一種曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問(wèn)題的解決方案

沙賓賓，趙世來(lái)，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成設(shè)計(jì)處，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃燒室并非一個(gè)完全密封的空間，其內(nèi)部的高壓混合氣會(huì)通過(guò)各密封位置向外泄露；其中通過(guò)活塞與氣缸套之間的間隙泄露的混合氣體進(jìn)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(huì)導(dǎo)致機(jī)油稀釋，進(jìn)而降低機(jī)油的使用性能。混合氣體中的腐蝕性物質(zhì)隨著潤(rùn)滑油進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)中，會(huì)加速發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的腐蝕和磨損；混合氣還會(huì)造成曲軸箱內(nèi)壓力過(guò)高而破壞曲軸箱的密封。為了解決以上問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了曲軸箱通風(fēng)結(jié)構(gòu)來(lái)防止發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油稀釋、曲軸箱壓力過(guò)高，延緩各個(gè)零部件的磨損，泄露的廢氣進(jìn)入大氣也會(huì)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(yàn)中受到極大的關(guān)注，今后對(duì)其曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為了解決此問(wèn)題，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)就需要不斷地開(kāi)發(fā)新技術(shù)，并且優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品來(lái)滿足現(xiàn)狀的要求。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)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(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的寒區(qū)適應(yīng)性。這里詳細(xì)的介紹一款發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的機(jī)油消耗量，平衡發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部各系統(tǒng)間的壓力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案也發(fā)生了巨大變化。某款發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)由于受整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間的限制，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)整體的布置要求，將曲軸箱各個(gè)結(jié)構(gòu)分散于發(fā)動(dòng)機(jī)不同位置，通過(guò)采用較長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路結(jié)構(gòu)連接曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各個(gè)結(jié)構(gòu)，達(dá)到滿足整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的需要；但由于連接管路過(guò)長(zhǎng)，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(gè)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)機(jī)工作過(guò)程中負(fù)荷的變化，曲軸箱壓力也隨之進(jìn)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(fù)壓時(shí)氣體流動(dòng)示意圖

圖2 曲軸箱正壓時(shí)氣體流動(dòng)示意圖

2 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問(wèn)題，某款發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化方案主要從熱傳導(dǎo)方面對(duì)曲軸箱結(jié)冰位置的工作環(huán)境進(jìn)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(jìn)入和發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境處于極寒的低溫狀態(tài)，在保持發(fā)動(dòng)機(jī)原有結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)不更改的前提下，將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量加以利用，引入到發(fā)動(dòng)機(jī)需要的結(jié)構(gòu)位置，對(duì)遭受低溫侵害的零部件進(jìn)行加熱和保溫。對(duì)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(jì)方案。

2.1 管路加熱

某款發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)通過(guò)多次試驗(yàn)并進(jìn)行證實(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(wèn)題，故本方案通過(guò)調(diào)整局部冷卻水管路的布置方案，在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路進(jìn)行加熱的方法，此方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路內(nèi)的氣體進(jìn)行加熱的目的，達(dá)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(xiǎn)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(lán)色管路代表發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)已經(jīng)通過(guò)多次試驗(yàn)并進(jìn)行證實(shí)，依靠發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門提預(yù)熱管路的冷卻液對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)外部連接管路進(jìn)行加熱可有效改善曲軸箱結(jié)冰問(wèn)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(xiǎn)，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化方案，通過(guò)驗(yàn)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(xiǎn)的局部位置增加一些管路的保溫護(hù)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(jìn)行一定程度上的隔離，減少這個(gè)結(jié)構(gòu)的溫度損失，進(jìn)而達(dá)到降低這些局部位置結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)的目的。圖4中灰色結(jié)構(gòu)為保溫護(hù)套的示意。

3 模擬結(jié)果與分析

由于整個(gè)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，邊界條件過(guò)于復(fù)雜無(wú)法進(jìn)行設(shè)定，所以現(xiàn)今汽車行業(yè)暫時(shí)無(wú)法針對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)改善后的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問(wèn)題結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)兩臺(tái)新車進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，其中一臺(tái)試驗(yàn)新車的發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行了改裝，另外一臺(tái)新車發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)時(shí)變化情況，分別在兩臺(tái)試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在海拉爾極寒條件地區(qū)下進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度為-37.5 ℃，兩輛試驗(yàn)車在相同負(fù)載相同工況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)得曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)各個(gè)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(jìn)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(zhǎng)時(shí)間處于 0℃以下，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)到了解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)冰問(wèn)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(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)能很好的改善發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況，但曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)冰問(wèn)題也是在極寒地區(qū)時(shí)常發(fā)生的問(wèn)題，是對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)，本文通過(guò)管路加熱和管路保溫兩個(gè)措施，并在驗(yàn)證的過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)分析，及時(shí)解決，及時(shí)驗(yàn)證，直到成功的解決了此結(jié)冰問(wèn)題。以上是對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了一款發(fā)動(dòng)機(jī)的故障。

參考文獻(xiàn)

[1] 周龍保,等.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 萬(wàn)欣,林大淵.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1989.

[3] 李建國(guó),趙永生,吳冬冬.寒冷天氣下車用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)故障分析[J] .內(nèi)燃機(jī)與配件,2014（8）:41-43.