許亞軍

（美嘉帕拉斯特汽車零部件（上海）有限公司 201202)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸罩蓋的開(kāi)發(fā)

許亞軍

（美嘉帕拉斯特汽車零部件（上海）有限公司 201202)

本文主要是介紹一款新的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸罩蓋的開(kāi)發(fā)，相比目前市場(chǎng)上正在使用的凸輪軸罩蓋，此罩蓋有更高的油氣分離效率，更低的機(jī)油消耗量，更穩(wěn)定可靠的曲軸箱壓力調(diào)節(jié)，更及時(shí)的回機(jī)油到油底殼等特點(diǎn)。

柴油機(jī)；塑料凸輪軸罩蓋；油氣分離

0 引言

隨著國(guó)六對(duì)內(nèi)燃機(jī)排放有著苛刻的要求，主機(jī)廠對(duì)新發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，更高的功率、扭矩性能，更經(jīng)濟(jì)的燃油性，更低的機(jī)油消耗量，更穩(wěn)定可靠的曲軸箱壓力調(diào)節(jié)，良好的整機(jī)振動(dòng)表現(xiàn)等。

1 概述

此凸輪軸罩蓋從2016年5月開(kāi)始正式立項(xiàng)開(kāi)發(fā)，采用正向全新設(shè)計(jì)，高度集成凸輪軸罩蓋的各個(gè)組件，滿足客戶各種功能指標(biāo)的要求。歷經(jīng)方案設(shè)計(jì)，產(chǎn)品三維數(shù)模實(shí)現(xiàn)，二維圖紙的定稿，軟模階段的零部件級(jí)別、整機(jī)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，硬模階段的零部件、整車的產(chǎn)品生產(chǎn)驗(yàn)證，最終很好的滿足了客戶的要求。

凸輪軸罩蓋最重要的功能是分離竄氣中的機(jī)油回油底殼，達(dá)到機(jī)油的循環(huán)利用，降低排放的目的。其中竄氣是來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒后的氣體從活塞環(huán)與缸體之間的間隙竄出，和增壓器參與工作前后的竄氣，流入曲軸箱，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很快，竄氣會(huì)在曲軸箱里集聚，這樣會(huì)造成曲軸箱壓力上升，對(duì)曲軸的徑向密封帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，所以要把曲軸箱里的竄氣及時(shí)地通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體里的通道導(dǎo)入到凸輪軸罩蓋上的進(jìn)氣口。竄氣從進(jìn)氣口進(jìn)入，然后經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的粗分離裝置，大顆粒的機(jī)油會(huì)被擋板分離流向回油孔，細(xì)小顆粒的油氣隨后會(huì)進(jìn)入精分離裝置，此精分離裝置集成有螺旋分離機(jī)構(gòu)，無(wú)紡布，可控制截面開(kāi)度的旁通閥。此精分離裝置可以滿足流量從0～120 L/min的分離效率。小顆粒的機(jī)油經(jīng)過(guò)精分離裝置分離以后，形成大顆粒機(jī)油，然后流入油底殼。分離后的竄氣最終流入進(jìn)氣系統(tǒng)干凈側(cè)。

2 凸輪軸罩蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

下面介紹一下凸輪軸罩蓋的各個(gè)功能組件的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。凸輪軸罩蓋的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 凸輪軸罩蓋結(jié)構(gòu)圖

圖2 凸輪軸罩蓋結(jié)構(gòu)

主要的性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 凸輪軸性能指標(biāo)

來(lái)自于曲軸箱的竄氣經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體里的通道上升到缸蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋組成的封閉腔體，然后進(jìn)入罩蓋的竄氣入口。竄氣入口設(shè)計(jì)時(shí)要竭力避免位于凸輪軸的正上方，否則給凸輪軸潤(rùn)滑的機(jī)油會(huì)被高速運(yùn)轉(zhuǎn)的凸輪軸甩入竄氣入口，這樣會(huì)導(dǎo)致竄氣初始機(jī)油攜帶量過(guò)大，不利于油氣分離效率提升。竄氣入口的截面面積不能太小，截面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致竄氣流速過(guò)高，油氣不易分離，結(jié)合仿真計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證，竄氣入口的截面面積要大于480 mm2，這樣能保證竄氣有較高的流速，但又不至于特別高，有利于大顆粒的機(jī)油油滴在粗分離結(jié)構(gòu)中被分離出來(lái)。粗分離結(jié)構(gòu)是有兩個(gè)擋板組成，兩個(gè)擋板之間的面積，以及每個(gè)擋板處的有效流通截面面積最好一致，截面面積都大于480 mm2，這樣是為了避免流通截面有突變導(dǎo)致的流速變化。經(jīng)過(guò)粗分離擋板的撞擊以后，大顆粒的機(jī)油油滴會(huì)沿著擋板流進(jìn)回油孔。

