天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

張 騰 段繼翔 劉冠麟 史玉梅 唐忠剛 趙麗梅，2

（1-濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東 濰坊 261061 2-濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司）

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，燃燒室中的混合氣體不可避免地從活塞環(huán)與缸套之間的空隙竄入到曲軸箱內(nèi)，如果該部分混合氣無(wú)法及時(shí)排出會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)壓力過(guò)高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生漏油、漏氣等三漏問(wèn)題；另外該混合氣溫度較高及含有一定量水分促使機(jī)油稀釋乳化，影響機(jī)油性能等問(wèn)題[1-2]。因此各發(fā)動(dòng)機(jī)均有必要帶有曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)裝置以降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損害。

當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在商用車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛并且已經(jīng)實(shí)施了中國(guó)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)。相比于國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)除了對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放限值和種類加嚴(yán)之外，還要求在整個(gè)WHTC 排放測(cè)試循環(huán)過(guò)程中的曲軸箱壓力都不高于大氣壓力，即在WHTC 排放測(cè)試循環(huán)的整個(gè)過(guò)程中曲軸箱的相對(duì)壓力為負(fù)值[3]。另外國(guó)六排放法規(guī)中規(guī)定對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行OBD 監(jiān)測(cè)，因此對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，但是目前相關(guān)的研究成果很少。

本文介紹了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類，然后對(duì)裝有閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和防喘振閥結(jié)構(gòu)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)研究防喘振閥工作時(shí)對(duì)曲軸箱壓力的影響并根據(jù)該結(jié)果提出了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)管路走向，保證曲軸箱在進(jìn)行WHTC循環(huán)測(cè)試時(shí)小于大氣壓力，滿足法規(guī)要求。

1 曲軸箱通風(fēng)

1.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)作用

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱中的混合氣體利用油氣分離器裝置進(jìn)行分離，其中分離出的氣體進(jìn)入到大氣中或者進(jìn)入燃燒室中進(jìn)行再燃燒，機(jī)油進(jìn)入到油底殼中；另外還需要將曲軸箱壓力保持在一定范圍內(nèi)[4]。

1.2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常由油氣分離器、曲軸箱壓力傳感器及各相關(guān)管路構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，主要作用是將曲軸箱中的混合氣進(jìn)行油氣分離[5]。油氣分離器采用離心式結(jié)構(gòu)，分為預(yù)分離、精分離兩部分；其主要工作原理是利用油氣兩相的密度不同將油氣進(jìn)行分離。預(yù)分離機(jī)構(gòu)采用擋板式結(jié)構(gòu)，曲軸箱中的混合氣進(jìn)入油氣分離器后，其中的油滴遇到擋板壁面后會(huì)吸附在其表面上然后聚集，當(dāng)液滴聚集到一定程度時(shí)就會(huì)發(fā)生油滴順著對(duì)應(yīng)的管路流回預(yù)分離管路。由于油滴的大小不同，顆粒較大的比較容易吸附聚集而較小的油滴由于慣性較小極容易混合在氣流中隨著氣流進(jìn)入油氣分離器精濾結(jié)構(gòu)[6]。精分離機(jī)構(gòu)采用離心式結(jié)構(gòu)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓機(jī)油驅(qū)動(dòng)油氣分離器內(nèi)部頁(yè)片旋轉(zhuǎn)，依靠高速離心作用對(duì)油氣進(jìn)行分離。在油氣分離場(chǎng)中，油滴較氣體重可直接被甩到外圍結(jié)構(gòu)在重力作用下回流，而氣體則在轉(zhuǎn)子中心聚集沿著內(nèi)部結(jié)構(gòu)通道流出油氣分離器[7-8]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 曲軸箱通風(fēng)結(jié)構(gòu)分類

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)形式分為開(kāi)式及閉式兩種。其中，曲軸箱中的混合氣經(jīng)油氣分離器后的氣體直接排出到大氣中稱為開(kāi)式循環(huán)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低但是排放不受控；另外一種是將分離出的氣體再次經(jīng)增壓中冷系統(tǒng)進(jìn)入到燃燒室中進(jìn)行尾氣處理稱為閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排放但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)油氣分離器工作效率要求較高并且對(duì)增壓中冷系統(tǒng)的壽命有一定的影響[9-11]。

在國(guó)五排放階段發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用開(kāi)式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；而到了國(guó)六排放階段要求曲軸箱中的混合氣需要與排氣中的尾氣相疊合進(jìn)行排放測(cè)量以滿足排放法規(guī)限值。而國(guó)六排放法規(guī)GB 17691-2018 中規(guī)定需要對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸箱壓力有OBD 進(jìn)行監(jiān)控且為了更好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)排放，因此曲軸箱閉式循環(huán)系統(tǒng)成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的必要結(jié)構(gòu)之一。

2 試驗(yàn)裝置和方法

在本文中對(duì)裝有閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試研究，其中曲軸箱壓力測(cè)點(diǎn)為發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩殼上的機(jī)油加注口位置，發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試設(shè)備均滿足GB17691-2018 的要求。

