閔熳，夏英子，劉向峰，王勇，宋志輝

進(jìn)氣歧管上曲通結(jié)構(gòu)對節(jié)氣門體結(jié)冰的影響研究

閔熳1,2，夏英子1，劉向峰1，王勇1，宋志輝1

（1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336； 2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，浙江 寧波 315800）

進(jìn)氣歧管為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要零部件，擔(dān)任著向發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸引入混合新鮮空氣的作用，同時(shí)決定發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸充氣均勻性和進(jìn)氣效率[1]。而曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的油氣大多會(huì)通過管路引入進(jìn)氣歧管，并進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。文章通過進(jìn)氣歧管的曲通均勻性分析及冬季試驗(yàn)研究了進(jìn)氣歧管上不同的曲通結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門體處結(jié)冰的影響，對進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

進(jìn)氣歧管；曲通結(jié)構(gòu)；曲通均勻性分析；冬季試驗(yàn)

1 引言

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，總有一部分可燃混合氣和廢氣經(jīng)活塞環(huán)與汽缸套之間間隙竄入曲軸箱內(nèi)，業(yè)內(nèi)將這種泄露稱為“竄氣”，竄氣中含有燃油、水蒸氣和廢氣等大量污染物，如果不加處理，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)壓力會(huì)升高破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的密封，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油封失效、機(jī)油滲漏，這些竄氣逸入大氣還會(huì)造成大氣污染；另外水蒸氣遇冷凝結(jié)在機(jī)油中會(huì)形成泡沫，破壞機(jī)油供給，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成油泥，阻塞油路，這種情況在冬季尤為嚴(yán)重；廢氣中的酸性氣體與水和空氣接觸會(huì)形成酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)不僅腐蝕零件，而且也會(huì)使機(jī)油變質(zhì)、加速運(yùn)動(dòng)件磨損[2]。

為防止曲軸箱壓力過高，延長機(jī)油使用期限，減少零件磨損和腐蝕，防止發(fā)動(dòng)機(jī)漏油，現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上都設(shè)計(jì)有曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。同時(shí)，隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，為了控制曲軸箱竄缸混合氣的排放量，須采取控制系統(tǒng)，將曲軸箱內(nèi)的混合氣通過軟管連接到進(jìn)氣管或進(jìn)氣歧管的適當(dāng)位置，隨新鮮空氣進(jìn)入氣缸重新燃燒，這樣既可以減少排氣污染，又能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

一般為了保證曲通廢氣的均勻性，進(jìn)氣歧管上會(huì)設(shè)計(jì)獨(dú)立對稱的曲通結(jié)構(gòu)，如圖1所示。但一般情況下曲軸箱廢氣溫度較高，在冬季較寒冷地區(qū)，熱的曲通廢氣與冷的零部件及新鮮空氣相遇時(shí)，廢氣中的水蒸氣遇冷會(huì)液化為小水珠，在寒冷地區(qū)，極易結(jié)成冰。

本文通過對某機(jī)型冬季試驗(yàn)過程中節(jié)氣門體處結(jié)冰的失效模式進(jìn)行分析，找到了節(jié)氣門體處結(jié)冰的原因，并最終結(jié)合仿真分析及方案優(yōu)化驗(yàn)證解決了該問題。

圖1 某機(jī)型進(jìn)氣歧管上曲通結(jié)構(gòu)

2 節(jié)氣門體結(jié)冰問題描述

某增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在搭載整車進(jìn)行冬季試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)動(dòng)力不足問題，經(jīng)拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門體閥板處結(jié)冰導(dǎo)致卡死，如下圖2所示。

圖2 某機(jī)型冬季試驗(yàn)節(jié)氣門體結(jié)冰示意圖

3 節(jié)氣門體處結(jié)冰問題分析

3.1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)原理

圖3 某發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況曲軸箱竄氣圖

增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷工況時(shí)，節(jié)氣門半開，進(jìn)氣歧管負(fù)壓很大，PCV閥導(dǎo)通，曲軸箱竄氣經(jīng)部分負(fù)荷油氣分離器進(jìn)行油氣分離后，通過 PCV閥、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)管進(jìn)入進(jìn)氣歧管[3]。路線如圖3所示。

