范皖元，梁程，向曉野

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達(dá)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，安徽 合肥 230601）

某國五柴油機(jī)竄機(jī)油量大問題試驗(yàn)研究

范皖元1，梁程1，向曉野2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達(dá)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過某國五柴油機(jī)出現(xiàn)的竄機(jī)油量大的問題進(jìn)行研究，調(diào)查了柴油機(jī)呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和油氣分離裝置的結(jié)構(gòu)型式，通過分析竄機(jī)油量大問題的原因，針對的進(jìn)行設(shè)計(jì)變更和試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的竄機(jī)油量大的問題，也為后期的呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

柴油機(jī)；呼吸系統(tǒng)；竄油量；活塞漏氣量

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-94-04

前言

隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)功率水平的提升，燃燒室平均有效壓力、最高燃燒壓力和轉(zhuǎn)速日益增高，必然導(dǎo)致曲軸箱竄氣量增加，同時(shí)曲軸的高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)加劇了機(jī)油飛濺，使得油霧濃度大幅增加。這部分油氣經(jīng)過曲軸箱通風(fēng)(PCV)系統(tǒng)的油氣分離器，被吸入進(jìn)氣歧管，最終參與缸內(nèi)燃燒，對柴油機(jī)顆粒排放有很大影響。

某國五柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理采用SCR系統(tǒng)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)本體的顆粒排放開發(fā)在很低的水平，能夠滿足國五階段的法規(guī)要求，故發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中竄出的機(jī)油量需要在很低水平，設(shè)計(jì)指標(biāo)≤1g/h，但在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱竄機(jī)油量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，嚴(yán)重影響了機(jī)油消耗和排放測試，急需解決。

1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)原理

圖1 油氣分離裝置不同的結(jié)構(gòu)型式

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)為了滿足排放法規(guī)要求，均采用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，曲軸箱內(nèi)的油氣混合氣通過管路連接至進(jìn)氣歧管中參與燃燒掉，為了有效的過濾掉油氣混合氣中的機(jī)油，一般設(shè)計(jì)油氣分離器的過濾裝置。

油氣分離裝置有不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和油氣混合氣的特點(diǎn)選擇合適的油氣分離裝置，比如慣性沉淀和隔板分離式適用于分離比較大的油滴；濾芯師和撞擊式適用于比較小的油滴。我們通常根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行選擇合適的油氣分離裝置。

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生油氣混合氣的根本原因在曲軸箱內(nèi)的活塞漏氣量的存在，任何一款發(fā)動(dòng)機(jī)均不可避免的產(chǎn)生活塞漏氣量，缸內(nèi)的廢氣通過活塞環(huán)等結(jié)構(gòu)進(jìn)入曲軸箱中，與其中的油霧混合形成混合氣?；钊饬康拇笮Q定了油氣混合氣的數(shù)量，對于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)盡量降低活塞漏氣量，減少油氣混合氣的數(shù)量，通過合適的曲軸箱油氣分離裝置把廢氣和機(jī)油分離，達(dá)到廢氣進(jìn)氣氣缸，機(jī)油回流至油底殼的目的。

2 試驗(yàn)情況

某國五柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)開發(fā)第二階段發(fā)動(dòng)機(jī)的竄機(jī)油量過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)（≤1g/h），在運(yùn)行額定點(diǎn)工況下，最大竄機(jī)油量超過100g/h，發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣分離裝置未能起作用，機(jī)油消耗超標(biāo)，導(dǎo)致試驗(yàn)無法開。試驗(yàn)測量發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量（Blow-by）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，竄氣中攜帶大量的機(jī)油液滴，超出了油氣分離裝置的使用范圍，導(dǎo)致油氣分離裝置失效。

表1 試驗(yàn)開發(fā)中竄油量結(jié)果

3 故障分析

3.1 故障分析

圖2 竄油量大分析故障樹

根據(jù)對該機(jī)型呼吸系統(tǒng)及涉及的零部件運(yùn)行的過程分析，建立如下故障樹，并分析出排查項(xiàng)目。

針對氣門油封、增壓器、噴油器排查，在試驗(yàn)過程或拆解零件時(shí)，進(jìn)行觀察零部件是否破損，是否異?？煽焖倥懦捎跉忾T油封漏氣，增壓器漏氣、噴油器漏氣所到導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)漏氣量大的原因。因此將重點(diǎn)排查缸孔、活塞、活塞環(huán)及缸蓋護(hù)罩油氣分離器。

