重型甲醇发动机国六标准曲轴箱通风系统开发

卢瑞军 夏丽娟 苏茂辉

（1-浙江吉利新能源商用车集团有限公司 浙江 杭州 311000 2-七一一研究所）

引言

随着国家对机动车国六排放标准的发布，对曲轴箱通风系统控制的要求加严。对于开式曲轴箱通风系统，要求将曲轴箱排放与尾气排放一起进行测试。目前，满足国六排放标准的发动机基本上都采用闭式曲轴箱通风系统。但是，闭式曲轴箱通风系统带来了新的技术难题，曲轴箱废气中的机油颗粒对增压器效率、火花塞点火、进气系统等产生影响。对于甲醇发动机，闭式曲轴箱通风系统中的废气含有大量的甲醛、甲酸，容易腐蚀中冷器、进气系统的金属零部件，特别是铝材料零部件，造成火花塞电极间隙沉积铝元素，影响点火效果；同时造成机油中的金属元素超标，产生缸套快速磨损等故障。目前，满足国六排放标准的柴油机由刚开始采用的闭式曲轴箱通风系统逐渐向开式曲轴箱通风系统发展；而点燃式发动机、CNG 发动机和甲醇发动机等，基本上还是采用闭式曲轴箱通风系统。

良好的曲轴箱通风系统应满足以下要求：

1）基本功能

a）机油分离。分离发动机曲轴箱废气中的机油，减少机油消耗；减小闭式曲轴箱通风系统对增压器效率、火花塞点火的影响；

b）曲轴箱压力。维持发动机的曲轴箱压力在一定范围内，辅助发动机密封，使增压器回油通畅。

2）功能提升

a）及时带走燃烧产生的废气，将其导入燃烧室中重新燃烧，降低排气污染（闭式）；

b）导入新鲜空气，带走燃烧产生的废气，延缓机油乳化与机油稀释，延长机油寿命；

c）保持通风管路通畅，避免冬季结冰[1]。

1 重型甲醇发动机曲轴箱通风系统简要介绍

本文的曲轴箱通风系统为一款6 缸13 L 重型甲醇发动机开发的。发动机的技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

重型甲醇发动机采用闭式曲轴箱通风系统后，曲轴箱通风系统的排放要达到国六排放标准，有一定的技术难度和挑战性。

重型甲醇发动机原机曲轴箱通风系统的原理见图1。

图1 重型甲醇发动机曲轴箱通风系统原理图

该发动机的曲轴箱通风系统是闭式曲轴箱通风系统，曲轴箱废气的取气位置在缸体曲轴箱上部，没有预分离结构，主分离器采用主动式的油驱式油气分离器。

2 重型甲醇发动机失效现象

在国六排放标准发动机的开发研究中，曲轴箱通风系统的开发是很重要的工作，曲轴箱通风系统的关键指标包括机油携带量、曲轴箱通风系统压力的稳定性和曲轴箱通风系统的耐久性，是决定国六排放标准发动机开发成功的关键因素之一。

在重型甲醇发动机1 000 h 可靠性试验中，运行到144 h，发动机在全负荷工况下，曲轴箱通风系统的透明管监测到有机油窜出，并呈线性流淌，故确认为油气分离器失效。检查发动机的主分离器有大量乳化物，如图2 所示。

图2 主分离器内部乳化物情况

同时，对发动机的关键零部件进行拆解，发现缸盖顶平面、增压器压气机入口、火花塞点火电极都有附着物以及大量的乳化物，如图3 所示。

图3 缸盖、增压器和火花塞的乳化物情况

缸盖顶平面的乳化物会影响发动机的机油质量以及摇臂机构的润滑；增压器压气机入口的附着物会影响增压器的平衡和效率；火花塞点火电极附着物会严重影响发动机点火系统的工作，导致发动机失火和爆震等现象发生。这些问题应该引起足够的重视。

