沙賓賓,趙世來,孫秀毅
(華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處,遼寧 沈陽 110141)
由于在發(fā)動機運行時,燃燒室并非一個完全密封的空間,其內(nèi)部的高壓混合氣會通過各密封位置向外泄露;其中通過活塞與氣缸套之間的間隙泄露的混合氣體進入曲軸箱內(nèi),混合氣體包括未燃的燃油氣、水蒸氣和廢氣等等,這些氣體會導(dǎo)致機油稀釋,進而降低機油的使用性能。混合氣體中的腐蝕性物質(zhì)隨著潤滑油進入潤滑系統(tǒng)中,會加速發(fā)動機各零部件的腐蝕和磨損;混合氣還會造成曲軸箱內(nèi)壓力過高而破壞曲軸箱的密封。為了解決以上問題,發(fā)動機設(shè)計過程中針對此問題設(shè)計了曲軸箱通風(fēng)結(jié)構(gòu)來防止發(fā)動機潤滑油稀釋、曲軸箱壓力過高,延緩各個零部件的磨損,泄露的廢氣進入大氣也會污染環(huán)境。
目前汽車行業(yè)中曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰故障一直在汽車冬季試驗中受到極大的關(guān)注,今后對其曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的要求也越來越嚴格。為了解決此問題,汽車發(fā)動機研發(fā)就需要不斷地開發(fā)新技術(shù),并且優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品來滿足現(xiàn)狀的要求。對于發(fā)動機來說,缸內(nèi)直噴技術(shù)、增壓技術(shù)逐漸成為主流后,缸內(nèi)燃燒溫度不斷增加,爆發(fā)壓力不斷增加,發(fā)動機的活塞竄氣量不斷增加,缸內(nèi)燃燒廢其增加導(dǎo)致的水蒸氣增加等因素,迫切的需要對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進行改進設(shè)計,以提高發(fā)動機的寒區(qū)適應(yīng)性。這里詳細的介紹一款發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的方案。
為了降低發(fā)動機工作過程中的機油消耗量,平衡發(fā)動機內(nèi)部各系統(tǒng)間的壓力,所以發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案也發(fā)生了巨大變化。某款發(fā)動機的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)由于受整車發(fā)動機艙空間的限制,為了滿足發(fā)動機整體的布置要求,將曲軸箱各個結(jié)構(gòu)分散于發(fā)動機不同位置,通過采用較長的發(fā)動機外部管路結(jié)構(gòu)連接曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各個結(jié)構(gòu),達到滿足整個系統(tǒng)運行的需要;但由于連接管路過長,導(dǎo)致在極寒的惡劣條件下,外部管路出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)某處結(jié)構(gòu)流通面積減小甚至堵塞,整個曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的風(fēng)險較大。
曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能原理如圖1、圖2所示,由于隨著發(fā)動機工作過程中負荷的變化,曲軸箱壓力也隨之進行變化,導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路內(nèi)部存在冷暖交替的氣流,油氣分離后的剩余的水蒸氣在遇到外部惡劣的極寒條件下冷凝后結(jié)冰,導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)某處結(jié)構(gòu)流通面積減小甚至堵塞,最終導(dǎo)致曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效。
圖1 曲軸箱負壓時氣體流動示意圖
圖2 曲軸箱正壓時氣體流動示意圖
針對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問題,某款發(fā)動機針對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計進行優(yōu)化,其優(yōu)化方案主要從熱傳導(dǎo)方面對曲軸箱結(jié)冰位置的工作環(huán)境進行合理改善。引起曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰的原理主要是由于冷空氣的進入和發(fā)動機工作環(huán)境處于極寒的低溫狀態(tài),在保持發(fā)動機原有結(jié)構(gòu)、機構(gòu)不更改的前提下,將發(fā)動機產(chǎn)生的熱量加以利用,引入到發(fā)動機需要的結(jié)構(gòu)位置,對遭受低溫侵害的零部件進行加熱和保溫。對其他不受低溫影響或者涉及的零部件盡量維持原始設(shè)計方案。
某款發(fā)動機已經(jīng)通過多次試驗并進行證實,發(fā)動機在工作過程中,發(fā)動機節(jié)氣門體預(yù)熱管路內(nèi)部的冷卻液溫度在80℃ ~100℃之間,此溫度可以用于改善曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問題,故本方案通過調(diào)整局部冷卻水管路的布置方案,在不影響發(fā)動機整體冷卻系統(tǒng)工作的前提下,采取引用節(jié)氣門體預(yù)熱管路內(nèi)的冷卻液對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路進行加熱的方法,此方案實現(xiàn)了對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路內(nèi)的氣體進行加熱的目的,達到了降低管路內(nèi)水蒸氣冷凝及附著在管壁的冷凝水結(jié)冰的風(fēng)險效果。改善前的管路布置如圖3所示,改善后的管路示意圖如圖4所示。圖中黃色管路代表曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路,藍色管路代表發(fā)動機冷卻液流通管路。
圖3 改善前管路布置圖
圖4 改善后管路布置圖
某款發(fā)動機已經(jīng)通過多次試驗并進行證實,依靠發(fā)動機節(jié)氣門提預(yù)熱管路的冷卻液對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路進行加熱可有效改善曲軸箱結(jié)冰問題,但曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路局部位置仍存在結(jié)冰的風(fēng)險,因此需要進一步優(yōu)化方案,通過驗證,在曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路仍然存在結(jié)冰風(fēng)險的局部位置增加一些管路的保溫護套結(jié)構(gòu),將這些位置結(jié)構(gòu)與外部極寒的工作環(huán)境進行一定程度上的隔離,減少這個結(jié)構(gòu)的溫度損失,進而達到降低這些局部位置結(jié)冰風(fēng)險的目的。圖4中灰色結(jié)構(gòu)為保溫護套的示意。
由于整個曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性,邊界條件過于復(fù)雜無法進行設(shè)定,所以現(xiàn)今汽車行業(yè)暫時無法針對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問題進行仿真分析。
為了對改善后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問題結(jié)果進行試驗驗證,對兩臺新車進行了對比試驗,其中一臺試驗新車的發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)按本文提到的管路加熱和管路保溫方案進行了改裝,另外一臺新車發(fā)動機折采用現(xiàn)有的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。為了可以得到溫度的實時變化情況,分別在兩臺試驗車發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路各自相同的位置布置了溫度傳感器A2~A6。試驗地點設(shè)置在海拉爾極寒條件地區(qū)下進行,試驗環(huán)境溫度為-37.5 ℃,兩輛試驗車在相同負載相同工況下進行驗證試驗。測得曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各個位置溫度數(shù)據(jù)如下兩圖,原方案數(shù)據(jù)如圖 6所示,改進方案數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖5 原車方案管路溫度曲線
圖6 優(yōu)化方案管路溫度曲線
從溫度采集數(shù)據(jù)上可以明顯看出,原曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路內(nèi)溫度長時間處于 0℃以下,進行優(yōu)化設(shè)計后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路內(nèi)溫度基本都處于 0℃以上,達到了解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)冰問題的目的,成功解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的故障。
發(fā)動機曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)能很好的改善發(fā)動機運行狀況,但曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問題也是在極寒地區(qū)時常發(fā)生的問題,是對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的一個挑戰(zhàn),本文通過管路加熱和管路保溫兩個措施,并在驗證的過程中反復(fù)進行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)問題,及時分析,及時解決,及時驗證,直到成功的解決了此結(jié)冰問題。以上是對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計,改善了一款發(fā)動機的故障。
參考文獻
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