重型甲醇發(fā)動機(jī)國六標(biāo)準(zhǔn)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)開發(fā)

盧瑞軍 夏麗娟 蘇茂輝

（1-浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 311000 2-七一一研究所）

引言

隨著國家對機(jī)動車國六排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)控制的要求加嚴(yán)。對于開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，要求將曲軸箱排放與尾氣排放一起進(jìn)行測試。目前，滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)基本上都采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。但是，閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)帶來了新的技術(shù)難題，曲軸箱廢氣中的機(jī)油顆粒對增壓器效率、火花塞點(diǎn)火、進(jìn)氣系統(tǒng)等產(chǎn)生影響。對于甲醇發(fā)動機(jī)，閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中的廢氣含有大量的甲醛、甲酸，容易腐蝕中冷器、進(jìn)氣系統(tǒng)的金屬零部件，特別是鋁材料零部件，造成火花塞電極間隙沉積鋁元素，影響點(diǎn)火效果；同時造成機(jī)油中的金屬元素超標(biāo)，產(chǎn)生缸套快速磨損等故障。目前，滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)由剛開始采用的閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)逐漸向開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展；而點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)、CNG 發(fā)動機(jī)和甲醇發(fā)動機(jī)等，基本上還是采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。

良好的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

1）基本功能

a）機(jī)油分離。分離發(fā)動機(jī)曲軸箱廢氣中的機(jī)油，減少機(jī)油消耗；減小閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)對增壓器效率、火花塞點(diǎn)火的影響；

b）曲軸箱壓力。維持發(fā)動機(jī)的曲軸箱壓力在一定范圍內(nèi)，輔助發(fā)動機(jī)密封，使增壓器回油通暢。

2）功能提升

a）及時帶走燃燒產(chǎn)生的廢氣，將其導(dǎo)入燃燒室中重新燃燒，降低排氣污染（閉式）；

b）導(dǎo)入新鮮空氣，帶走燃燒產(chǎn)生的廢氣，延緩機(jī)油乳化與機(jī)油稀釋，延長機(jī)油壽命；

c）保持通風(fēng)管路通暢，避免冬季結(jié)冰[1]。

1 重型甲醇發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)簡要介紹

本文的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)為一款6 缸13 L 重型甲醇發(fā)動機(jī)開發(fā)的。發(fā)動機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

重型甲醇發(fā)動機(jī)采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)后，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的排放要達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)，有一定的技術(shù)難度和挑戰(zhàn)性。

重型甲醇發(fā)動機(jī)原機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理見圖1。

圖1 重型甲醇發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

該發(fā)動機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，曲軸箱廢氣的取氣位置在缸體曲軸箱上部，沒有預(yù)分離結(jié)構(gòu)，主分離器采用主動式的油驅(qū)式油氣分離器。

2 重型甲醇發(fā)動機(jī)失效現(xiàn)象

在國六排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的開發(fā)研究中，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的開發(fā)是很重要的工作，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)包括機(jī)油攜帶量、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定性和曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的耐久性，是決定國六排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)開發(fā)成功的關(guān)鍵因素之一。

在重型甲醇發(fā)動機(jī)1 000 h 可靠性試驗中，運(yùn)行到144 h，發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷工況下，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的透明管監(jiān)測到有機(jī)油竄出，并呈線性流淌，故確認(rèn)為油氣分離器失效。檢查發(fā)動機(jī)的主分離器有大量乳化物，如圖2 所示。

圖2 主分離器內(nèi)部乳化物情況

同時，對發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)缸蓋頂平面、增壓器壓氣機(jī)入口、火花塞點(diǎn)火電極都有附著物以及大量的乳化物，如圖3 所示。

圖3 缸蓋、增壓器和火花塞的乳化物情況

缸蓋頂平面的乳化物會影響發(fā)動機(jī)的機(jī)油質(zhì)量以及搖臂機(jī)構(gòu)的潤滑；增壓器壓氣機(jī)入口的附著物會影響增壓器的平衡和效率；火花塞點(diǎn)火電極附著物會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的工作，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)失火和爆震等現(xiàn)象發(fā)生。這些問題應(yīng)該引起足夠的重視。

3 原因分析及改進(jìn)方案

3.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置優(yōu)化方案

3.1.1 原因分析

原機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的布置圖見圖4，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置在發(fā)動機(jī)曲軸箱位置上部。發(fā)動機(jī)曲軸箱內(nèi)是曲軸旋轉(zhuǎn)的空間，這個空間的機(jī)油油氣濃度比較高，而且發(fā)動機(jī)缸蓋頂面的回油和通氣孔沒有獨(dú)立，使曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的主分離器負(fù)擔(dān)比較重，容易造成曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的管路、油氣分離器堵塞和失效等故障。