3 原因分析及改进方案

3.1 曲轴箱通风系统废气的取气位置优化方案

3.1.1 原因分析

原机曲轴箱通风系统的布置图见图4，曲轴箱通风系统废气的取气位置在发动机曲轴箱位置上部。发动机曲轴箱内是曲轴旋转的空间，这个空间的机油油气浓度比较高，而且发动机缸盖顶面的回油和通气孔没有独立，使曲轴箱通风系统的主分离器负担比较重，容易造成曲轴箱通风系统的管路、油气分离器堵塞和失效等故障。

图4 原机曲轴箱通风系统布局图

3.1.2 整改措施

针对引发故障的要因，优化曲轴箱通风系统废气的取气位置，由原来的曲轴箱取气改到缸盖罩顶部取气。发动机曲轴箱内部的活塞漏气、机油蒸汽、水蒸汽等经过发动机内部通道回到缸盖罩内部，废气中的机油含量大大降低，油气分离器的机油分离负担大大降低。同时，该位置是蒸汽的最高位置，不容易形成机油乳化现象。

3.1.3 改进措施的试验验证情况

为了确认曲轴箱通风系统废气的取气位置改进效果，在发动机台架上进行对比试验验证，主要通过烧杯、滤纸和机油携带量3 个方面对比改进效果。滤纸、烧杯和机油携带量的测量位置在主分离器前，主要确认发动机本体位置不同的废气中机油浓度差异。曲轴箱通风系统废气的取气位置效果对比如表2所示。

表2 曲轴箱通风系统废气的取气位置效果对比

从表2 可以看出，原机的取气位置，机油浓度非常高。改变位置后，无论从烧杯收集的水蒸汽中机油的颜色，还是滤纸的机油油滴情况，都大大改善。从机油携带量的对比来看，优化后，发动机本体的机油携带量减少了将近20 倍。原机曲轴箱通风系统废气的取气位置不合理是造成曲轴箱通风系统的主分离器负担重的主要原因。

3.2 增加预分离方案

3.2.1 原因分析

目前，发动机一般仅设计单一的主分离器。但是，不同的主分离器适合过滤相应大小的油气颗粒。到国六排放阶段，曲轴箱排放要求加严。对于采用闭式曲轴箱通风系统的发动机，要求最大机油携带量控制在0.5 g/h 以内[2]。重型发动机由于活塞漏气量大，为了避免曲轴箱通风系统影响增压器的效率以及影响火花塞点火，很多发动机生产企业已经把机油携带量指标控制在0.2 g/h 以内。但是，严格的指标单靠主分离器很难实现。原机缺少预分离结构，只有主分离器，使得主分离器的工作负荷重，特别是机油出现轻微乳化时，容易引起曲轴箱通风系统的管路和主分离器内部堵塞。

3.2.2 整改措施

设计方案是“预分离结构＋主分离器”的分离方案。这就要求预分离结构将最大机油携带量控制在2 g/h 以内，再通过主分离器实现目标。

本方案在发动机的缸盖罩顶部靠近排气侧的位置集成预分离结构，不但节省了管路系统，还避免了外挂管路产生温差而出现乳化现象，如图5 所示。

图5 缸盖罩内部集成的预分离结构

3.2.3 预分离方案的试验验证

在发动机台架上进行有无预分离结构的效果对比试验，机油携带量的测量位置在主分离器前，有无预分离结构的效果对比见表3。

表3 有无预分离结构效果对比

从表3 所示的测量结果可以看出，增加预分离结构后，机油携带量下降了36%，下降效果明显。同时，就预分离结构对曲轴箱压力的影响进行评估，在去掉测量滤纸的情况下，曲轴箱压力略有增加，但都是负压，在可以接受的范围内。

3.3 增加补气系统方案

3.3.1 原因分析

图6 为甲醇的氧化过程。图中，M 为惰性气体。

图6 甲醇氧化过程图解

通过甲醇的氧化机理可以看出，甲醛为氧化过程中的中间产物，甲醛进一步氧化会变成甲酸，氢离子和氢氧根离子的碰撞会产生大量的水。甲醇燃烧过程的实质就是被不断氧化的过程，异于汽油的燃烧产物，甲醇的燃烧产物中含有甲醛、甲酸和水[3]。泄露到曲轴箱的大量甲醇、甲酸和水汽给甲醇发动机的曲轴箱通风系统带来新的难题。