2.1 防喘振閥出氣管對(duì)曲軸箱壓力的影響

當(dāng)前采用當(dāng)量燃燒的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均安裝使用了防喘振閥，防喘振閥的出氣管安裝在了增壓器的壓氣機(jī)進(jìn)氣端，同時(shí)該位置也安裝帶有曲軸箱壓力傳感器取氣管。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在減速（節(jié)氣門(mén)開(kāi)度突然減小）時(shí)，防喘振閥工作將多余的氣體放出到增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)，對(duì)曲軸箱壓力測(cè)量產(chǎn)生了一定影響，導(dǎo)致對(duì)曲軸箱壓力測(cè)量不準(zhǔn)確。因此有必要研究防喘振閥出氣管的位置對(duì)曲軸箱壓力的影響。在本文中測(cè)試了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管是否接通在增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管中（防喘振閥出氣管與曲軸箱出氣管連接為任意連接結(jié)構(gòu)方式）的曲軸箱壓力值，具體結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力

由圖2 可知，在WHTC 測(cè)試循環(huán)過(guò)程中，增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管連接了發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管后的曲軸箱壓力全程均高于未連接發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管；且曲軸箱壓力超過(guò)大氣壓力。增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管連接了防喘振閥出氣管后的曲軸箱壓力平均值為-0.36 kPa；而未連接發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管曲軸箱壓力平均值在-0.97 kPa；這主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)防喘振閥出氣管放出的多余氣體帶有一定的壓力，該壓力值很容易超過(guò)油氣分離器出氣管的壓力導(dǎo)致經(jīng)過(guò)防喘振閥的氣體進(jìn)入到油氣分離器引起曲軸箱壓力升高；另外防喘振閥出氣管在與增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管連接密封處等存在密封不嚴(yán)些許漏氣也會(huì)導(dǎo)致曲軸箱壓力升高。但是防喘振閥取氣管如直接放在空氣中則會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲偏高，因此需要合理布置連接防喘振閥出氣管減少對(duì)曲軸箱壓力的影響。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力測(cè)試

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管對(duì)曲軸箱壓力的影響，需要合理布置曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出氣管和防喘振閥出氣管。發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的出氣管同時(shí)接在增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣端呈現(xiàn)出垂直布置且發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥出氣管較長(zhǎng)且超過(guò)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)出氣管的位置，具體見(jiàn)圖3。根據(jù)1.2 描述，油氣分離器采用主動(dòng)預(yù)分離結(jié)構(gòu)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)主油道的機(jī)油驅(qū)動(dòng)油氣分離器工作，通過(guò)油氣分離內(nèi)部扇葉高速旋轉(zhuǎn)抽取曲軸箱中的廢氣同時(shí)促進(jìn)曲軸箱中快速建立負(fù)壓環(huán)境。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)或者倒拖時(shí)主油道機(jī)油的慣性推動(dòng)油氣分離器工作；而在啟動(dòng)或者怠速運(yùn)行時(shí)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小在10%左右進(jìn)氣壓力處于負(fù)壓狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量減少，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主油道機(jī)油壓力快速建立推動(dòng)油氣分離器工作，使曲軸箱壓力呈現(xiàn)出負(fù)壓狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力傳感器安裝在油氣分離器進(jìn)出氣兩端，對(duì)曲軸箱壓力進(jìn)行測(cè)量并利用該測(cè)量值對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行OBD 監(jiān)測(cè)。

圖3 增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管路布置

2.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)壓力測(cè)試

在合理布置增壓器壓氣機(jī)進(jìn)氣管路后，利用WHTC測(cè)試循環(huán)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力進(jìn)行測(cè)試。圖4給出了天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力的測(cè)試結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力在冷態(tài)WHTC 循環(huán)值為-0.72 kPa，在熱態(tài)WHTC 循環(huán)值為-1.03 kPa。

圖4 曲軸箱壓力變化曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力在冷態(tài)WHTC 循壞排放測(cè)試時(shí)的結(jié)果較高特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段，但是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力全程為負(fù)壓值，滿足法規(guī)要求。與發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)WHTC 循環(huán)測(cè)試時(shí)對(duì)比，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油、水溫等并未達(dá)到正常狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量值相對(duì)偏高，因此在冷態(tài)WHTC 測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力較高。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常狀態(tài)后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱態(tài)WHTC 測(cè)量值差異較小。通過(guò)曲軸箱壓力傳感器（Crankcase Valve Pressure，CCVP）測(cè)量值與試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)量值進(jìn)行，兩者測(cè)量平均值相差1.24%，可認(rèn)為是傳感器測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)可以利用該傳感器測(cè)量值進(jìn)行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)OBD 監(jiān)控。

3 結(jié)論

本文對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理進(jìn)行介紹并結(jié)合排放法規(guī)要求，得出以下結(jié)論：

1）在國(guó)六排放階段天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是OBD 監(jiān)控的重要參數(shù)之一，因此天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用閉式循環(huán)系統(tǒng)。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)防喘振閥等零部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力有一定的影響，特別是防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)連接管路容易使曲軸箱壓力呈現(xiàn)出正值，需要合理布置該部分管路連接。

3）優(yōu)化防喘振閥出氣管與曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)連接管路，經(jīng)過(guò)冷熱態(tài)WHTC 循環(huán)測(cè)試曲軸箱壓力分別為-0.72 kPa 和-1.03 kPa 且整個(gè)測(cè)試循環(huán)無(wú)正值出現(xiàn)，滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4）曲軸箱壓力傳感器分別安裝在油氣分離器進(jìn)出氣口，與試驗(yàn)臺(tái)架采集曲軸箱壓力數(shù)據(jù)相差1.24%，可以使用該值對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行OBD 監(jiān)測(cè)。