直喷增压汽油发动机曲轴箱通风系统的研究

冀晓栋 左云 李佳 李红梅 王鹏 周武明

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

直喷增压汽油发动机曲轴箱通风系统的研究

冀晓栋1，2左云1，2李佳1，2李红梅1，2王鹏1，2周武明1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

为满足直喷增压汽油发动机的曲轴箱通风系统的开发需求，借助现代CAE软件分析能力，通过降低活塞漏气量，优化回油结构，优化取气口位置及面积，合理匹配油气分离器压损和有效回油高度，通过多轮试验验证，找出最优设计方案。

活塞漏气量油气分离分离器压损

引言

随着发动机性能的不断提升及汽车相关排放法规的日趋严格，由曲轴箱内的油雾颗粒、废气（碳氢化合物）引起的排放问题越来越受到人们的关注。在某高性能发动机的开发过程中，出现曲轴箱通风失效的问题，在解决问题的同时对发动机曲轴箱通风系统进行彻底分析研究。

发动机工作时，部分可燃混合气和废气经活塞环漏入曲轴箱内，曲轴箱通风系统可将漏入曲轴箱的气体排出曲轴箱；同时达到防止润滑油变质及燃油稀释机油，减轻机件的磨损和腐蚀，降压、降温、防漏、回收可燃气体，减少污染。

1 对曲轴箱通风系统的要求

对于自然吸气发动机，应确保发动机在任何工况下曲轴箱压力＜0 kPa，即为负压。对于增压机型，可以允许少数工况的曲轴箱为正压，但压力应＜1 kPa；同时，曲轴箱的最低压力都应＞-5 kPa，在最糟糕的情况下，曲轴箱的最低压力不＜-7.5 kPa。

曲轴箱通风系统机油消耗量方面，正常活塞漏气量情况下，油气分离效率需满足进入进气歧管的机油量不大于2 g/h，在漏气量翻倍情况下，油气分离器出口仍没有目视可见的油流。其中，机油量不大于2 g/h的要求为平均值要求，即模拟发动机实际运行的工况来分配机油量的比例值，如在全速全负荷工况，在整车实际运行过程中几乎不会使用，所以这个工况只占10%。以此类推，部分负荷占20%，中高负荷占70%，例如，部分负荷分离后机油量为1 g/h，部分负荷分离后机油量为2 g/h，全速全负荷分离后机油量为4 g/h，这样平均机油量为1×20%+2×70%+4× 10%=1.9 g/h，满足要求。

将通风中分离出来的机油回到油底壳，使机油循环利用。

2 曲轴箱通风系统的优化方向

2.1 曲轴箱气体的来源及控制

为了保证曲轴箱通风系统的有效性，首先应了解曲轴箱中气体的来源，这样才能从系统的产生根源去控制，使曲轴箱通风系统设计更合理、高效。原来我们把曲轴箱通风所吸出的气体等同于活塞漏出的废气，实际上还有其他来源，主要有：

2.1.1 活塞漏气

燃烧压力大大高于曲轴箱压力。由于密封组件中有间隙，所以排气可以窜入曲轴箱，如图1所示。燃烧室和曲轴箱之间的压差越大，窜气流量也越大。在汽油发动机中，发动机怠速时或者高速时活塞环会颤抖，此时也会引起窜气流量的上升。

图1 活塞窜气示意图

活塞漏气是主要原因，我们应尽量降低它。活塞漏气主要有3个途径：1）活塞环与缸孔间；2）活塞环的侧隙、背隙；3）活塞环开口。这3个途径中，第一途径取决于活塞环与缸孔的接触质量，为了改善接触质量，一般采取的方法有：改变活塞环张力；增强缸孔的结构强度，减少变形；合理设计缸盖螺孔深度位置，减少对缸孔的作用力；采用预加载工艺加工缸孔（又称压板珩磨工艺），使缸孔实际装配后圆柱度得到保证，详细信息如表1所示。在解决某款发动机活塞漏气量过大问题中，通过采用预加载加工缸孔的工艺，成功将最大活塞漏气量由97 L/min降低到57 L/min，大大改善了曲轴箱通风效果。对于第二途径，取决于侧隙、背隙面积及活塞环形式。对于第三途径，取决于活塞环闭口间隙的大小，和各活塞环闭口相互之间是否错位。这3个途径的影响因素都会造成活塞漏气量过大，出现活塞漏气量大时一一排查。一般活塞漏气量估算为：

式中：C—系数；

Vt—理论吸气量；

Vh—排量；

n—标定转速；

rr—全负荷增压器压比；

Tm—增压进气管温度。

其中C取0.6%～0.8%，根据发动机加工、强化水平以及发动机的磨损情况决定。

表1 更改前后配合间隙μm

2.1.2 增压器

增压器的涡轮轴由增压的油来润滑，回油腔直通曲轴箱，无压力。而涡壳中的排气受排气背压的影响，存在一定压力，加上密封组件有一定泄漏，这样涡壳中的废气会窜入回油腔，进入曲轴箱。当增压器密封失效时，曲轴箱通风量会增大，导致油气分离效果恶化，这要求增压器密封的有效性，可以通过发动机耐久试验和冷热冲击试验来验证增压器密封的有效性。在前期试验中，某发动机出现油气分离系统失效，发生窜油现象，排查出通风量超标，后分析出为增压器密封失效，导致通风量增加，使油气分离系统失效，导致窜油。

2.1.3 补充的新鲜空气

为了降低曲轴箱内的水蒸气饱和度，减少对机油的稀释，同时降低回收气体的汽油浓度，使其不影响发动机正常燃烧，汽油机会向曲轴箱内注入新鲜空气，这样会使曲轴箱通风量增加。补充空气量建议为活塞漏气量的15%～30%。前期在某增压发动机试验过程中，曲轴箱通风量始终偏大，导致分离效果不佳，后排查为从进气歧管补充新鲜空气太多，导致整体曲轴箱通风量大，后改变设计，使补充的新鲜空气量减少到20%，油气分离效果大大改善。