分離后的竄氣會(huì)進(jìn)入下游的精分離機(jī)構(gòu)，精分離機(jī)構(gòu)承擔(dān)了主要的油氣分離功能，此精分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜并且巧妙，它能實(shí)現(xiàn)竄氣流量從0～120 L/min比較寬流量范圍內(nèi)的分離效率，當(dāng)流量大于120 L/min時(shí)，彈簧完全被壓縮，此時(shí)旁通閥完全開(kāi)啟，竄氣會(huì)被旁通。此精分離機(jī)構(gòu)如圖3所示。

精分離機(jī)構(gòu)工作原理如下，當(dāng)竄氣流量小于120 L/min時(shí)旁通閥與分離結(jié)構(gòu)本體之間有三處凸起，竄氣會(huì)在這三處有泄漏，目的是降低壓力損失，使機(jī)油能夠在怠速，以及75%負(fù)荷以下能及時(shí)回油。當(dāng)竄氣流量大于120 L/min時(shí)，旁通閥完全開(kāi)啟，此時(shí)螺旋分離結(jié)構(gòu)將會(huì)被旁通，竄氣絕大部分會(huì)經(jīng)過(guò)旁通閥流出。當(dāng)竄氣流量又小于120 L/min時(shí)，旁通閥會(huì)關(guān)閉，此時(shí)螺旋分離結(jié)構(gòu)又開(kāi)始工作。這樣小巧的螺旋分離結(jié)構(gòu)能夠保證寬流量的分離效率，主要的原因是此精分離機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)無(wú)紡布，其中一個(gè)無(wú)紡布分布于精分離機(jī)構(gòu)周圍，另外一個(gè)無(wú)紡布位于旁通閥一側(cè)，當(dāng)竄氣被分離時(shí)，小顆粒機(jī)油會(huì)被螺旋分離結(jié)構(gòu)甩到側(cè)壁上，此時(shí)側(cè)壁上的無(wú)紡布會(huì)捕獲機(jī)油顆粒，隨著無(wú)紡布上的機(jī)油越積越多，大顆粒的油滴會(huì)從無(wú)紡布上流下，最終流入回油管。當(dāng)竄氣流量大于120 L/min,精分離機(jī)構(gòu)的前后壓差大于1.8 kPa時(shí)，旁通閥會(huì)開(kāi)啟，隨后大流量的竄氣會(huì)把附著在側(cè)壁無(wú)紡布上的機(jī)油吹走。當(dāng)精分離機(jī)構(gòu)的前后壓差小于1.8 kPa時(shí)，旁通閥會(huì)關(guān)閉。精分離結(jié)構(gòu)的壓力損失與竄氣流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。無(wú)紡布的幾何尺寸都是經(jīng)過(guò)激光切割的，一方面是為了保證精確的幾何尺寸，另外是為了滿足高的清潔度要求，因?yàn)椴捎眉す獠眉魺o(wú)紡布能很好的避免碎屑的產(chǎn)生[1]。

圖3 精分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖4 精分離結(jié)構(gòu)的壓力損失與竄氣流量對(duì)應(yīng)關(guān)系

精分離過(guò)的機(jī)油會(huì)流進(jìn)回油管，回油管是一個(gè)垂直高度為45 mm，集成有單向閥的長(zhǎng)筒狀結(jié)構(gòu)，主要功能是收集機(jī)油，并把機(jī)油導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體里的回油通道，最終流回油底殼，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)油的循環(huán)利用，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)竄氣的閉式循環(huán)，降低了排放，從而達(dá)到滿足國(guó)六的排放要求。

單向閥是一個(gè)直徑為8 mm的塑料球，材料為PA6+GF30，與回油管的閥座配合，起到在怠速或發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷時(shí)，能夠防止竄氣直接從回油管流入凸輪軸罩蓋，而不經(jīng)過(guò)罩蓋的竄氣入口，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間越長(zhǎng)，回油管里的機(jī)油越高，當(dāng)精分離前后的壓差ΔP不足以支撐回油管里的機(jī)油高度h，回油閥將會(huì)開(kāi)啟，然后機(jī)油會(huì)流回油底殼，最后回油閥將會(huì)在精分離前后的壓差作用下重新上移密封回油閥座。經(jīng)精分離機(jī)構(gòu)分離以后的氣體會(huì)流入進(jìn)氣系統(tǒng)，與新鮮空氣混合，最后進(jìn)入氣缸燃燒，從而實(shí)現(xiàn)竄氣的閉式循環(huán)，不會(huì)排放到大氣[2]。

