柴油機(jī)閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其對排放的影響

張偉勛，于平安，王斌，王蕊，葛琰，魏銘揚(yáng)

(1.拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000；2.洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽 471000)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)氣體大部分來自于缸內(nèi)高壓混合氣體的泄漏，這其中又有80%左右是不完全燃燒產(chǎn)物，這些漏氣在經(jīng)過缸壁、狹窄的縫隙以及曲軸箱時(shí)又會(huì)攜帶出更多的HC并混入潤滑油氣液成分。因此曲軸箱通風(fēng)中含有較濃的HC等氣體污染物、炭煙等懸浮顆粒物、粒徑在0～10 μm之間的油滴以及大量的水蒸氣，如果不及時(shí)排出，會(huì)增大曲軸箱壓力，造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障和潤滑油污染變質(zhì)，所以需要經(jīng)過分離處理后及時(shí)排出。根據(jù)處理后的曲軸箱通風(fēng)是排到大氣還是接到進(jìn)氣管參與燃燒，曲軸軸向通風(fēng)系統(tǒng)可以分為開式曲軸箱通風(fēng)(Open Crankcase Ventilation，OCV)和閉式曲軸箱通風(fēng) (Closed Crankcase Ventilation，CCV)。

對于CCV系統(tǒng)，曲軸箱通風(fēng)中的污染物會(huì)對增壓器、中冷器、空氣流量傳感器等進(jìn)氣系統(tǒng)零部件造成污染并影響使用壽命，還會(huì)對DOC和SCR造成不良影響，因此在道路國六排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之前，柴油機(jī)多采用OCV系統(tǒng)。但近年來隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級，對曲軸箱通風(fēng)的排放控制也越來越嚴(yán)格，例如已經(jīng)實(shí)施的道路車輛第六階段排放法規(guī)要求將發(fā)動(dòng)機(jī)OCV系統(tǒng)的排氣污染物與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣一起進(jìn)行測試。雖然油氣分離器可以將大部分潤滑油液滴和部分大粒徑顆粒物(PM)過濾出來，但仍然會(huì)將氣體污染物和部分油霧、PM排出，這部分排放污染物無法通過標(biāo)定來進(jìn)行控制，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級，曲軸箱通風(fēng)中攜帶的污染物，尤其是PM，在發(fā)動(dòng)機(jī)總排放中占的比重越來越大，甚至超過了70%，這就給OCV系統(tǒng)滿足排放法規(guī)帶來很大的困難和成本的提升。因此，CCV系統(tǒng)會(huì)被越來越多的柴油機(jī)采用，甚至成為一種必然趨勢。

目前對于CCV的研究大多集中在油氣分離器選型設(shè)計(jì)以滿足曲軸箱壓力、通風(fēng)流量性能要求，對于機(jī)油攜帶量的要求不高，針對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的對比研究不多。曲軸箱通風(fēng)中含有較多的燃燒室廢氣，進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致新鮮進(jìn)氣量減少，對燃燒會(huì)產(chǎn)生一定的影響，廢氣中含有的顆粒物、大分子HC對發(fā)動(dòng)機(jī)排放也會(huì)產(chǎn)生不利影響，尤其是潤滑油成分無法完全燃燒，會(huì)造成顆粒物排放的增加。因此有必要對CCV中油氣分離器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和匹配，并進(jìn)行性能和排放試驗(yàn)對比研究，在滿足曲軸箱壓力和通風(fēng)流量要求的前提下，盡量降低通風(fēng)氣體的污染物含量，進(jìn)而減少對發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響。本研究在一臺(tái)直列4缸柴油機(jī)上，通過采用一套兩級油氣分離器方案，進(jìn)行了機(jī)油攜帶量和分離效率的測試，同時(shí)分別采用OCV和CCV進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，分析了CCV對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于一臺(tái)直列4缸帶EGR的渦輪增壓柴油機(jī)進(jìn)行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

對于CCV系統(tǒng)，為防止增壓器壓氣機(jī)殼體結(jié)焦，要求將進(jìn)入進(jìn)氣管的曲軸箱通風(fēng)中潤滑油攜帶量控制在0.2 g/h以下，并將壓氣機(jī)出口溫度控制在180 ℃以下。本研究采用缸蓋罩蓋內(nèi)安裝預(yù)分離器，然后再串聯(lián)一個(gè)外掛式油氣分離器的方案來實(shí)現(xiàn)高效的油滴和油霧分離。最大曲軸箱通風(fēng)量通過下式進(jìn)行計(jì)算，得到該發(fā)動(dòng)機(jī)最大曲軸箱通風(fēng)量為74 L/min。

