張琳，韓松，李騰騰，王傳琪，付鐵強，張晴，鄒林

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

日益嚴峻的石油能源危機和環(huán)境污染對傳統(tǒng)內燃機產業(yè)提出了更加嚴格的要求，采用新型能源滿足內燃機性能和排放需求是改善能源和環(huán)境形勢的必由之路。天然氣由于具有在世界范圍內儲量高，價格低廉，且燃燒清凈性好等優(yōu)勢，是替代傳統(tǒng)化石燃料的最優(yōu)選擇[1]。壓縮天然氣(CNG)作為代用燃料被廣泛應用在汽車，特別是商用汽車上[2]。對于重型車用發(fā)動機而言，天然氣被認為將成為用量僅次于柴油的重要燃料來源[3]。

近年來，我國的重型車排放法規(guī)快速更新，目前已經(jīng)發(fā)布了第六階段排放標準，即GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》。相比于國五排放標準，國六標準中對重型車用發(fā)動機的測試方法要求更加嚴格，污染物限值大幅加嚴[4]。根據(jù)已有研究，柴油機為了滿足國六標準中對氮氧化物(NOx)、顆粒物質量(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)等污染物的要求，需配備復雜的后處理系統(tǒng)，包括氧化催化器(DOC)、顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)和氨捕集器(ASC)，技術難度和研發(fā)制造成本大大增加[5]。而相關研究表明，當量空燃比天然氣發(fā)動機只需要通過優(yōu)化空燃比控制并安裝三效催化轉化器(TWC)即能夠實現(xiàn)NOx和顆粒物的超低排放，具有較好的應用前景[6]。

相比于國五標準，國六標準除了對天然氣發(fā)動機的污染物排放限值加嚴之外，還要求整個測試循環(huán)(WHTC)過程中的曲軸箱壓力都不高于大氣壓力，即相對壓力為負值。由于國五階段要求曲軸箱壓力測試為穩(wěn)態(tài)工況，采用閉式曲軸箱強制通風系統(tǒng)很容易達標。國六階段要求瞬態(tài)工況下曲軸箱壓力保持負值，對于曲軸箱通風系統(tǒng)的設計提出了挑戰(zhàn)，目前相關的研究成果很少。

本研究基于一臺裝配有閉式曲軸箱通風系統(tǒng)的當量空燃比天然氣發(fā)動機，通過改變進氣空調供氣壓力和全流稀釋通道(CVS)的總流量，研究了全流發(fā)動機排放測試臺架相關設備的工作狀態(tài)對發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況下曲軸箱壓力的影響。在此基礎上，運行了瞬態(tài)排放測試循環(huán)(WHTC)，基于法規(guī)研究了當量空燃比天然氣發(fā)動機的曲軸箱壓力特性，并分析了典型曲軸箱通風系統(tǒng)的特點，提出了曲軸箱通風系統(tǒng)優(yōu)化方案。

1 試驗裝置和試驗方法

試驗基于一臺當量空燃比天然氣發(fā)動機和全流(CVS)發(fā)動機排放測試臺架進行。全流試驗設備布局見圖1。測試系統(tǒng)主要包括四部分：電力測功機、進氣空調系統(tǒng)、CVS稀釋系統(tǒng)、采集及控制系統(tǒng)。通過AVL電力測功機使發(fā)動機按照穩(wěn)態(tài)或者WHTC瞬態(tài)工況運行，進氣空調提供特定溫度和濕度的發(fā)動機燃燒空氣，CVS稀釋系統(tǒng)收集并稀釋發(fā)動機尾氣，采集系統(tǒng)測量發(fā)動機運行過程中的曲軸箱壓力。測試過程中，曲軸箱壓力測點為發(fā)動機缸蓋罩殼上的機油加注口。使用工業(yè)級的相對壓力傳感器測量曲軸箱壓力，傳感器測量范圍-10～10 kPa，測量精度±20 Pa，采樣頻率10 Hz。

圖1 全流試驗設備布局

發(fā)動機相關參數(shù)如表1所示。本次選取的發(fā)動機裝配了閉式曲軸箱強制通風系統(tǒng)，采用被動式油氣分離器。曲軸箱通風系統(tǒng)結構見圖2。發(fā)動機工作過程中，曲軸箱排氣流經(jīng)油氣分離器，分離出的潤滑油流回油底殼，剩下的曲軸箱排氣進入空濾后端進氣管路，經(jīng)過增壓器增壓后進入氣缸參與燃燒。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