3.2 故障排查

3.2.1 缸孔加工一致性排查

A.可能原因：缸孔加工缺陷，缸孔絎磨偏差大。導(dǎo)致與活塞環(huán)匹配不良，造成漏氣。

B.排查方案：根據(jù)二代可靠性試驗(yàn)過程中測量的發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量結(jié)果，二代發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量較一代增加了20%左右，均超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過更換一代試驗(yàn)開發(fā)時(shí)期的缸體，測量漏氣量，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。

C.結(jié)論：通過更換缸體，測量漏氣量數(shù)據(jù)如下圖，根據(jù)圖中活塞漏氣量數(shù)據(jù)基本一致，沒有明顯降低，可以排除缸體加工工藝一致性問題。

圖3 更換缸體漏氣量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3.2.2 活塞及活塞環(huán)排查

A.可能原因：活塞與缸孔配缸間隙大，活塞環(huán)顫振，活塞環(huán)結(jié)構(gòu)等對漏氣量大都有影響。

B.排查方案：優(yōu)化第一道活塞環(huán)為偏桶面環(huán)，選擇偏桶面環(huán)是因?yàn)槠懊姝h(huán)對氣缸表面的適應(yīng)性和對活塞偏擺的適應(yīng)性均較好，有利于密封。

表2 活塞及活塞環(huán)排查方案

C.結(jié)論：驗(yàn)證上述4種方案得出以下結(jié)果：

1）方案1試驗(yàn)結(jié)果最大活塞漏氣量比原機(jī)的漏氣量增加了12L/min，說明活塞漏氣量大并非二環(huán)顫振引起的。

2）方案2、3、4均驗(yàn)證了偏桶面的活塞環(huán)對降低發(fā)動(dòng)機(jī)活塞漏氣量有很大的改善，能夠控制發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)。

3）其中方案3、4表明配缸間隙的優(yōu)化對發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量及竄油量影響較小，但能夠影響發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油耗，間隙越小，機(jī)油耗越好。

圖4 方案一與原機(jī)數(shù)據(jù)對比

綜上所述發(fā)動(dòng)機(jī)活塞漏氣量大的問題主要集中在活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工工藝上。

3.2.3 缸蓋護(hù)罩回油不暢排查

A.可能原因：缸蓋護(hù)罩預(yù)分離壓損過大，重力回油小于氣體壓力。造成回油不暢，預(yù)分離后的機(jī)油積攢在缸蓋護(hù)罩中，被活塞漏氣量帶出，導(dǎo)致竄油量變大。

B.排查方案：如下圖所示，缸蓋護(hù)罩預(yù)分離擋板下有兩個(gè)回油單向閥，油氣分離器下面有一個(gè)回油單向閥，分別如圖標(biāo)示，連接壓力傳感器。三個(gè)單向閥均靠重力回油，當(dāng)單向閥處的機(jī)油重力大于氣體壓差時(shí)，機(jī)油順利回到缸蓋上。模擬竄油量惡化情況，通過機(jī)油尺管向呼吸系統(tǒng)內(nèi)輸入壓縮氣體，從正常漏氣量一直增加到漏氣量為140L/min，漏氣量每增加10L/min做一次機(jī)油消耗試驗(yàn)。驗(yàn)證方案一是增加單向閥高度進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證回油高度帶來的影響；驗(yàn)證方案二是單向閥高度不變，增大檔板孔直徑的缸蓋護(hù)罩，以此來驗(yàn)證減小壓損對竄油量的影響。

圖5 缸蓋護(hù)罩預(yù)分離回油單向閥的壓力布置

C.試驗(yàn)測量后的結(jié)果：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量在90L/min以內(nèi)，竄油量均在設(shè)計(jì)指標(biāo)以內(nèi)（1g/h），當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量超過 100L/min，竄油量急劇增加，油氣分離器分離失效。

圖6 不同漏氣量下的竄油量與單向閥的壓差關(guān)系

2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量在 100L/min，三號單向閥處的壓力差為0.5kpa，二號單向閥處的壓力差為0.3kpa，對應(yīng)回油的機(jī)油高度應(yīng)在60mm和36mm，而目前量產(chǎn)狀態(tài)的預(yù)分離單向閥的深度不足，導(dǎo)致儲(chǔ)油深度不足，壓力小于氣壓差，單向閥不回油，機(jī)油被帶出。

