國(guó)六直噴發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宮曉娥，于貴芙，張治國(guó)

國(guó)六直噴發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

宮曉娥，于貴芙，張治國(guó)

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

針對(duì)機(jī)油稀釋現(xiàn)象和國(guó)六PN排放的要求，文章從曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的角度來(lái)分析，總結(jié)緩解機(jī)油稀釋現(xiàn)象和滿足國(guó)六PN排放的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的布置和油氣分離器的設(shè)計(jì)方案。

國(guó)六排放；直噴發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)油稀釋?zhuān)磺S箱通風(fēng)系統(tǒng)；油氣分離器

前言

為應(yīng)對(duì)排放法規(guī)升級(jí)，越來(lái)越多的整車(chē)廠投放直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)型上市，伴隨而來(lái)的是機(jī)油稀釋問(wèn)題常見(jiàn)諸報(bào)端。一旦發(fā)生機(jī)油稀釋現(xiàn)象，機(jī)油的使用性能和運(yùn)動(dòng)粘度都會(huì)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致機(jī)油壓力下降，發(fā)動(dòng)機(jī)磨損加大等嚴(yán)重問(wèn)題。一般通過(guò)加速發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)速度，提高機(jī)油溫度，調(diào)整噴油器設(shè)計(jì)，減少活塞竄氣量等方式緩解機(jī)油稀釋現(xiàn)象，本文主要從合理設(shè)計(jì)PCV系統(tǒng)的角度來(lái)減緩機(jī)油稀釋問(wèn)題，同時(shí)國(guó)六排放法規(guī)對(duì)整車(chē)PN排放也提出了新的要求，在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離設(shè)計(jì)中需考慮減少機(jī)油顆粒攜帶量來(lái)減少PN顆粒排放。

1 機(jī)油稀釋問(wèn)題

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)小部分氣體經(jīng)活塞環(huán)竄到曲軸箱內(nèi)，由于直噴機(jī)型更容易導(dǎo)致未燃燒的燃油隨竄氣進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)，一旦這部分燃油未能及時(shí)排出曲軸箱，則會(huì)混入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中導(dǎo)致機(jī)油液位升高，即機(jī)油稀釋問(wèn)題。機(jī)油稀釋現(xiàn)象在整車(chē)頻繁進(jìn)行低溫短程行駛時(shí)尤為嚴(yán)重。通過(guò)模擬用戶多次短程行駛發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)至第5輪時(shí)機(jī)油尺液位就已從下限升至上限，第15輪時(shí)機(jī)油尺液位明顯超出上限（即機(jī)油稀釋?zhuān)?/p>

表1 某車(chē)型低溫短程行駛機(jī)油稀釋數(shù)據(jù)

輪數(shù)試驗(yàn)前機(jī)油尺液位高度/mm試驗(yàn)前溫度/℃試驗(yàn)后溫度/℃ 機(jī)油環(huán)境機(jī)油環(huán)境 1上限下3?14.8?16.544?20 5上限上2（+9）?9?1545?15 10上限上5（+9）?16?2643.9?26 15上限上10（+17）?17?2645?26

2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 縮短竄氣在曲軸箱內(nèi)路徑長(zhǎng)度

在低溫環(huán)境下冷車(chē)狀態(tài)時(shí)，活塞間隙變大，缸內(nèi)直噴燃油霧化不良存在濕壁問(wèn)題，未燃燃油不可避免地隨竄氣進(jìn)入曲軸箱。合理布置PCV系統(tǒng)油氣分離器的位置，縮短缸體下沿與油氣分離器取氣口的距離，可以減少竄氣中燃油混入機(jī)油的概率，如圖1本田L(fēng)15B2發(fā)動(dòng)機(jī)采用將油氣分離器布置在缸體，取氣點(diǎn)緊挨缸體缸徑下沿，類(lèi)似設(shè)計(jì)還有豐田D-4T、D-4ST、馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)天2.0、大眾EA211。

圖1 L15B2發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器

2.2 增加曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)

由于曲軸箱竄氣的存在，曲軸箱內(nèi)不可避免存在一定的氣態(tài)燃油顆粒和水蒸氣，將新鮮空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)可以降低上述氣體在曲軸箱內(nèi)的濃度，一般低負(fù)荷工況補(bǔ)充新鮮空氣量為活塞漏氣量的15%～30%[1]，高負(fù)荷工況補(bǔ)氣則可采用如圖2所示，通過(guò)管路連接增壓后管路和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱，將增壓后空氣強(qiáng)制注入曲軸箱內(nèi)，注入空氣量的多少由串聯(lián)在管路中的節(jié)流管控制。為減少發(fā)動(dòng)機(jī)裝配零部件數(shù)量提高整機(jī)零部件集成度，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷工況油氣分離器、柱塞閥、單向閥和高負(fù)荷工況補(bǔ)氣管路集成在一個(gè)零部件內(nèi)如圖3所示，例如寶馬B48發(fā)動(dòng)機(jī)即采用此種結(jié)構(gòu)將上述零部件集成在氣門(mén)室罩進(jìn)氣側(cè)內(nèi)。