圖2 閉式曲軸箱通風系統(tǒng)示意

2 試驗結果及分析

2.1 CVS流量和進氣空調壓力對曲軸箱壓力的影響

在排放測試過程中需要開啟CVS系統(tǒng)和進氣空調，而這兩個系統(tǒng)可能會影響發(fā)動機進排氣系統(tǒng)工作狀態(tài)，進而影響曲軸箱壓力的測量。為了評價CVS系統(tǒng)和進氣空調工作狀態(tài)對曲軸箱壓力測量的影響，選取了4個發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況，分別設定CVS系統(tǒng)的不同流量和進氣空調的不同供氣壓力，并測量各工作狀態(tài)下的曲軸箱壓力。發(fā)動機工況和設備參數(shù)設定如表2。

表2 發(fā)動機工況和設備參數(shù)

在關閉進氣空調的情況下，調整CVS系統(tǒng)流量和發(fā)動機運行工況，測得的曲軸箱壓力見圖3。對于同一個CVS流量，隨著發(fā)動機運行負荷的增大，曲軸箱的負壓增大。這是因為隨著發(fā)動機運行負荷的增大，進氣量增大，渦輪增壓器進氣入口的負壓提高，對曲軸箱的吸力相應增強。而對于任何一種發(fā)動機工況，當調整CVS流量時，曲軸箱壓力最大差值為0.02 kPa，并沒有明顯變化。這是因為雖然不同的CVS流量會造成排氣背壓的變化，但此變化不會影響到曲軸箱通風系統(tǒng)。因此在檢測曲軸箱壓力時，可以正常開啟CVS系統(tǒng)。

圖3 不同CVS流量下的曲軸箱壓力

在保持CVS流量不變的情況下，調整進氣空調供氣壓力和發(fā)動機運行工況，測得的曲軸箱壓力見圖4。對于同一個進氣空調供氣壓力，隨著發(fā)動機運行負荷的增大，曲軸箱的負壓增大。對于同一發(fā)動機工況，隨著進氣空調供氣壓力的升高，曲軸箱壓力相應升高，且供氣壓力對中小負荷時的曲軸箱壓力影響更加顯著。因為對于試驗機型，曲軸箱排氣流動的動力源為曲柄連桿機構的掃氣動作和空濾后進氣管路的壓力，改變進氣空調的供氣壓力會相應改變發(fā)動機進氣管路壓力，進而影響曲軸箱壓力。曲軸箱壓力與進氣空調的供氣壓力和進氣壓力具有正相關性。

圖4 不同進氣空調供氣壓力下的曲軸箱壓力

由于影響曲軸箱壓力的因素并不單一，雖然進氣壓力與曲軸箱壓力正相關，但是在試驗過程曲軸箱壓力的變化并不完全等于進氣壓力的變化。如圖5所示，當固定進氣空調的供氣壓力(104.0 kPa)不變時，改變發(fā)動機工況，發(fā)動機進氣壓力和曲軸箱壓力相應改變，但二者并不相同。雖然發(fā)動機負荷增大后進氣負壓更大，對曲軸箱排氣的抽吸作用更強，但是更大的曲軸箱排氣量削弱了進氣負壓的作用，而且由于曲軸箱內的迷宮設計增加了曲軸箱通風阻尼，導致曲軸箱壓力的變化程度隨著發(fā)動機負荷的變化被削弱。因此，在開啟進氣空調的情況下，并不能簡單地利用進氣壓力對測量的曲軸箱壓力進行修正。為了更加貼合整車的狀態(tài)，在檢測曲軸箱壓力時，為了避免引入誤差，應關閉進氣空調，或者使用開式進氣空調系統(tǒng)，以消除進氣空調對發(fā)動機進氣管路壓力的影響。

圖5 不同工況下的進氣壓力和曲軸箱壓力

2.2 運行WHTC時曲軸箱壓力變化規(guī)律

在關閉進氣空調的情況下，運行了國六標準中要求的冷熱態(tài)WHTC循環(huán)(詳細工況參見文獻[7])，并測量了循環(huán)過程中的曲軸箱壓力。瞬態(tài)曲軸箱壓力變化見圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)，運行WHTC時曲軸箱壓力存在以下特點：在循環(huán)的前900 s，冷態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力變化范圍要大于熱態(tài)循環(huán)；在循環(huán)的后900 s，冷、熱態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力變化基本一致；試驗樣機在大部分工況下的曲軸箱壓力低于大氣壓，最大負壓可達-2.5 kPa，而起動、停機以及部分工況點下，曲軸箱壓力會超過大氣壓力；將1 800 s的曲軸箱壓力算數(shù)平均值作為循環(huán)的平均曲軸箱壓力，冷、熱態(tài)循環(huán)的平均曲軸箱壓力分別為-0.35 kPa和-0.42 kPa。冷態(tài)時發(fā)動機曲軸箱負壓水平要略低于熱態(tài)，且冷態(tài)循環(huán)的曲軸箱壓力超過大氣壓力的點要多于熱態(tài)循環(huán)。