3.3.2 整改措施

在原机的曲轴箱通风系统中增加补气系统。为了降低曲轴箱通风系统内气体的含水率，调节系统内部的压力大小，减少活塞漏气在系统内的停留时间，提高机油的使用寿命[4]，需要将空气滤清器中的新鲜空气通过补气管路引入到曲轴箱通风系统内。补气原理如图7 所示。补气方案的试验验证结合整机可靠性试验进行，不进行单项试验。

图7 重型甲醇发动机曲轴箱通风系统补气示意图

4 试验验证

曲轴箱通风系统试验是国六排放标准发动机开发最重要的机械开发试验，主要包括机油携带量试验、1.5 倍活塞漏气量窜油试验、曲轴箱压力试验、机油消耗试验以及曲轴箱通风系统耐久试验。

4.1 机油携带量试验

在发动机测试台架对发动机曲轴箱通风系统的本体、主分离器后的机油携带量进行测量，评价曲轴箱的机油携带量指标和主分离器的效率是否达到设计要求。试验结果见表4。

表4 机油携带量试验结果

由表4 可以看出，经过改进优化的曲轴箱通风系统，本体的机油携带量大大降低，控制在5 g/h 以内；经过主分离器后，发动机整个曲轴箱通风系统的机油携带量指标控制在0.7 g/h 之内。同时，主分离器的机油分离效率达到85%以上，基本达到设计目的。

4.2 1.5 倍活塞漏气量窜油试验

从发动机缸体曲轴箱通风系统补气管处引入外部压缩空气，调节压缩空气漏气量等于1.5 倍最大活塞漏气量，观察油气分离器后的管路窜油情况。

发动机在最大功率工况、最大转矩工况各运行1 h，油气分离器后的管路无明显机油和乳化物窜出。

4.3 曲轴箱压力试验

曲轴箱压力分别采用稳态万有特性压力试验工况（图8）和WHTC 瞬态循环工况（图9）进行测试，测量位置为机油标尺处。

图8 稳态万有特性工况曲轴箱压力曲线图

图9 WHTC 瞬态循环工况曲轴箱压力曲线图

从图8 和图9 的试验结果可得出，曲轴箱压力分布能够控制在设计范围-3～0 kPa 内。同时，发动机的稳态工况和瞬态工况，曲轴箱压力均为负值，有利于发动机的密封，且符合国六排放标准对曲轴箱通风系统的要求。

4.4 曲轴箱通风系统可靠性试验

曲轴箱通风系统的可靠性不仅影响发动机的燃烧稳定性、整机可靠性，同时影响发动机的排放性能和耐久性。目前，改进优化的曲轴箱通风系统已搭载于发动机整机在台架上完成500 h 试验，整个曲轴箱通风系统没有出现失效堵塞现象，曲轴箱通风系统的管路、油气分离器内部等没有明显的乳化物，同时发动机缸盖罩内部的乳化物情况也得到大大改善。

5 结论

在重型甲醇发动机曲轴箱通风系统的开发过程中，不仅要保证重型甲醇发动机和传统燃料（柴油、汽油和天然气等）发动机一样满足严格的国六排放标准和更高的可靠性要求，同时还要关注甲醇燃料本身特性给发动机带来的技术难题。这样，才能开发出满足重型甲醇发动机要求的曲轴箱通风系统。

本文通过对原机的设计不合理之处进行改进优化，结合单项试验，进行效果对比验证，确定技术方案。同时，结合甲醇发动机燃烧产物中水分、甲醛和甲酸多的特点，增加了补气系统。通过曲轴箱通风系统的机械开发专项试验和发动机台架耐久试验，对效果进行了验证。试验结果表明，各项指标基本满足设计要求，比原机有了很大的提升。