3.2 進(jìn)氣系統(tǒng)布置分析

如下圖4為進(jìn)氣系統(tǒng)在整車上的布置圖示，可以看出，進(jìn)氣歧管上曲軸箱通風(fēng)管接口距離節(jié)氣門體很近，且節(jié)氣門體位置朝下，處于易積水區(qū)域；圖5為進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)示意圖，進(jìn)氣歧管上獨(dú)立的小負(fù)荷曲通通道為1分2結(jié)構(gòu)連接進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔，但曲通結(jié)構(gòu)出口位置距離節(jié)氣門體較近，且曲通廢氣與新鮮空氣氣流方向垂直，兩者產(chǎn)生干涉。在冬季試驗(yàn)低溫環(huán)境下，熱的曲軸箱廢氣遇到冷的新鮮空氣時(shí)容易液化成小水珠，導(dǎo)致液態(tài)水流入進(jìn)氣歧管入口處，在節(jié)氣門體閥板處形成積水并結(jié)冰。

圖4 整車上系統(tǒng)布置圖

圖5 進(jìn)氣歧管曲通走向圖示

3.3 進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)瞬態(tài)均勻性分析

圖6 進(jìn)氣歧管曲通均勻性分析流線圖

為分析曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣到各缸的分布情況，我們進(jìn)行了進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)瞬態(tài)均勻性分析。如圖6、圖7分別為仿真計(jì)算的流線圖及顆粒圖，可以看出，因曲通出口位置距離節(jié)氣門體位置較近，大量曲通廢氣會(huì)流向節(jié)氣門體位置，在冬季溫度較低的情況下，熱的曲通廢氣與冷的節(jié)氣門體閥板及新鮮空氣相遇，發(fā)生液化并匯聚在節(jié)氣門體閥板上，結(jié)冰造成閥板卡死。

圖7 進(jìn)氣歧管曲通均勻性分析氣體分子顆粒圖

3.4 故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證

（1）方案說明

為驗(yàn)證上述分析情況，在另一款結(jié)構(gòu)類似的進(jìn)氣歧管上設(shè)計(jì)了不同的曲通接口位置及結(jié)構(gòu)，并在環(huán)境倉中進(jìn)行了驗(yàn)證，方案一如下圖8所示，曲通出口位置連接進(jìn)氣總管，正對節(jié)氣門體（與上述結(jié)冰問題結(jié)構(gòu)一致）；方案二如下圖9所示，曲通出口位置在穩(wěn)壓腔上；方案三如下圖10所示，曲通出口位置連接進(jìn)氣歧管氣道，遠(yuǎn)離節(jié)氣門體位置，水珠不易液化流入節(jié)氣門體處。

圖8 曲通入口在進(jìn)氣總管上

圖9 曲通入口連接穩(wěn)壓腔

圖10 曲通入口連接進(jìn)氣歧管氣道

（2）故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證

將上述三個(gè)樣件分別在低溫環(huán)境倉中進(jìn)行曲通試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如下：

方案一：曲通出口位置連接進(jìn)氣總管，距離節(jié)氣門體位置近，且曲通廢氣氣流與新鮮空氣氣流方向垂直，正對節(jié)氣門造成液化水聚集在節(jié)氣門體處，如下圖11所示。

方案二：曲通出口位置連接穩(wěn)壓腔，雖然出口位置遠(yuǎn)離節(jié)氣門體位置，但在節(jié)氣門體正上方，水珠易液化流入節(jié)氣門體處，造成結(jié)冰，如下圖12所示。

方案三：曲通出口位置連接進(jìn)氣歧管氣道，且曲通廢氣氣流方向順著新鮮空氣氣流方向，節(jié)氣門體處無結(jié)冰情況。

圖11 方案一結(jié)冰情況

圖12 方案二結(jié)冰情況

通過上述故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證，可以初步得出上述故障為曲通不合理的布置結(jié)構(gòu)所致。