圖6 WHTC循環(huán)過程中的曲軸箱壓力

圖7示出進行冷、熱態(tài)循環(huán)時，潤滑油溫度和進氣壓力的變化。前1 000 s，冷、熱態(tài)循環(huán)的發(fā)動機潤滑油溫度差別很大。不同的活塞環(huán)密封狀態(tài)、不同潤滑油溫度造成的不同密封程度和機油蒸氣量直接導致了冷、熱態(tài)循環(huán)時曲軸箱排氣量的不同。試驗樣機的曲軸箱負壓主要來源于進氣負壓。在循環(huán)過程中，瞬態(tài)工況中節(jié)氣門的急劇變化導致增壓器進氣量急劇變化，從而在進氣管路產生一定的氣波壓力，不能為曲軸箱通風系統(tǒng)提供穩(wěn)定的負壓，導致循環(huán)過程中的部分工況點不能滿足法規(guī)要求。而在起動和停機過程中，進氣壓力幾乎為0，無法產生抽吸作用，導致這兩個過程的曲軸箱壓力也不能滿足法規(guī)要求。

圖7 WHTC循環(huán)過程的進氣壓力和機油溫度

2.3 曲軸箱通風系統(tǒng)優(yōu)化分析與設計

針對以上曲軸箱壓力存在的問題，分析了可行的曲軸箱通風系統(tǒng)優(yōu)化方案。首先需要增加穩(wěn)定的負壓源，以改善進氣壓力不穩(wěn)定導致的曲軸箱壓力不穩(wěn)定。針對怠速工況和進氣壓力波動較大的工況，可以采用主動式油氣分離器[8-9]，通過潤滑油或者壓縮空氣驅動主動式油氣分離器，不但可以獲取較高的油氣分離效率，同時還能產生一定的負壓，從而降低曲軸箱壓力。

對于起動和停機工況，由于此時機油或者增壓空氣并未完全建立壓力，因此需要額外的負壓源。在起動和停機時，由于節(jié)氣門開度很小，節(jié)氣門后形成較大的負壓，可以利用此處的負壓來驅動曲軸箱排氣。當增壓空氣壓力建立后，需要將此通路關閉，因此需要增加單向控制閥或者電磁閥。需要說明的是，曲軸箱負壓并不是越大越好，太大的負壓會造成油氣大量進入增壓器，進而形成油泥的堆積，會增大增壓器損壞的風險。

優(yōu)化后的曲軸箱通風系統(tǒng)見圖8。采用了使用增壓空氣驅動的主動式油氣分離器，并在曲軸箱通風管路和節(jié)氣門后進氣管路建立了單向導通管路。

圖8 優(yōu)化后的曲軸箱通風系統(tǒng)示意

基于此系統(tǒng)運行了冷態(tài)WHTC循環(huán)，并測量了循環(huán)過程的曲軸箱壓力，結果見圖9。整個瞬態(tài)循環(huán)過程中，所有的曲軸箱壓力均低于大氣壓，壓力波動在-2.1～0 kPa之間，平均曲軸箱壓力為-1.42 kPa，較改進之前的平均曲軸箱壓力降低了1 kPa，從而能夠滿足國六法規(guī)的要求。

圖9 優(yōu)化后的曲軸箱壓力

3 結論

a) 對于試驗工況，CVS系統(tǒng)工作狀態(tài)變化造成的曲軸箱壓力最大差值為0.02 kPa，對曲軸箱壓力的測量沒有影響，在測試時可以正常開啟；

b) 進氣壓力與曲軸箱壓力呈正相關關系，但不完全一致，在測試過程中，應該關閉進氣空調或者采用開式系統(tǒng)，消除進氣空調對發(fā)動機進氣管路壓力的影響；

c) 利用增壓器前端進氣系統(tǒng)的負壓難以保證瞬態(tài)過程中曲軸箱壓力一直保持負壓，雖然冷、熱態(tài)循環(huán)的平均曲軸箱壓力分別為-0.35 kPa和-0.42 kPa，但仍有部分工況點的曲軸箱壓力超過大氣壓力；

d) 結合主動式油氣分離器、節(jié)氣門后端負壓狀態(tài)引入可以優(yōu)化曲軸箱通風系統(tǒng)，基于優(yōu)化后的系統(tǒng)運行冷態(tài)WHTC循環(huán)，平均曲軸箱壓力為-1.42 kPa，且沒有超過大氣壓力的工況，能夠滿足國六標準的要求。