圖4 原機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)布局圖

3.1.2 整改措施

針對引發(fā)故障的要因，優(yōu)化曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置，由原來的曲軸箱取氣改到缸蓋罩頂部取氣。發(fā)動機(jī)曲軸箱內(nèi)部的活塞漏氣、機(jī)油蒸汽、水蒸汽等經(jīng)過發(fā)動機(jī)內(nèi)部通道回到缸蓋罩內(nèi)部，廢氣中的機(jī)油含量大大降低，油氣分離器的機(jī)油分離負(fù)擔(dān)大大降低。同時，該位置是蒸汽的最高位置，不容易形成機(jī)油乳化現(xiàn)象。

3.1.3 改進(jìn)措施的試驗驗證情況

為了確認(rèn)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置改進(jìn)效果，在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行對比試驗驗證，主要通過燒杯、濾紙和機(jī)油攜帶量3 個方面對比改進(jìn)效果。濾紙、燒杯和機(jī)油攜帶量的測量位置在主分離器前，主要確認(rèn)發(fā)動機(jī)本體位置不同的廢氣中機(jī)油濃度差異。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置效果對比如表2所示。

表2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置效果對比

從表2 可以看出，原機(jī)的取氣位置，機(jī)油濃度非常高。改變位置后，無論從燒杯收集的水蒸汽中機(jī)油的顏色，還是濾紙的機(jī)油油滴情況，都大大改善。從機(jī)油攜帶量的對比來看，優(yōu)化后，發(fā)動機(jī)本體的機(jī)油攜帶量減少了將近20 倍。原機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)廢氣的取氣位置不合理是造成曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的主分離器負(fù)擔(dān)重的主要原因。

3.2 增加預(yù)分離方案

3.2.1 原因分析

目前，發(fā)動機(jī)一般僅設(shè)計單一的主分離器。但是，不同的主分離器適合過濾相應(yīng)大小的油氣顆粒。到國六排放階段，曲軸箱排放要求加嚴(yán)。對于采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，要求最大機(jī)油攜帶量控制在0.5 g/h 以內(nèi)[2]。重型發(fā)動機(jī)由于活塞漏氣量大，為了避免曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)影響增壓器的效率以及影響火花塞點(diǎn)火，很多發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)把機(jī)油攜帶量指標(biāo)控制在0.2 g/h 以內(nèi)。但是，嚴(yán)格的指標(biāo)單靠主分離器很難實(shí)現(xiàn)。原機(jī)缺少預(yù)分離結(jié)構(gòu)，只有主分離器，使得主分離器的工作負(fù)荷重，特別是機(jī)油出現(xiàn)輕微乳化時，容易引起曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的管路和主分離器內(nèi)部堵塞。

3.2.2 整改措施

設(shè)計方案是“預(yù)分離結(jié)構(gòu)＋主分離器”的分離方案。這就要求預(yù)分離結(jié)構(gòu)將最大機(jī)油攜帶量控制在2 g/h 以內(nèi)，再通過主分離器實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

本方案在發(fā)動機(jī)的缸蓋罩頂部靠近排氣側(cè)的位置集成預(yù)分離結(jié)構(gòu)，不但節(jié)省了管路系統(tǒng)，還避免了外掛管路產(chǎn)生溫差而出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，如圖5 所示。

圖5 缸蓋罩內(nèi)部集成的預(yù)分離結(jié)構(gòu)

3.2.3 預(yù)分離方案的試驗驗證

在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行有無預(yù)分離結(jié)構(gòu)的效果對比試驗，機(jī)油攜帶量的測量位置在主分離器前，有無預(yù)分離結(jié)構(gòu)的效果對比見表3。

表3 有無預(yù)分離結(jié)構(gòu)效果對比

從表3 所示的測量結(jié)果可以看出，增加預(yù)分離結(jié)構(gòu)后，機(jī)油攜帶量下降了36%，下降效果明顯。同時，就預(yù)分離結(jié)構(gòu)對曲軸箱壓力的影響進(jìn)行評估，在去掉測量濾紙的情況下，曲軸箱壓力略有增加，但都是負(fù)壓，在可以接受的范圍內(nèi)。

3.3 增加補(bǔ)氣系統(tǒng)方案

3.3.1 原因分析

圖6 為甲醇的氧化過程。圖中，M 為惰性氣體。

圖6 甲醇氧化過程圖解

通過甲醇的氧化機(jī)理可以看出，甲醛為氧化過程中的中間產(chǎn)物，甲醛進(jìn)一步氧化會變成甲酸，氫離子和氫氧根離子的碰撞會產(chǎn)生大量的水。甲醇燃燒過程的實(shí)質(zhì)就是被不斷氧化的過程，異于汽油的燃燒產(chǎn)物，甲醇的燃燒產(chǎn)物中含有甲醛、甲酸和水[3]。泄露到曲軸箱的大量甲醇、甲酸和水汽給甲醇發(fā)動機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)帶來新的難題。

