發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)管道集油原因分析及改進(jìn)

李 文，張國勇，周 晶

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川瀘州 646005）

0 引言

發(fā)動機(jī)在壓縮行程中，氣缸中的少量混合氣通過活塞環(huán)與缸孔間隙、活塞環(huán)切口間隙、氣門與氣門導(dǎo)管間隙等漏入曲軸箱，再加上高溫情況下的發(fā)動機(jī)機(jī)油蒸汽形成混合氣體。根據(jù)國家法規(guī)要求，該混合氣不能排入大氣，若不處理，易使機(jī)油發(fā)生老化和變質(zhì)，影響機(jī)油潤滑性能，大量混合氣聚集還會使曲軸箱內(nèi)壓力升高，發(fā)動機(jī)油封漏油。為處理形成的混合氣體，發(fā)動機(jī)曲軸箱設(shè)計(jì)有通風(fēng)系統(tǒng)，在不影響發(fā)動機(jī)性能的前提下將曲軸箱內(nèi)的混合氣適量地導(dǎo)入氣缸燃燒，處理該混合氣，達(dá)到排放環(huán)保要求；同時(shí)新鮮空氣從通氣管道進(jìn)入曲軸箱，減少機(jī)油變質(zhì)，調(diào)節(jié)曲軸箱內(nèi)壓力，防止壓力過高導(dǎo)致油封漏油。

1 問題描述

在對某發(fā)動機(jī)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)過程中，24 h 例行保養(yǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)管道集油，出現(xiàn)油滴現(xiàn)象，如圖1 所示。搭載 該發(fā)動機(jī)的 試驗(yàn)車在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)中，也發(fā)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)管道同樣現(xiàn)象，同時(shí)出現(xiàn)發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗量和積碳增加。

圖1 曲軸箱通氣管道集油

2 原因分析

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理是利用發(fā)動機(jī)缸蓋罩的迷宮結(jié)構(gòu)讓混合氣體在氣缸罩內(nèi)經(jīng)過油氣分離后，讓機(jī)油流回油底殼。混合氣體通過PCV 閥管道和PCV 閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管，再進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸燃燒，同時(shí)讓新鮮空氣從空濾器后管，經(jīng)過通氣管道進(jìn)入氣缸罩及曲軸箱，達(dá)到油氣分離、處理混合氣體、引入新鮮空氣調(diào)節(jié)曲軸箱壓力的作用，如圖2 所示。曲軸箱通風(fēng)管道是連接汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱、進(jìn)氣歧管及空濾器后管的管道，包括PCV 閥管道和通氣管道。PCV 閥管道將曲軸箱與進(jìn)氣歧管相連，通氣管道將曲軸箱與空濾器后管相連，形成閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理，造成曲軸箱通風(fēng)管道集油現(xiàn)象可能有以下原因。

（1）缸蓋罩迷宮結(jié)構(gòu)不能進(jìn)行有效的油氣分離。

（2）曲軸箱壓力大于空濾器內(nèi)氣體壓力，使得大量曲軸箱氣體通過通氣管進(jìn)入空濾器后管，造成曲軸箱通氣管道集油。

魚骨刺圖如圖3 所示。

圖2 氣缸罩

圖3 魚骨刺圖

2.1 缸蓋罩結(jié)構(gòu)分析

對比實(shí)際缸蓋罩與參考樣機(jī)的缸蓋罩的結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。可以看出兩者沒有差異，該發(fā)動機(jī)缸蓋罩按照參考樣機(jī)測繪開發(fā)，故認(rèn)為實(shí)際缸蓋罩的結(jié)構(gòu)合理。

2.2 PCV 閥分析

PCV 閥如圖5 所示。如果流量不能滿足要求，使活塞漏入曲軸箱內(nèi)的氣體不能及時(shí)通過其流出，會使氣體在曲軸箱積聚，使曲軸箱內(nèi)壓力高于空濾器后管壓力，大量的混合氣體通過曲軸箱通氣管道流出，造成通風(fēng)管道集油，有機(jī)油油滴。根據(jù)文獻(xiàn)資料，一般PCV 閥在其B 端真空度為20 kPa、35 kPa 和55 kPa 時(shí)的節(jié)流量Q 與對應(yīng)型號新發(fā)動機(jī)的最大曲軸箱“竄氣”量Qc存在近似關(guān)系：①20 kPa，Q=2.0～2.3Qc；②35 kPa，Q=1.1～1.3Qc；③55 kPa，Q=0.6～0.8Qc。

