国六直喷发动机曲轴箱通风系统设计研究

宫晓娥，于贵芙，张治国

国六直喷发动机曲轴箱通风系统设计研究

宫晓娥，于贵芙，张治国

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

针对机油稀释现象和国六PN排放的要求，文章从曲轴箱通风系统的角度来分析，总结缓解机油稀释现象和满足国六PN排放的曲轴箱通风系统的布置和油气分离器的设计方案。

国六排放；直喷发动机；机油稀释；曲轴箱通风系统；油气分离器

前言

为应对排放法规升级，越来越多的整车厂投放直喷发动机车型上市，伴随而来的是机油稀释问题常见诸报端。一旦发生机油稀释现象，机油的使用性能和运动粘度都会发生变化，严重时还将导致机油压力下降，发动机磨损加大等严重问题。一般通过加速发动机暖机速度，提高机油温度，调整喷油器设计，减少活塞窜气量等方式缓解机油稀释现象，本文主要从合理设计PCV系统的角度来减缓机油稀释问题，同时国六排放法规对整车PN排放也提出了新的要求，在曲轴箱通风系统油气分离设计中需考虑减少机油颗粒携带量来减少PN颗粒排放。

1 机油稀释问题

在发动机工作时，燃烧室内小部分气体经活塞环窜到曲轴箱内，由于直喷机型更容易导致未燃烧的燃油随窜气进入到曲轴箱内，一旦这部分燃油未能及时排出曲轴箱，则会混入发动机机油中导致机油液位升高，即机油稀释问题。机油稀释现象在整车频繁进行低温短程行驶时尤为严重。通过模拟用户多次短程行驶发现，当试验至第5轮时机油尺液位就已从下限升至上限，第15轮时机油尺液位明显超出上限（即机油稀释）。

表1 某车型低温短程行驶机油稀释数据

轮数试验前机油尺液位高度/mm试验前温度/℃试验后温度/℃ 机油环境机油环境 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 曲轴箱通风系统设计

2.1 缩短窜气在曲轴箱内路径长度

在低温环境下冷车状态时，活塞间隙变大，缸内直喷燃油雾化不良存在湿壁问题，未燃燃油不可避免地随窜气进入曲轴箱。合理布置PCV系统油气分离器的位置，缩短缸体下沿与油气分离器取气口的距离，可以减少窜气中燃油混入机油的概率，如图1本田L15B2发动机采用将油气分离器布置在缸体，取气点紧挨缸体缸径下沿，类似设计还有丰田D-4T、D-4ST、马自达创驰蓝天2.0、大众EA211。

图1 L15B2发动机油气分离器

2.2 增加曲轴箱强制通风

由于曲轴箱窜气的存在，曲轴箱内不可避免存在一定的气态燃油颗粒和水蒸气，将新鲜空气引入发动机曲轴箱内可以降低上述气体在曲轴箱内的浓度，一般低负荷工况补充新鲜空气量为活塞漏气量的15%～30%[1]，高负荷工况补气则可采用如图2所示，通过管路连接增压后管路和发动机曲轴箱，将增压后空气强制注入曲轴箱内，注入空气量的多少由串联在管路中的节流管控制。为减少发动机装配零部件数量提高整机零部件集成度，可以将发动机低负荷工况油气分离器、柱塞阀、单向阀和高负荷工况补气管路集成在一个零部件内如图3所示，例如宝马B48发动机即采用此种结构将上述零部件集成在气门室罩进气侧内。

图2 高负荷工况补气管路

在高负荷工况下，补气节流管两端压差会出现接近1 bar的情况，为防止补气量过大而导致整体曲轴箱通风量过高甚至超出油气分离器工作范围，补气管路中的节流尺寸需充分考虑此种情况。

在高负荷工况下，除了将增压后空气注入曲轴箱强制通风的方法外，丰田工程师在D-4ST发动机开发中使用了搭载Ejector机构的PCV系统如图4，在PCV系统的通道上加入Ejector机构，Ejector机构将一部分增压后的气体作为驱动气体旁通导入，其机构内的喷嘴形成高速低压的喷气流，该气流将曲轴箱内气体抽出，此时曲轴箱内形成负压，新鲜空气得以从空滤后管路引入稀释曲轴箱内燃气和水蒸气的浓度，减缓机油稀释等问题产生[2]。