3.3.2 整改措施

在原機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中增加補(bǔ)氣系統(tǒng)。為了降低曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)氣體的含水率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的壓力大小，減少活塞漏氣在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間，提高機(jī)油的使用壽命[4]，需要將空氣濾清器中的新鮮空氣通過補(bǔ)氣管路引入到曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)。補(bǔ)氣原理如圖7 所示。補(bǔ)氣方案的試驗驗證結(jié)合整機(jī)可靠性試驗進(jìn)行，不進(jìn)行單項試驗。

圖7 重型甲醇發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)補(bǔ)氣示意圖

4 試驗驗證

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗是國六排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)開發(fā)最重要的機(jī)械開發(fā)試驗，主要包括機(jī)油攜帶量試驗、1.5 倍活塞漏氣量竄油試驗、曲軸箱壓力試驗、機(jī)油消耗試驗以及曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)耐久試驗。

4.1 機(jī)油攜帶量試驗

在發(fā)動機(jī)測試臺架對發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的本體、主分離器后的機(jī)油攜帶量進(jìn)行測量，評價曲軸箱的機(jī)油攜帶量指標(biāo)和主分離器的效率是否達(dá)到設(shè)計要求。試驗結(jié)果見表4。

表4 機(jī)油攜帶量試驗結(jié)果

由表4 可以看出，經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，本體的機(jī)油攜帶量大大降低，控制在5 g/h 以內(nèi)；經(jīng)過主分離器后，發(fā)動機(jī)整個曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油攜帶量指標(biāo)控制在0.7 g/h 之內(nèi)。同時，主分離器的機(jī)油分離效率達(dá)到85%以上，基本達(dá)到設(shè)計目的。

4.2 1.5 倍活塞漏氣量竄油試驗

從發(fā)動機(jī)缸體曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)補(bǔ)氣管處引入外部壓縮空氣，調(diào)節(jié)壓縮空氣漏氣量等于1.5 倍最大活塞漏氣量，觀察油氣分離器后的管路竄油情況。

發(fā)動機(jī)在最大功率工況、最大轉(zhuǎn)矩工況各運(yùn)行1 h，油氣分離器后的管路無明顯機(jī)油和乳化物竄出。

4.3 曲軸箱壓力試驗

曲軸箱壓力分別采用穩(wěn)態(tài)萬有特性壓力試驗工況（圖8）和WHTC 瞬態(tài)循環(huán)工況（圖9）進(jìn)行測試，測量位置為機(jī)油標(biāo)尺處。

圖8 穩(wěn)態(tài)萬有特性工況曲軸箱壓力曲線圖

圖9 WHTC 瞬態(tài)循環(huán)工況曲軸箱壓力曲線圖

從圖8 和圖9 的試驗結(jié)果可得出，曲軸箱壓力分布能夠控制在設(shè)計范圍-3～0 kPa 內(nèi)。同時，發(fā)動機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況，曲軸箱壓力均為負(fù)值，有利于發(fā)動機(jī)的密封，且符合國六排放標(biāo)準(zhǔn)對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的要求。

4.4 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)可靠性試驗

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的可靠性不僅影響發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性、整機(jī)可靠性，同時影響發(fā)動機(jī)的排放性能和耐久性。目前，改進(jìn)優(yōu)化的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)已搭載于發(fā)動機(jī)整機(jī)在臺架上完成500 h 試驗，整個曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)沒有出現(xiàn)失效堵塞現(xiàn)象，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的管路、油氣分離器內(nèi)部等沒有明顯的乳化物，同時發(fā)動機(jī)缸蓋罩內(nèi)部的乳化物情況也得到大大改善。

5 結(jié)論

在重型甲醇發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，不僅要保證重型甲醇發(fā)動機(jī)和傳統(tǒng)燃料（柴油、汽油和天然氣等）發(fā)動機(jī)一樣滿足嚴(yán)格的國六排放標(biāo)準(zhǔn)和更高的可靠性要求，同時還要關(guān)注甲醇燃料本身特性給發(fā)動機(jī)帶來的技術(shù)難題。這樣，才能開發(fā)出滿足重型甲醇發(fā)動機(jī)要求的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。

本文通過對原機(jī)的設(shè)計不合理之處進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)合單項試驗，進(jìn)行效果對比驗證，確定技術(shù)方案。同時，結(jié)合甲醇發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)物中水分、甲醛和甲酸多的特點(diǎn)，增加了補(bǔ)氣系統(tǒng)。通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)械開發(fā)專項試驗和發(fā)動機(jī)臺架耐久試驗，對效果進(jìn)行了驗證。試驗結(jié)果表明，各項指標(biāo)基本滿足設(shè)計要求，比原機(jī)有了很大的提升。