3）缸蓋護(hù)罩預(yù)分離擋板的孔徑增大后，預(yù)分離的過濾效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞竄油量超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，此方案不能滿足要求。

綜上所述，缸蓋護(hù)罩回油單向閥高度不夠，回油不暢是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)竄機(jī)油量大原因之一。

4 優(yōu)化驗(yàn)證

4.1 概述

經(jīng)過上述各項(xiàng)排查，可以確定導(dǎo)致故障的原因有以下兩點(diǎn)：1）活塞環(huán)結(jié)構(gòu)不合理造成漏氣量大導(dǎo)致竄機(jī)油量大；2）缸蓋護(hù)罩回油單向閥高度不夠，造成回油不暢導(dǎo)致竄機(jī)油量大。

4.2 優(yōu)化方案

4.2.1 優(yōu)化活塞環(huán)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述驗(yàn)證驗(yàn)證方案，偏桶面活塞環(huán)較現(xiàn)狀態(tài)能夠更有效的降低發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞漏氣量，試驗(yàn)測得的最大漏氣量能夠控制在 66L/min，可以滿足設(shè)計(jì)要求。最終優(yōu)化方案是將第一道氣環(huán)優(yōu)化為偏桶面環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)最終呼吸系統(tǒng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，竄油量滿足漏氣量惡化150%情況下的要求。

表3 優(yōu)化后模擬漏氣量惡化機(jī)油耗數(shù)據(jù)

裝配最終方案的樣件在可靠性試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，漏氣量均在設(shè)計(jì)指標(biāo)以內(nèi)。

表4 優(yōu)化后耐久試驗(yàn)漏氣量數(shù)據(jù)

4.2.2 優(yōu)化缸蓋護(hù)罩預(yù)分離效果的設(shè)計(jì)方案

針對回油不暢問題，增加回油單向閥的儲(chǔ)油深度。設(shè)計(jì)在不改變缸蓋護(hù)罩預(yù)分離擋板的基礎(chǔ)上增加了回油單向閥處的儲(chǔ)油深度，消除回油不暢風(fēng)險(xiǎn)，如圖7。

圖7 缸蓋護(hù)罩預(yù)分離回油槽加深圖

優(yōu)化后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：在發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量110L/min時(shí)，缸蓋護(hù)罩回油單向閥的壓力差在0.5kpa和0.3kpa左右（如下圖），但發(fā)動(dòng)機(jī)的竄油量滿足設(shè)計(jì)要求，在1g/h以內(nèi)，整改有效。

圖8 竄油量試驗(yàn)過程中單向閥壓差變化

5 結(jié)論

本文通過在實(shí)際工作中遇到的竄油量大問題，經(jīng)過搜集故障現(xiàn)象，分析故障原因，得出竄機(jī)油量大的兩個(gè)原因，一是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的漏氣量大，進(jìn)而造成竄機(jī)油量大；二是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋護(hù)罩單向重力回油閥高度不夠，預(yù)分離壓損過大，導(dǎo)致的回油不暢，分離效率低，而造成的竄機(jī)油量大。通過優(yōu)化改進(jìn)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)及缸蓋護(hù)罩回油單向閥的高度，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)竄機(jī)油量大問題。這不僅提升呼吸系統(tǒng)性能，還為日后呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.人民交通出版社,2012.

[2] 黃海燕.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)學(xué)教程.清華大學(xué)出版社,2014.

[3] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社第三版,2011.

[4] GB/T 18297-2001汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法.

[5] GB/T 19055-2003 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法.

[6] QC/T 812-2009 柴油機(jī)曲軸箱油氣分離器技術(shù)條件和試驗(yàn)方法.

The Experimental Study On High Oil Consumption of A Diesel Engine Blow-By

Wanyuan Fan1, Cheng Liang1, Xiaoye Xiang2
（1.Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei, 230601;2.Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

In this paper, Through the study of high oil consumption of a diesel engine Blow-By, The structure of the diesel engine's breathing system and the oil separator are investigated. So, The design changes and test verification based on the reason of problem analysis, not only solve high oil consumption of a diesel engine Blow-By, but also provide reference for the design of breathing system.

Diesel engine; Respiratory system; Amount of oil; Piston leakage

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-94-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.033

范皖元，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。