在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，曲軸箱里的壓力是波動(dòng)的，并且波動(dòng)范圍比較大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷比較低，轉(zhuǎn)速比較高時(shí)，曲軸箱里的竄氣真空度比較高，這樣新鮮空氣會(huì)被強(qiáng)行抽進(jìn)曲軸箱，不利于新鮮空氣的利用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷比較大，轉(zhuǎn)速比較低時(shí)，曲軸箱里的竄氣真空度比較小，有時(shí)為正壓，這樣會(huì)對(duì)曲軸的徑向密封帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，為了穩(wěn)定曲軸箱壓力，凸輪軸罩蓋集成有曲軸箱壓力調(diào)節(jié)閥，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同工況，壓力調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)曲軸箱壓力在-4～0 kPa之間，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行非常有利。

下面介紹壓力調(diào)節(jié)閥，如圖5所示。調(diào)壓閥蓋板上有一個(gè)通大氣的孔，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的變化，曲軸箱里的壓力會(huì)變化，通常曲軸箱里的壓力相對(duì)大氣壓是負(fù)壓，大氣會(huì)作用于膜片，推動(dòng)彈簧往下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)曲軸箱壓力真空度比較大時(shí)，彈簧會(huì)被極具壓縮膜片，把罩蓋本體上的出氣口給封住，此時(shí)彈簧已經(jīng)被壓縮到極限狀態(tài)，曲軸箱里的壓力不能再低了，發(fā)動(dòng)機(jī)工作很短時(shí)間，竄氣會(huì)在曲軸箱里聚集，這樣曲軸箱里的壓力又會(huì)上升，彈簧將上升，如此往復(fù)彈簧將會(huì)隨著不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況上下移動(dòng)，快速響應(yīng)。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，膜片和彈簧要經(jīng)過(guò)非常苛刻的疲勞試驗(yàn)，要完成3 500萬(wàn)次的循環(huán)，膜片不能損壞，彈簧不能失效。

除了完成上面主要的功能設(shè)計(jì)以外，還要保證凸輪軸罩蓋與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的密封性，缸蓋密封圈的設(shè)計(jì)。螺栓位置以及數(shù)量的計(jì)算尤其重要，在前期設(shè)計(jì)階段，引入強(qiáng)大的仿真計(jì)算軟件，充分考慮到密封圈材料FKM的老化特性，經(jīng)過(guò)幾輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的密封圈的高度和寬度，凸輪軸罩蓋法蘭面上密封槽的寬度和深度，達(dá)到最佳的密封效果。然后在經(jīng)過(guò)凸輪軸罩蓋零部件級(jí)別的產(chǎn)品和工藝生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，以及主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)整車級(jí)別的耐久測(cè)試，最終才能保證產(chǎn)品生產(chǎn)和交付。

除了與缸蓋的密封以外，還有凸輪軸罩蓋與噴油器的密封，此處的密封比較特殊，受制于噴油器的空間布置，此密封圈在軸向不受力，只能采取徑向密封的方式，密封圈既要保證與噴油器的密封，又要保證與罩蓋的鏈接牢靠，我們?cè)O(shè)計(jì)的密封圈骨架是不銹鋼圈，采用雙色注塑外面包FKM的橡膠材料，這樣能達(dá)到很好的密封性和強(qiáng)度，最終徑向密封圈在工廠生產(chǎn)線上通過(guò)壓裝設(shè)備壓入凸輪軸罩蓋，實(shí)現(xiàn)與罩蓋本體的牢固連接。

在完成以上凸輪軸罩蓋主要功能的設(shè)計(jì)以外，還要考慮罩蓋的NVH性能以及輕量化設(shè)計(jì)，為了提高NVH性能，尤其要提高平面模態(tài)，降低罩蓋的輻射噪聲，所以在前期設(shè)計(jì)時(shí)，除了主要的安裝固定面外，幾乎所有的面都要曲面化。經(jīng)過(guò)前期的優(yōu)化設(shè)計(jì)，軟/硬模階段的產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證，以及整車級(jí)別的試驗(yàn)驗(yàn)證，凸輪軸罩蓋很好的滿足了NVH的要求。

圖5壓力調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)束語(yǔ)

此凸輪軸罩蓋的開(kāi)發(fā)很好的滿足了客戶的技術(shù)和交樣要求，同時(shí)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)柴油雙渦輪增加發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋開(kāi)發(fā)的空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。在油氣分離效率，燃油消耗量已經(jīng)領(lǐng)先國(guó)際上知名的主機(jī)廠，很好的滿足了國(guó)六排放的要求。

[1]馬天源,李發(fā)宗,鄧艷寧,胡如夫.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸疲勞斷裂研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013(01):140-142+145.

[2]柳國(guó)立,劉正勇,韓俊楠,張蒙,吳貴榮.現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2014(12):17-22.

U464.9文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

許亞軍（1984—），男，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保輕量化。