=(2)×05%。

式中：為曲軸箱通風(fēng)量；為發(fā)動(dòng)機(jī)排量；為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，一般以標(biāo)定轉(zhuǎn)速計(jì)算最大通風(fēng)量；為增壓器增壓比；0.5%為柴油機(jī)常用系數(shù)。

1.1 預(yù)分離器

采用釘板式油氣分離器作為預(yù)分離器，主要由多級擋板、多孔板和釘板形成的折流板結(jié)構(gòu)以及單向回油管組成，兼具迷宮式油氣分離器和折流板油氣分離器的分離效果。預(yù)分離器安裝在鋁制的氣缸蓋罩蓋內(nèi)，與罩蓋一起組成曲軸箱通風(fēng)氣體的氣流通道，氣體先從入口向上流入，撞擊1級帶齒擋板后向兩側(cè)分流，再依次經(jīng)過2級波形擋板、3級迷宮式擋板、多孔板和釘板，經(jīng)過多級分離的氣體從罩蓋上的出口流出。預(yù)分離器結(jié)構(gòu)見圖1。

預(yù)分離器主要利用油滴和氣體的密度不同，攜帶油滴的氣流在流經(jīng)各級擋板、孔板和釘板過程中，會(huì)發(fā)生不同程度的擾動(dòng)而改變方向，由于慣性的作用，油滴會(huì)撞擊或吸附在分離器表面而被過濾下來，匯聚在單向回油管或曲軸箱通風(fēng)入口流回氣缸蓋，實(shí)現(xiàn)油氣的分離。在這個(gè)過程中，較大的油滴由于慣性大，會(huì)比較容易被捕捉下來，但部分小粒徑油滴還是會(huì)隨氣流流出預(yù)分離器。

圖1 預(yù)分離器結(jié)構(gòu)

1.2 精分離器

本研究精分離器采用濾芯過濾方式，濾芯材料采用聚酰胺和玻璃纖維，其主要通過慣性碰撞、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、攔截作用3種方式對油氣進(jìn)行分離。慣性碰撞是部分質(zhì)量較大的油滴由于慣性力作用按原方向運(yùn)動(dòng)、脫離氣體流線而撞擊在纖維上而被捕捉。由于慣性力與油滴質(zhì)量正相關(guān)，所以慣性碰撞捕捉主要對1 μm粒徑以上的油滴起作用，且粒徑越大捕捉效率越高；擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是小粒徑油滴由于氣流中微粒間的相互作用而作布朗運(yùn)動(dòng)，相對于氣流作隨機(jī)運(yùn)動(dòng)撞擊到纖維而被捕捉，布朗運(yùn)動(dòng)僅對小直徑(粒徑在0.3 μm以下)的油滴起作用，且粒徑越小捕捉效率越高；攔截作用的機(jī)理是當(dāng)油滴在隨著氣流繞過纖維表面時(shí)，油滴直徑大于其與纖維表面的距離，則會(huì)被纖維吸附攔截，主要對粒徑在0.3 μm以上的油滴起作用，與過濾材料孔隙大小有關(guān)。圖2示出精分離器結(jié)構(gòu)。

圖2 精分離器結(jié)構(gòu)

精分離器設(shè)計(jì)通風(fēng)量100 L/min，滿足計(jì)算得到的最大曲軸箱通風(fēng)量(74 L/min)要求，采用切向入口，使未經(jīng)分離的曲軸箱通風(fēng)氣流能夠在濾芯外側(cè)周圍均勻分布，被捕捉的油滴從回油口流回油底殼，旁通閥保證在濾芯發(fā)生堵塞時(shí)曲軸箱壓力不會(huì)過高。CCV系統(tǒng)要求曲軸箱壓力在0～-2 kPa(低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷工況允許出現(xiàn)微正壓)，為防止進(jìn)氣管負(fù)壓造成曲軸箱壓力超出設(shè)計(jì)限值，在精分離器出口處設(shè)計(jì)有一個(gè)彈簧膜片壓力調(diào)節(jié)閥，通過對膜片面積、流通面積和彈簧彈性系數(shù)的設(shè)計(jì)匹配，該閥可以通過濾芯腔內(nèi)壓力、膜片彈簧力和進(jìn)氣系統(tǒng)壓力的平衡來實(shí)現(xiàn)對各個(gè)工況下的曲軸箱壓力調(diào)節(jié)。

2 曲軸箱通風(fēng)機(jī)油攜帶量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測量方法

采用絕對濾芯對分離后的曲軸箱通風(fēng)過濾并稱重的方法在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對所述的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)分離效率和機(jī)油攜帶量進(jìn)行了試驗(yàn)測量。測量方法示意圖見圖3。