圖2 高負(fù)荷工況補(bǔ)氣管路

在高負(fù)荷工況下，補(bǔ)氣節(jié)流管兩端壓差會(huì)出現(xiàn)接近1 bar的情況，為防止補(bǔ)氣量過(guò)大而導(dǎo)致整體曲軸箱通風(fēng)量過(guò)高甚至超出油氣分離器工作范圍，補(bǔ)氣管路中的節(jié)流尺寸需充分考慮此種情況。

在高負(fù)荷工況下，除了將增壓后空氣注入曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)的方法外，豐田工程師在D-4ST發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中使用了搭載Ejector機(jī)構(gòu)的PCV系統(tǒng)如圖4，在PCV系統(tǒng)的通道上加入Ejector機(jī)構(gòu)，Ejector機(jī)構(gòu)將一部分增壓后的氣體作為驅(qū)動(dòng)氣體旁通導(dǎo)入，其機(jī)構(gòu)內(nèi)的噴嘴形成高速低壓的噴氣流，該氣流將曲軸箱內(nèi)氣體抽出，此時(shí)曲軸箱內(nèi)形成負(fù)壓，新鮮空氣得以從空濾后管路引入稀釋曲軸箱內(nèi)燃?xì)夂退魵獾臐舛?，減緩機(jī)油稀釋等問(wèn)題產(chǎn)生[2]。

圖3 高負(fù)荷工況補(bǔ)氣零部件集成示意圖

圖4 Ejector PCV系統(tǒng)示意圖

圖5 Ejector機(jī)構(gòu)工作原理

3 油氣分離器設(shè)計(jì)

3.1 分離結(jié)構(gòu)選擇

國(guó)六排放法規(guī)的升級(jí)，明確要求了發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣中PN顆粒的數(shù)量。改善油氣分離器分離效率可以減少曲軸箱中竄氣攜帶機(jī)油量，減少其循環(huán)燃燒后產(chǎn)生的PN顆粒。在國(guó)六排放法規(guī)實(shí)施前油氣分離器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)通常按分離后竄氣攜帶機(jī)油量不大于2 g/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，為減少PN顆粒排放建議將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提高到不大于1 g/h[3]。提高分離效率主要依靠采用更高分離效率的分離結(jié)構(gòu)，分離效率的高低通過(guò)不同分離結(jié)構(gòu)所能截留不同直徑油滴顆粒百分比進(jìn)行評(píng)估，如圖6是按不同結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)分離率50%的最小直徑顆粒和分離結(jié)構(gòu)壓損繪制而成，目前主流分離結(jié)構(gòu)處于2 μm～4 μm直徑顆?？梢?0%分離，為提高分離效率則需采用更高分離效率的分離結(jié)構(gòu)，或采用增加分離結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)的方法來(lái)提高分離效率，但分離結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致分離器尺寸變長(zhǎng)，不利于在發(fā)動(dòng)機(jī)上布置集成，同時(shí)在過(guò)長(zhǎng)的通道中也會(huì)導(dǎo)致竄氣中燃油顆粒和水蒸氣凝聚成大顆粒被分離出返回曲軸箱，加劇機(jī)油稀釋。當(dāng)前分離效率最高的結(jié)構(gòu)是采用過(guò)濾材質(zhì)結(jié)構(gòu)，但由于需要定期更換濾材，增加用車(chē)成本，并不適合車(chē)主的用車(chē)習(xí)慣；主動(dòng)離心結(jié)構(gòu)成本高且需要額外動(dòng)力，在有其他合適結(jié)構(gòu)滿足功能需求下非優(yōu)先選擇；而旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)由于其分離結(jié)構(gòu)壓損大，分離流速要求高，若布置單個(gè)旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)則需要很大的空間，由OLYTEC GROUP開(kāi)發(fā)的替代結(jié)構(gòu)如圖7，目前已應(yīng)用在大眾EA211發(fā)動(dòng)機(jī)上；國(guó)內(nèi)目前更多的廠家采用了兼具高分離效率和低壓損的無(wú)紡布分離結(jié)構(gòu)。

圖6 不同分離結(jié)構(gòu)分離效率

圖7 controlled cyclone separator結(jié)構(gòu)