4 結(jié)冰問題優(yōu)化方案

從上述分析及冬季試驗(yàn)結(jié)果來看，進(jìn)氣歧管上不合理的曲通結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了節(jié)氣門體處結(jié)冰，使得節(jié)氣門體卡死，進(jìn)而出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)加速無力的問題。結(jié)合上述故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證情況，對該問題機(jī)型進(jìn)氣歧管上曲通結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，如下圖13所示，新曲通結(jié)構(gòu)的曲通出氣口連接進(jìn)氣歧管法蘭面，遠(yuǎn)離節(jié)氣門體，距離缸蓋較近，且與新鮮空氣氣流方向平行，即使熱的曲通廢氣遇到冷的新鮮空氣或者歧管壁面液化，水珠也是在進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔內(nèi)部，不會(huì)聚集在節(jié)氣門體位置，而穩(wěn)壓腔內(nèi)部的水珠隨著進(jìn)氣溫度的升高，會(huì)隨著進(jìn)氣進(jìn)入氣缸燃燒，不會(huì)對零部件產(chǎn)生任何影響。

圖13 新狀態(tài)進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)走向示意圖

為驗(yàn)證該分析情況，針對新曲通結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管同樣進(jìn)行了曲通瞬態(tài)均勻性分析，并制作樣件搭載冬季實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，曲通瞬態(tài)均勻性分析結(jié)果如下圖14，可以看出，新曲通結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管曲通廢氣顆粒很少進(jìn)入節(jié)氣門體位置，即節(jié)氣門體閥板位置無水珠或水珠很少，節(jié)氣門體閥板不會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰導(dǎo)致卡死的情況。

圖14 新狀態(tài)進(jìn)氣歧管曲通均勻性分析氣體分子顆粒圖

冬季試驗(yàn)結(jié)果也顯示，節(jié)氣門體閥板出無結(jié)冰情況。試驗(yàn)后節(jié)氣門體閥板處無結(jié)冰情況，如下圖15所示。

圖15 新狀態(tài)進(jìn)氣歧管冬季試驗(yàn)節(jié)氣門體閥板處結(jié)冰情況

從上述分析及試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，節(jié)氣門體結(jié)冰問題與進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)強(qiáng)相關(guān)。在后續(xù)進(jìn)氣歧管產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注曲通結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣歧管上小負(fù)荷曲通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需關(guān)注曲通出氣口的位置及角度，同時(shí)，需同時(shí)考慮曲通廢氣進(jìn)入各缸的均勻性。

5 結(jié)束語

本文通過原理分析，故障復(fù)現(xiàn)、曲通均勻性仿真分析、冬季試驗(yàn)，可以看出，進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注節(jié)氣門體結(jié)冰問題，后續(xù)進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需同步考慮以下幾點(diǎn)：

（1）需考慮進(jìn)氣歧管曲通結(jié)構(gòu)的出口位置，杜絕布置在節(jié)氣門體上方。

（2）需考慮曲通廢氣氣流方向與進(jìn)氣歧管主通道氣流方向的角度。

（3）設(shè)計(jì)之初結(jié)合仿真計(jì)算，分析曲通氣體內(nèi)氣體分子在進(jìn)氣歧管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。

[1] 麻向軍,鄧霽蘭.塑料進(jìn)氣歧管的研究進(jìn)展[J].模具技術(shù),2009,(5): 58-62.

[2] 李建國.車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成及常見故障分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件.2014,(5):32-34.

[3] 肖姍姍,韓廣華,韓玉偉等.某增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的分析和解決[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2015.44(3):52-55.

Intake Manifold’ PCV Structure Influence The Frozen Of The Throttle body

Min Man1,2, Xia Yingzi1, Liu Xiangfeng1, Wang Yong1, Song Zhihui1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Powertrain Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

The intake manifold is the main component of engine, it can supply fresh air to the engine cylinder, it has direct influence on the uniformity of inlet and intake efficiency[1]. exhaust gas from PCV structure will flow into intake manifold, and finally burn in the cylinder. The article is based on the PCV CFD analyze and winter test, By the test result, it can be found that the PCV structure in intake manifold has a great impact on the frozen of throttle body, it will be useful for the design of the PCV structure in intake manifold.

Intake manifold;PCV structure in intake manifold;PCV CFD analyze; Winter car test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.036

U464

A

1671-7988(2021)07-112-04

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閔熳（1991-），男，湖北隨州人，工程師，本科，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司、浙江吉利動(dòng)力總成有限公司，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。