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）

前言

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。

1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理

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

2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

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。

2.1 管路加熱

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

2.2 管路保溫

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。

3 模擬結(jié)果與分析

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。

4 試驗驗證

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。

5 結(jié)論

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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