2.2 优化回油结构

回油机构的作用是使分离出来的机油顺利地重新回到油底壳，再循环利用；同时，不能让机体内不洁净的窜气和油滴反窜入回油通道内。

为了能使分离后的机油顺利回到油底壳，必须让油液形成足够的液位高度，以克服油气分离器等参数的压差，具体可根据回油腔与曲轴箱的压力差来计算匹配回油液位高度，图2为油液在120℃时形成的压差。

图2 压差与机油液面的关系

当油液形成的压力不能克服回油腔与曲轴箱之间的压力差时，将使油液不能正常回到曲轴箱内，油液多时将会随气体排出，造成油气分离失效，严重时曲轴箱的气体会反窜入回油腔，同时带走大量油液，发生窜油。图3为发动机的自密封回油结构。

图3 自密封回油结构

2.3 优化取气口位置及面积

在设计油气分离器取气口位置时，应避开凸轮轴凸轮等甩油零部件，在满足搭载布置的情况下，尽可能将取气口布置在较高的位置。

在活塞漏气量一定的情况下，进入油气分离腔内的窜气流速与进气口截面积成反比关系。经过试验分析，在进气口截面积较小时易导致进入油气分离腔的窜气流速过大。此时，窜气将携带更多的飞溅油滴进入油气分离腔内，大大增加了整个油气分离系统的分离难度，使得窜油问题更加严重。通过试验分析，发现将进气口处窜气流速控制在2 m/s以下是合理的。

从控制窜气流速方面入手，对整个曲轴箱通风系统的进气口进行优化：将进气口布置在机油相对较少的地方，同时进气口截面积由210 mm2增大至760 mm2，相对应的窜气流速从4.5 m/s降低至1.25 m/s。

2.4 匹配油气分离器压损与回油高度

采用缸盖罩上方增加透明窗口的方法来观察油气分离系统的回油情况，可以快速了解缸盖罩内油气分离情况。

某发动机采用集成阀板式油气分离器Multi-Flaps和阀板式回油结构，试验测得油气分离器压损为1.0 kPa，同时回油结构的有效回油高度为20 mm，相应参数：120℃机油密度为ρ=0.8 kg/m2、重力加速度g=9.8 m/s2、回油高度h=20 mm、油气分离器压损△P=1.0 kPa；

则机油液位高度产生的最大压力为P（机油）= ρgh=0.16 kPa＜△P。

通过以上计算结果分析：机油液位高速产生的压力无法克服回油阀上下压差（即油气分离器压损），导致回油阀板无法顺利打开，产生回油不畅问题。

根据上述分析制定优化方案：在保证油气分离效率的同时，适当降低油气分离器的压损至0.6 kPa，同时增加回油高度至119 mm。此时，各部分相对压力如下：

机油液位高度产生的压力P（机油）=ρgh=0.96 kPa＞△P（0.6 kPa），满足设计要求。

3 CAE分析

通过上述措施对某发动机曲轴箱通风系统优化设计的同时，利用油气分离模拟分析软件Fire进行油气分离效率分析计算，不断优化设计，图4和图5分别为速度分布与粒子分布模拟分析及发动机油气分离效率。

图4 速度分布与粒子分布模拟分析

图5 发动机油气分离效率

4 试验验证

根据发动机负荷情况将过滤器连接在曲轴箱通风管的不同位置，在部分负荷时将过滤器连接在进气侧，在中高负荷时将过滤器连接在排气侧，为了避免油气在管路中凝结，缸盖罩窜气出口至过滤器之间管路需要有保温措施，连接管路不得出现漏气现象且尽可能短。

为了确保测量的准确性，将过滤器壳体加热至140℃，可以将滤芯中的凝结的水和燃油蒸发掉，在试验开始前将玻璃纤维的滤芯称重，待试验工况稳定后，记录窜气流量。然后，切换三通阀至过滤器，并进行计时，5 min后将三通阀切换至空气流量计，停机，将滤纸取出，称重。计算出该工况下进入进气歧管内的机油量，用g/h来表示。

经过试验验证，优化设计后的某发动机曲轴箱通风系统综合工况下窜油量控制在2 g/h，如图6所示。

图6 油气分离后通风系统中的机油含量分布图

5 结束语

本文通过分析活塞漏气量、回油结构、取气口位置及面积、油气分离器压损和有效回油高度等影响曲轴箱通风系统的因素，提出了解决曲轴箱通风系统问题的方案，填补了各主机厂对曲轴箱通风系统问题研究的空白。

1蒋明德．高等内燃机原理[M]．西安：西安交通大学出版社，2002

2周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1996

3宗隽杰，倪计民，邱学军，等.曲轴箱通风系统油气分离器的性能研究[J].内燃机工程，2010，31（2）：86～91

Research on Optimization of Crankcase Ventilation System in TGDI Engine

Ji Xiaodong1，2，Zuo Yun1，2，Li Jia1，2，Li Hongmei1，2，Wang Peng1，2，Zhou Wuming1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

In order to satisfy the development requirements of crankcase ventilation system in TGDI engine，with the aid of modern CAE analysis，the optimal design is fixed through many test verifications by reducing piston blow-by，optimizing oil drain structure，air inlet position and area，and balancing the oil separator pressure loss and valid oil drain height.

Piston blow-by，Oil-gas separator，Separator pressure loss

TK411

A

2095-8234（2014）04-0014-04

2014-05-26）

冀晓栋（1986-），男，助理工程师，主要从事发动机开发工作。