提高面向高原地區的汽車發動機機油消耗適應性研究

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

由于高原地區大氣壓力低，對車輛發動機的要求與平原地區有所差異。在平原地區可以正常使用的車輛，如果發動機不經過適當的改進，運用到高原地區可能出現機油消耗快的問題。這是因為發動機的內外壓力偏差，機油油氣未經分離就會吸入到進氣口，進到燃燒室進行燃燒，導致發動機內機油缺失,出現燒機油的現象。為此必須針對某型號發動機相關的零部件、系統進行適應性的改進，經過分析制定了優化改進方案。試驗用發動機的基本性能參數見表1所示。

表1試驗用發動機的基本性能參數

1 發動機機油消耗快原因分析

1.1 環境原因

青海、西藏、云南、四川等地屬于中國的高原地區，部分區域海拔高達4 000~5 000m，海拔每升高100米，大氣壓就下降5 mmHg(0.67 kPa)。因此大氣壓降268 kPa。某款車輛的發動機總成在高海拔區域出現機油消耗偏大的情況。

1.2 發動機系統原因

（1）凸輪軸罩蓋內油氣分離迷宮密封不嚴。由于發動機在工作時，曲軸箱內產生負壓，在高原地區氣壓偏差大，油氣容易通過密封不嚴的部位，進入油氣分離系統，過多油氣導致油氣分離系統來不及進行油氣分離，油氣直接進入到進氣管內。

（2）凸輪軸罩蓋總成油氣分離腔壓降過大。主要的原因是由于發動機內外氣壓偏差大，含油廢氣竄入油氣分離腔內，未經充分分離和及時回油，直接由呼吸口竄出然后進行燃燒，導致出現機油消耗快的現象。

2 改進設計

主要從發動機凸輪軸罩蓋總成的油氣分離系統入手，以達到解決發動機高原地區機油消耗快問題的目的。

改進后的發動機采用迷宮式油氣分離系統，其工作原理為：流速較高的油霧進入迷宮式分離器會撞擊在迷宮擋板上，漸漸匯集成比較重的機油油滴。在重力作用下油滴沉淀到管壁上并在機油回流管中聚集，流回曲軸箱。迷宮式油氣分離器集成在凸輪軸罩蓋內。迷宮式油氣分離器的主要特點是使用壽命長、壓損小、價格便宜，該結構應用廣泛。該系統采用凸輪軸罩蓋集成油氣分離模塊，使用兩路管路，僅在臟空氣進入進氣歧管端帶PCV閥（單向閥）。

具體包括：（1）凸輪軸罩蓋：集成簡單的孔板式油氣分離模塊；（2）PCV閥：單向閥，控制曲軸箱氣體流量，并阻止進氣歧管回火；（3）兩路管路管子：空濾曲軸箱（新鮮空氣及臟空氣雙向流動）、PCV閥進氣歧管。圖1為迷宮式分離器結構原理。圖2為機油在發動機內部整體的工作圖。

圖1迷宮式分離器結構原理圖

圖2發動機內部整體工作圖

3 計算方法

油氣分離的工作原理知道后，我們采用歐拉-拉格朗日算法對油氣分離器分離效率進行研究。分析高原氣壓對發動機內部的氣壓變化以及機油消耗過快的具體原因。

按照拉格朗日動量守恒方程:

式中:

md為粒子質量，kg；

uid為粒子速度，m/s；

Fidr為粒子阻力，N；

Fig為粒子所受重力和浮力，N；

Fip為粒子所受壓力，N；

Fib為其它外力，N。

發動機在運行過程中通過氣缸間隙漏入曲軸箱內的已燃和未燃氣體總稱為活塞漏氣量。在油氣分離器氣相流場計算過程中，即用歐拉-拉格朗日算法中的歐拉算法進行穩態流場計算時，其中入口面邊界條件為活塞漏氣量，出口為靜壓。

機油粒子直徑的大小對油氣分離器的分離效果影響較大，在重力作用下，當油氣混合物的流速不太快時，大的油滴最終會落到油氣分離器的底部，而油滴直徑越小，其下落的時間越長。對于直徑很小的機油微粒，能夠長時間懸浮在空氣中，無法在自身重力的作用下從氣體中分離出來。因此發動機蓋罩通過油氣分離器的迷宮、擋板等手段，盡可能地把這部分油滴分離出來。