图3 高负荷工况补气零部件集成示意图

图4 Ejector PCV系统示意图

图5 Ejector机构工作原理

3 油气分离器设计

3.1 分离结构选择

国六排放法规的升级，明确要求了发动机排放尾气中PN颗粒的数量。改善油气分离器分离效率可以减少曲轴箱中窜气携带机油量，减少其循环燃烧后产生的PN颗粒。在国六排放法规实施前油气分离器设计标准通常按分离后窜气携带机油量不大于2 g/h进行设计，为减少PN颗粒排放建议将设计标准提高到不大于1 g/h[3]。提高分离效率主要依靠采用更高分离效率的分离结构，分离效率的高低通过不同分离结构所能截留不同直径油滴颗粒百分比进行评估，如图6是按不同结构所能实现分离率50%的最小直径颗粒和分离结构压损绘制而成，目前主流分离结构处于2 μm～4 μm直径颗粒可以50%分离，为提高分离效率则需采用更高分离效率的分离结构，或采用增加分离结构级数的方法来提高分离效率，但分离结构级数的增加会导致分离器尺寸变长，不利于在发动机上布置集成，同时在过长的通道中也会导致窜气中燃油颗粒和水蒸气凝聚成大颗粒被分离出返回曲轴箱，加剧机油稀释。当前分离效率最高的结构是采用过滤材质结构，但由于需要定期更换滤材，增加用车成本，并不适合车主的用车习惯；主动离心结构成本高且需要额外动力，在有其他合适结构满足功能需求下非优先选择；而旋风分离结构由于其分离结构压损大，分离流速要求高，若布置单个旋风分离结构则需要很大的空间，由OLYTEC GROUP开发的替代结构如图7，目前已应用在大众EA211发动机上；国内目前更多的厂家采用了兼具高分离效率和低压损的无纺布分离结构。

图6 不同分离结构分离效率

图7 controlled cyclone separator结构

3.2 油气分离器对窜气流量的匹配

一般来讲，分离结构都是在设计流量下进行设计，但发动机在实际工作过程中怠速工况和额定功率点曲轴箱窜气流量是相差非常大，这就导致如图8中PCV系统使用单一油气分离器无法匹配所有工况的曲轴箱窜气量实现分离效率最优化。针对这一情况采用如图9结构的油气分离器，其通道口被一金属弹性片覆盖，不同窜气量通过时，金属弹性片开口大小不同，以此来调整分离结构局部流速，实现不同流量下窜气通过分离结构流速相近，从而保证分离效率的一致性。同时其窜气通道结构也可不设计成单一通孔，如上文提及的controlled cyclone separator结构。

图8 单一油气分离器曲轴箱通风系统

图9 弹性金属片分离结构

还有一种方法是通过如前文图3所示PCV系统采用双油气分离器结构，针对高低负荷时不同的窜气量分别设计油气分离器。在低负荷工况时，适当补充新鲜空气能提高油气分离器的窜气流速，以此提高低负荷油气分离器的分离效率；在高负荷工况时如果采用补气结构，则存在油气被过度携入进气系统的风险，为防止此问题出现，可以借鉴丰田Ejector PCV系统设置驱动流量控制阀，在高负荷工况控制气体流量。

3.3 油气分离器针对机油稀释的优化

尽管从满足国六法规控制PN颗粒排放的角度应尽可能提高油气分离器的分离效率，但由于窜气中的燃油颗粒和水蒸气被分离结构分离出会返回曲轴箱，因此在油气分离器设计中应在满足整机排放PN基础上适当放宽分离效率，避免窜气中的颗粒分离得过于干净。而当低温时，窜气中的水蒸气和燃油颗粒极易形成更大颗粒被油气分离器捕捉，因此油气分离器采用保温结构可提高油气分离器温度，减轻机油稀释问题。通常在80 ℃以上时，燃油和水分就可以从机油稀释、乳化的混合物中自然挥发，因此将油气分离器分离出的液体回流到一个布置在发动机高温区域的回油池（例如布置在气门室罩的油气分离器其回油点下方在缸盖上设计小的储油池），利用发动机温度加速分离后液体中水分和燃油的挥发，并随曲轴箱气体重新进入曲轴箱通风系统，可有效减缓机油稀释、乳化问题。

4 结论

通过对曲轴箱通风系统和油气分离器的设计研究得出，合理布置油气分离器的位置，缩短曲轴箱内窜气通路的长度，增加全工况曲轴箱强制通风补充新鲜空气，在满足排放法规PN颗粒排放标准前提下降低分离效率减少窜气在分离器内流通时间，提高油气分离器温度并避免分离出液体直接返回曲轴箱油底壳等措施都会减缓机油稀释问题。

[1] 冀晓栋,左云,李佳,等.直喷增压汽油发动机曲轴箱通风系统的研究[J].小型内燃机与车辆技术,2014,43(04):14-17.

[2] 早川直幸,本田光司,西田恒義.新型2.0 L直列4気筒 ESTEC D- 4STエンジン[J].Toyota technical review=トヨタ・テクニカル・レビュー, 2015, 61: 100-105.

[3] 王骏.曲轴箱强制通风系统构成和发展趋势[J].柴油机设计与制造,2012,18(02):1-8.

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

宫晓娥，中级工程师，就职于华晨汽车工程研究院，研究方向为发动机零部件设计。