圖3 機(jī)油攜帶量及精分離器分離效率測量示意

正式測量前先不連接絕對濾芯和真空引射器，將分離后的曲軸箱通風(fēng)接入增壓器前進(jìn)氣管路(如圖3中虛線所示)，按照正常CCV系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測試，得到各個(gè)測試工況下的曲軸箱壓力，同時(shí)確保預(yù)測試前后集油瓶質(zhì)量增加，確保精分離器在正式測試前處于飽和狀態(tài)。然后斷開精分離器到進(jìn)氣管的連接管路(圖3中虛線管路)，將分離后的曲軸箱通風(fēng)依次引入絕對濾芯和真空引射器，并向真空引射器內(nèi)通入可調(diào)節(jié)壓力的壓縮空氣來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管負(fù)壓，使各測試工況下的曲軸箱壓力與預(yù)測試時(shí)相等。在各個(gè)測試工況下穩(wěn)定運(yùn)行1～2 h后，測量絕對濾芯(需要烘干去除水分后測量)和集油瓶帶精分離器的質(zhì)量，即可計(jì)算出該工況下分離后的曲軸箱通風(fēng)機(jī)油攜帶量和精分離器分離效率，計(jì)算公式為

=(f-)，

式中：f為該工況測量結(jié)束后絕對濾芯質(zhì)量；為該工況使用的絕對濾芯干凈狀態(tài)下的質(zhì)量；為該工況持續(xù)測試時(shí)間；和分別為該工況測試前后集油瓶和精分離器的總質(zhì)量。

2.2 測試結(jié)果

選取了具有代表性的標(biāo)定點(diǎn)、扭矩點(diǎn)和另外2個(gè)滿負(fù)荷工況進(jìn)行分離后的曲軸箱通風(fēng)機(jī)油攜帶量和精分離器過濾效率測試試驗(yàn)，每個(gè)工況持續(xù)時(shí)間1 h，測試結(jié)果見表2。

表2 機(jī)油攜帶量和分離效率測試結(jié)果

從表2可以看出，外特性上4個(gè)工況點(diǎn)分離后的曲軸箱通風(fēng)機(jī)油攜帶量均小于0.2 g/h的設(shè)計(jì)目標(biāo)，精分離器的過濾效率均在92%以上，可大幅度降低閉式曲軸箱通風(fēng)中機(jī)油成分對進(jìn)氣系統(tǒng)的影響。

3 CCV對發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放的影響

基于以上預(yù)分離器和精分離器組合的配置方案，分別按OCV和CCV進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能和排放試驗(yàn)，分析發(fā)動(dòng)機(jī)從OCV改為CCV后對發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。

3.1 曲軸箱壓力和曲軸箱通風(fēng)量對比

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體曲軸箱處打孔測量曲軸箱壓力，進(jìn)氣壓力在增壓器前進(jìn)氣管上打孔測量，曲軸箱通風(fēng)量通過在精分離器出口串聯(lián)一個(gè)同圓漏氣測量儀進(jìn)行測量，采用OCV時(shí)將漏氣測量儀出口直接通大氣，采用CCV時(shí)將漏氣測量儀出口接入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管。TOCEIL MAS06漏氣儀精度為±1%。外特性上曲軸箱壓力和曲軸箱通風(fēng)量對比曲線分別見圖4和圖5。

圖4 外特性曲軸箱壓力和進(jìn)氣壓力對比

圖5 外特性曲軸箱通風(fēng)量對比

從圖4可以看出，在外特性上，與OCV相比，CCV對進(jìn)氣壓力影響不大，兩者基本一致。這是因?yàn)榍S箱通風(fēng)量占發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量比例很小，在同樣進(jìn)氣量下，進(jìn)氣壓力主要受空濾和進(jìn)氣管路的阻力影響。OCV曲軸箱壓力為0.5～1.2 kPa，CCV僅在低速1 000 r/min時(shí)為正壓0.15 kPa，隨著轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣壓力逐漸減小，最低為-1.1 kPa，這是由于隨轉(zhuǎn)速增加，進(jìn)氣量增大，進(jìn)氣壓力進(jìn)一步減小，但在精分離器上壓力調(diào)節(jié)閥的作用下，將曲軸箱壓力控制在了-2 kPa以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖5可以看出，CCV與OCV相比曲軸箱通風(fēng)量在不同的工況下互有高低，總體相差并不大，CCV在2 200 r/min時(shí)達(dá)到最大曲軸箱通風(fēng)量66.7 L/min，在計(jì)算最大值的范圍內(nèi)。

3.2 缸內(nèi)最高燃燒壓力及相位對比

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上安裝各缸缸內(nèi)壓力傳感器，并用KIBOX燃燒分析儀測量缸內(nèi)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。圖6示出外特性下2缸最高燃燒壓力及相位的變化曲線。圖7示出外特性燃油消耗率的對比曲線。

