漏、回收的作用，提高了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的性能，同時還起到了節(jié)能、環(huán)保作用，減少了環(huán)境污染現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)計

通過設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥可以有效調(diào)節(jié)曲軸箱壓力，使發(fā)動機曲軸箱與發(fā)動機外界壓力處于平衡狀態(tài)。當(dāng)曲軸箱壓力發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)閥的開度可以在曲軸箱壓力和大氣壓的共同作用下增大或減小，有效調(diào)節(jié)曲軸箱壓力，具有調(diào)節(jié)的精準性和可靠性，確保曲軸箱內(nèi)真空度盡量保持不變。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)置，防止調(diào)節(jié)控制曲軸箱內(nèi)壓力變化引起的機件腐蝕或損壞，避免曲軸箱密封部位泄漏，有利于油氣分離器和回油系統(tǒng)的良好分離與回收，確保發(fā)動機的穩(wěn)定運行，常用的壓力調(diào)節(jié)閥主要有柱塞式壓力調(diào)節(jié)閥和膜片式壓力調(diào)節(jié)閥。

1.2.1 柱塞式壓力調(diào)節(jié)閥

柱塞式壓力調(diào)節(jié)閥是由彈簧、節(jié)流板、柱塞以及殼體四部分組成，見圖2。

由于發(fā)動機作功燃燒過程的末端存在一些未燃的混合氣，在高壓力作用下從活塞環(huán)漏入曲軸箱內(nèi)，這些竄氣不僅稀釋了曲軸箱內(nèi)的機油，導(dǎo)致機油變質(zhì)，還會對發(fā)動機各機件造成損壞。因此采取柱塞式壓力調(diào)節(jié)閥，可以在不同進氣管真空度作用下，控制曲軸箱竄氣進入進氣系統(tǒng)的流量，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)與控制，讓這些廢氣再次從進氣歧管進入到發(fā)動機中再次燃燒，不僅節(jié)能環(huán)保，還避免大氣污染，同時增加了曲軸箱壓力的控制水平。

1.2.2 膜片式壓力調(diào)節(jié)閥

膜片式壓力調(diào)節(jié)閥包括膜片、膜片襯板、彈簧、殼體等，由于膜片上下壓力不同，可存在壓差，利用大氣壓力、彈簧力及負壓源力共同調(diào)節(jié)氣體流量。膜片式壓力調(diào)節(jié)閥實物圖如圖3所示。

當(dāng)曲軸箱內(nèi)壓力發(fā)生變化時，膜片式壓力調(diào)節(jié)閥的開度會在曲軸箱壓力和大氣壓的共同作用下減小或增大，有效調(diào)節(jié)曲軸箱壓力，使其處于合理范圍。

1.3 防結(jié)冰設(shè)計

當(dāng)發(fā)動機竄氣經(jīng)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的呼吸管與進氣空氣管交匯時，在適宜溫度下各管路循環(huán)良好，但是當(dāng)遇到冰冷進氣時就會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，堵塞曲軸箱的通風(fēng)管，影響發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。為解決呼吸管結(jié)冰問題，采取保溫的冷卻系統(tǒng)循環(huán)水加熱、電加熱和擴大呼吸管等措施，保溫設(shè)計可以增加發(fā)動機竄氣經(jīng)過呼吸管的溫度，擴大呼吸管可以加大接口空間，降低結(jié)冰發(fā)生。加熱器設(shè)計通過加熱層、連接接頭以及電器插接件等，合理控制加熱速度與平衡后的最高溫度，防止結(jié)冰，避免影響曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的良好性能。

1.4 優(yōu)化取氣口面積

當(dāng)發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)或小負荷工況時產(chǎn)生的氣體進入氣缸后，使進氣歧管的真空度較高，造成空燃比失調(diào)，此時氣體通過的截面積最小。如果油氣分離器取氣口位置較低或與軸凸輪等一些甩油零部件距離較近的情況下，帶有大量機油油滴的竄氣就會進入油氣分離腔內(nèi)，而且這些進入的竄氣流速較大，如果不加以處理，將會導(dǎo)致惡化循環(huán)。因此優(yōu)化設(shè)計取氣口面積和位置，并采取措施合理控制竄氣流速，避免造成環(huán)境污染。

缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動機在怠速時或者高速時，活塞環(huán)會出現(xiàn)顫抖引起竄氣流量的快速上升，這些竄氣會從氣缸漏到曲軸箱中，再從曲軸箱通風(fēng)管流出，污染大氣環(huán)境。通過對氣缸中活塞漏氣量的估算，采取優(yōu)化取氣口面積來控制竄氣流速，在測氣量的同時分別對吸氣量、排氣量、壓力比值和溫度進行測量。

活塞漏氣量估算公式如下所示：

公式（1）中：？姿表示相關(guān)系數(shù);C1、C2分別表示吸氣量和排出量;n表示既定轉(zhuǎn)速;？滋表示全負荷增壓器壓力比值;W表示溫度。

通過對活塞漏氣量估算結(jié)果可知，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的取氣口應(yīng)設(shè)在較高、機油較少的位置，增大進氣口截面積，合理控制竄氣流速。

2 ?曲軸通風(fēng)回油功能設(shè)計

當(dāng)油氣分離器將曲軸箱內(nèi)竄氣攜帶的機油顆粒分離后，需進行回收并返回發(fā)動機油底殼，為了保證分離的機油能夠有效回收到發(fā)動機油底殼，對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)回油功能進行優(yōu)化設(shè)計。在回油通道的優(yōu)化設(shè)計中，采取合理的位置、高度和流通面積，并對回油高度與系統(tǒng)阻力之間的平衡性進行考量?；赜屯ǖ啦扇〈怪本嚯x，根據(jù)對油滴返回到回油通道的精準計算結(jié)果，得出最小回油高度計算公式如下：

公式（2）中：？駐F表示系統(tǒng)阻力;？籽表示回油機油密度;g表示重力加速度。

回油通道的位置、高度和流通面積的設(shè)計必須保證回油順暢，如果設(shè)計不能滿足油氣分離器回油的需求，將會導(dǎo)致分離出的機油無法順利回到發(fā)動機油底殼。如果發(fā)動機不停運轉(zhuǎn)，累積的機油達到到一定程度后就會從出油口噴出，嚴重影響發(fā)動機的正常運行。在回油高度設(shè)計方案中，應(yīng)根據(jù)發(fā)動機的安裝位置和允許的最大傾斜角度，對回油通道進行單獨分開設(shè)計，采取“J”型管結(jié)構(gòu)，并合理增加單向閥和儲油腔結(jié)構(gòu)，確保有足夠大的流通面積，使分離出的機油能夠快速及時地回到曲軸箱內(nèi)。

3 ?結(jié)束語

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，在缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)設(shè)計上，也在不斷的創(chuàng)新與發(fā)展。優(yōu)化設(shè)計的曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)，將不含發(fā)動機機油的絕大部分泄漏氣體送入進氣系統(tǒng)內(nèi)，并確保曲軸箱內(nèi)壓力在-30mbar～5mbar范圍，不僅起到了防漏、降壓和降溫的作用，有效防止燃油稀釋機油和潤滑油變質(zhì)，減少了機件的磨損和腐蝕。同時將竄入曲軸箱的氣體再吸入到氣缸內(nèi)重新燃燒，實現(xiàn)了對可燃廢氣化合物的回收利用，減少了對大氣的污染。缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，完善了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的性能，保證了曲軸箱通風(fēng)裝置的穩(wěn)定運行，提高了發(fā)動機的作功效率和安全可靠性，避免環(huán)境污染，發(fā)揮了節(jié)能環(huán)保的作用。

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作者簡介：陳石侯（1970-），男，安徽蚌埠人，大專，初級工程師，江蘇三能動力總成有限公司發(fā)動機開發(fā)部部長，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計開發(fā)。