從上式可以看出，對于發動機型號一定的車型來說，在高原地區海拔越高曲軸內外壓差越大，粒子速度uid越快、粒子所受壓力Fip、其它外力Fib越大，導致油氣粒子繞過所有的縫隙迅速的通過分離器迷宮，在進氣口與回油孔相同的條件下，機油滴無法及時有效地返回曲軸箱，導致被吸入進氣歧管，發生機油消耗快現象。

結合以上原理，經過分析，制定了改進方案，如表2所示。具體如下：

表2凸輪軸罩蓋的改進措施

（1）將原機凸輪軸罩蓋迷宮，增加密封膠提高密封性。

改進前后的凸輪軸罩蓋的狀態如圖3、圖4所示。

圖3原發動機凸輪軸罩蓋的狀態

圖4凸輪軸罩蓋通過加密封膠后的狀態

（2）增大油氣分離強度的改進。對原凸輪軸罩蓋再增加密封膠的基礎上，加大進氣口，本身凸輪軸罩蓋進氣口是由三個小圓孔組成，把三個小圓孔打穿成一個大孔，來增加進氣口，降低曲軸箱與凸輪軸罩蓋內油氣分離系統的壓差；并在罩蓋上增加回油孔，在油氣分離后機油可以順著增加的回油孔流回。如下圖5所示。

圖5凸輪軸罩蓋回油孔由三個小孔改為一大孔

4 改進設計的試驗驗證

4.1 實驗方案確定

試驗的過程分別為：（1）對凸輪軸罩蓋的油氣分離迷宮進行密封性打膠處理；（2）對原凸輪軸罩蓋在增加密封膠的基礎上，加大進氣口，增加回油口。

在動力環保試驗室進行試驗驗證，在改進前后的曲軸強制通風閥與進氣歧管接口處，各接一個機油量杯，進行動力試驗效果明顯（如圖6），對不同轉速下的機油消耗量進行對比如表3。

表3試驗驗證數據分析

圖6曲軸強制通風管與進氣歧管接口處放置機油杯

4.2 試驗結果及分析

（1）改進前

對改進前發動機的機油消耗性在高原地區進行實車試驗，結果見下表4。

表4在高原地區改進前的發動機機油消耗性試驗結果

改進前整車發動機機油消耗試驗曲線如圖7所示，結果不符合技術要求。

圖7改進前整車發動機機油消耗試驗曲線

（2）改進后

對改進凸輪軸罩蓋后的發動機總成在高原地區進行實車試驗，結果見下表5。

表5高原地區改進后的發動機機油消耗性試驗結果

改進后整車發動機機油消耗試驗曲線如圖8所示，符合技術要求。

圖8改進后整車發動機機油消耗試驗曲線

2003年GB/T19055-2003《汽車發動機性能試驗方法》明確規定：額定轉速、全負荷時機油/燃油的消耗比不得超過0.3%，按行駛1 000 km機油消耗最大100 ml計算改進凸輪軸罩蓋后的車輛，在高原地區發動機的機油消耗得到明顯的改善，符合技術要求。

因為高原地區海拔越高氣壓越低，引起的曲軸箱內外壓力差越大，根據拉格朗日動量守恒方程公式md=Fidr+Fig+Fip+Fib，所有機油消耗量越大，發動機在平原地區測試路試正常的，不一定在高原地區適應，應該根據不同的地區特點進行改進，提高發動機的適應性與耐用性，滿足不同地區的用戶需求。

5 結束語

中國地域遼闊，許多汽車廠家銷售的車輛在不同的地域會有不同的故障，尤其在高原地區車輛容易出現燒機油、冒藍煙等故障，對高原地區車輛使用環境進行分析，實際進行車輛測試，發動機整體系統部符合中國高原環境的技術要求。為了滿足不同地區的車輛要求，需要對發動機凸輪軸罩蓋的油氣分離系統進行改進工作。

本文針對高原地區的環境特點、燒機油的工作原理等，經過分析制定改進方案，改進涉及到凸輪軸罩蓋油氣分離迷宮的密封性、進氣口、回油孔等，通過增加分離迷宮密封性，增大進氣口，增加回油孔來提高發動機的油氣分離性能。根據分析結果，設計做出樣件，進行裝車試驗測試，測試結果達到了技術要求。優化后發動機提高了在特定區域的適應性。

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