圖6 外特性最高燃燒壓力及相位對比

圖7 外特性燃油消耗率對比

從圖6和圖7可以看出，外特性上CCV與OCV最高燃燒壓力及相位相差不大，1 200～2 200 r/min最高燃燒壓力CCV比OCV略小，各工況下CCV的燃油消耗率比OCV略高，兩者相差0.8～2 g/(kW·h)。這主要是由于采用CCV時(shí)曲軸箱通風(fēng)占用了一部分新鮮進(jìn)氣量，混合后的進(jìn)氣溫度也有稍許增加，空燃比略有減小，造成了最高燃燒壓力和燃油消耗率的變化。

3.3 對排放的影響

使用HORIBA全流稀釋排放系統(tǒng)MEXA-7200D和AVL483煙度測量儀分別在外特性穩(wěn)態(tài)和NRTC循環(huán)瞬態(tài)工況下進(jìn)行了CCV和OCV對比試驗(yàn)。

現(xiàn)代柴油機(jī)HC和CO排放水平較低，且很容易在裝有DOC的后處理系統(tǒng)中被氧化掉，所以本研究主要關(guān)注NO和PM的排放值。而炭煙(Soot)是PM的重要組成部分和形成核心，且測量更加方便，因此排放試驗(yàn)時(shí)也將Soot排放作為重點(diǎn)關(guān)注對象加以測量和分析。圖8、圖9分別示出外特性穩(wěn)態(tài)工況下NO比排放和Soot比排放的對比曲線；圖10、圖11分別為NRTC瞬態(tài)循環(huán)下NO和Soot排放質(zhì)量濃度的對比曲線；表3為NRTC瞬態(tài)循環(huán)NO和PM比排放量以及燃油消耗率的對比。

從圖8和圖9可以看出，在外特性穩(wěn)態(tài)工況下，1 000～1 800 r/min中低轉(zhuǎn)速時(shí)CCV比OCV的NO比排放略小， Soot比排放量略高，高速時(shí)兩者基本一致。這可能與隨著轉(zhuǎn)速的升高曲軸箱通風(fēng)量占新鮮進(jìn)氣量的比例降低有關(guān)，空燃比的降低導(dǎo)致了NO的減少和Soot的增加?？傮w上兩者NO比排放相差很小，采用CCV時(shí)Soot比排放量略高，但兩者都處于較低水平，對排放標(biāo)定影響不大。

圖8 外特性NOx比排放量對比

圖9 外特性Soot比排放量對比

圖10 NRTC循環(huán)各工況NOx排放對比

圖11 NRTC循環(huán)各工況Soot排放對比

表3 NRTC循環(huán)污染物比排放量及燃油消耗率結(jié)果對比

從圖10可以看出，CCV和OCV相比，兩者NRTC循環(huán)NO排放峰值互有高低，大部分工況下兩者本一致。由圖11可以看出，采用CCV時(shí)Soot排放比OCV略高，但相差不大，總體上兩者Soot排放較為一致。

從表3可以看出，與OCV相比，CCV NRTC循環(huán)NO和PM比排放略微升高，增幅分別在1%和3.4%以內(nèi)。PM增幅稍大，一方面是由于Soot排放增加，另一方面是因?yàn)榍S箱通風(fēng)含有的潤滑油燃燒產(chǎn)生的高碳鏈烷烴導(dǎo)致SOF成分的增加。總體來看，CCV對與NO和PM排放標(biāo)定影響不大。另外CCV循環(huán)工況加權(quán)燃油消耗率比OCV多0.9 g/(kW·h)，增幅為0.4%，可見在NRTC瞬態(tài)循環(huán)工況下，CCV對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響也不大。

4 結(jié)論

a) 采用迷宮、多孔板、釘板結(jié)構(gòu)組合的預(yù)分離器和串聯(lián)纖維濾芯分離器的兩級分離曲軸箱通風(fēng)設(shè)計(jì)，最高機(jī)油攜帶量0.106 g/h，遠(yuǎn)低于0.2 g/h的設(shè)計(jì)目標(biāo)，精分離器的分離效率在92%以上；

b) CCV曲軸箱壓力在-1.1～ 0.15 kPa之間，最大曲軸箱通風(fēng)量為66.7 L/min,滿足設(shè)計(jì)要求；

c) 外特性下CCV 與OCV最高燃燒壓力和相位基本一致，燃油消耗率略有增加，NRTC循環(huán)燃油消耗率僅增加了0.4%，說明CCV對缸內(nèi)燃燒以及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響并不大；

d) 在外特性穩(wěn)態(tài)工況下CCV與OCV相比，NO比排放略微減小，Soot比排放略有增加；NRTC瞬態(tài)循環(huán)CCV相比OCV，NO和PM比排放均略有增加，幅度分別在1%和3.4%以內(nèi)。