3.2 油氣分離器對(duì)竄氣流量的匹配

一般來(lái)講，分離結(jié)構(gòu)都是在設(shè)計(jì)流量下進(jìn)行設(shè)計(jì)，但發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中怠速工況和額定功率點(diǎn)曲軸箱竄氣流量是相差非常大，這就導(dǎo)致如圖8中PCV系統(tǒng)使用單一油氣分離器無(wú)法匹配所有工況的曲軸箱竄氣量實(shí)現(xiàn)分離效率最優(yōu)化。針對(duì)這一情況采用如圖9結(jié)構(gòu)的油氣分離器，其通道口被一金屬?gòu)椥云采w，不同竄氣量通過(guò)時(shí)，金屬?gòu)椥云_(kāi)口大小不同，以此來(lái)調(diào)整分離結(jié)構(gòu)局部流速，實(shí)現(xiàn)不同流量下竄氣通過(guò)分離結(jié)構(gòu)流速相近，從而保證分離效率的一致性。同時(shí)其竄氣通道結(jié)構(gòu)也可不設(shè)計(jì)成單一通孔，如上文提及的controlled cyclone separator結(jié)構(gòu)。

圖8 單一油氣分離器曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)

圖9 彈性金屬片分離結(jié)構(gòu)

還有一種方法是通過(guò)如前文圖3所示PCV系統(tǒng)采用雙油氣分離器結(jié)構(gòu)，針對(duì)高低負(fù)荷時(shí)不同的竄氣量分別設(shè)計(jì)油氣分離器。在低負(fù)荷工況時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充新鮮空氣能提高油氣分離器的竄氣流速，以此提高低負(fù)荷油氣分離器的分離效率；在高負(fù)荷工況時(shí)如果采用補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，則存在油氣被過(guò)度攜入進(jìn)氣系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，為防止此問(wèn)題出現(xiàn)，可以借鑒豐田Ejector PCV系統(tǒng)設(shè)置驅(qū)動(dòng)流量控制閥，在高負(fù)荷工況控制氣體流量。

3.3 油氣分離器針對(duì)機(jī)油稀釋的優(yōu)化

盡管從滿足國(guó)六法規(guī)控制PN顆粒排放的角度應(yīng)盡可能提高油氣分離器的分離效率，但由于竄氣中的燃油顆粒和水蒸氣被分離結(jié)構(gòu)分離出會(huì)返回曲軸箱，因此在油氣分離器設(shè)計(jì)中應(yīng)在滿足整機(jī)排放PN基礎(chǔ)上適當(dāng)放寬分離效率，避免竄氣中的顆粒分離得過(guò)于干凈。而當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，竄氣中的水蒸氣和燃油顆粒極易形成更大顆粒被油氣分離器捕捉，因此油氣分離器采用保溫結(jié)構(gòu)可提高油氣分離器溫度，減輕機(jī)油稀釋問(wèn)題。通常在80 ℃以上時(shí)，燃油和水分就可以從機(jī)油稀釋、乳化的混合物中自然揮發(fā)，因此將油氣分離器分離出的液體回流到一個(gè)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域的回油池（例如布置在氣門(mén)室罩的油氣分離器其回油點(diǎn)下方在缸蓋上設(shè)計(jì)小的儲(chǔ)油池），利用發(fā)動(dòng)機(jī)溫度加速分離后液體中水分和燃油的揮發(fā)，并隨曲軸箱氣體重新進(jìn)入曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，可有效減緩機(jī)油稀釋、乳化問(wèn)題。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和油氣分離器的設(shè)計(jì)研究得出，合理布置油氣分離器的位置，縮短曲軸箱內(nèi)竄氣通路的長(zhǎng)度，增加全工況曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)補(bǔ)充新鮮空氣，在滿足排放法規(guī)PN顆粒排放標(biāo)準(zhǔn)前提下降低分離效率減少竄氣在分離器內(nèi)流通時(shí)間，提高油氣分離器溫度并避免分離出液體直接返回曲軸箱油底殼等措施都會(huì)減緩機(jī)油稀釋問(wèn)題。

[1] 冀曉棟,左云,李佳,等.直噴增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù),2014,43(04):14-17.

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Research on Optimization of PCV System in GDI Engine

GONG Xiaoe, YU Guifu, ZHANG Zhiguo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141)

In view of the oil dilution phenomenon and the national sixth PN emission requirements, this paper analyzes from the angle of crankcase ventilation system, summarizes the crankcase ventilation system layout and oil and gas separator design scheme to alleviate the oil dilution phenomenon and meet the national sixth PN emission.

CN6 emission; GDI engine; Oil dilution; PCV system; Oil separator

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.020

U464

A

1671-7988(2021)21-86-04

U464

A

1671-7988(2021)21-86-04

宮曉娥，中級(jí)工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。