圖4 缸蓋罩結(jié)構(gòu)對比

圖5 PCV 閥

根據(jù)上述公式計(jì)算得出現(xiàn)裝的PCV 閥流量（表1）。

表1 現(xiàn)裝的PCV 閥流量

進(jìn)行曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷工況下，測試曲軸箱壓力，結(jié)果見表2。

表2 曲軸箱壓力

通過表1 和表2 分析得出，現(xiàn)裝的PCV 閥流量小于該發(fā)動機(jī)匹配的PCV 閥流量，同時(shí)低速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱壓力為正壓，是造成曲軸箱通風(fēng)管道內(nèi)集油，出現(xiàn)有機(jī)油油滴的原因。

3 改進(jìn)措施

3.1 加大PCV 閥的流量

基于上述原因，按照該發(fā)動機(jī)的工作狀況，調(diào)整PCV 閥的流量曲線，加大PCV 閥在各真空度下的流量，使曲軸箱內(nèi)氣體能及時(shí)排出。

（1）在試驗(yàn)中心臺架上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為令熱沖擊工況，得出PCV 閥流量曲線。

（2）如圖6 所示，分別在曲軸箱通風(fēng)管道出口和PCV 閥出口接油氣分離器，稱量分離出的機(jī)油量。使用現(xiàn)有PCV 閥（小流量）運(yùn)行178 h，從曲軸箱通風(fēng)管道處分離了36 g 機(jī)油（0.2 g/h）。使用試制的PCV 閥（大流量）運(yùn)行53.5 h，從曲軸箱通風(fēng)管道處分離了4 g 機(jī)油（0.075 g/h）。

圖6 在曲軸箱通風(fēng)管道出口接油氣分離器

（3）在試驗(yàn)過程中測量曲軸箱壓力及進(jìn)氣歧管壓力，數(shù)據(jù)見表3。

表3 曲軸箱壓力及進(jìn)氣歧管壓力

（4）由于加大PCV 閥流量可能造成發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)，因此還要進(jìn)行怠速測試。將發(fā)動機(jī)怠速一段時(shí)間，沒有發(fā)現(xiàn)異常。

試驗(yàn)結(jié)果表明，試制的PCV 閥對曲軸箱通風(fēng)管道處集油情況有很大改善。但在發(fā)動機(jī)低速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱壓力為正壓。

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》規(guī)定：汽車在行駛速度為50±2 km/h 時(shí)曲軸箱壓力應(yīng)為負(fù)壓。根據(jù)該發(fā)動機(jī)所搭配的車型，車速為50±2 km/h 時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，其換算公式n=50×100×i3×i0/60×π×d，其中，d 是滾動直徑，m；n 是車速，n/min；i0和i3是傳動比。對于本機(jī)，i0=4.3125，i3=1.31，π=3.14，d=0.294×2=0.558 m，得出n=2550 r/min。從檢測結(jié)果可知，在2500 r/min 全負(fù)荷時(shí)，曲軸箱壓力為正壓，不符合國家法規(guī)要求，同時(shí)低速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱壓力為正壓，也會造成了曲軸箱通風(fēng)管內(nèi)集油，故還要再改進(jìn)。

3.2 調(diào)整PCV 閥的流量曲線

根據(jù)第一批PCV 閥的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整PCV 閥的流量曲線，加大真空度低時(shí)的流量，同時(shí)將最大流量峰值前移，使低速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱內(nèi)的壓力為負(fù)壓，進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

對第二批PCV 閥進(jìn)行試驗(yàn)，在全負(fù)荷工況下測試曲軸箱壓力，數(shù)據(jù)見表4。

測試發(fā)動機(jī)在2550 r/min 時(shí)，各負(fù)荷特性下曲軸箱壓力及進(jìn)氣歧管壓力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

從試驗(yàn)結(jié)果看，第二批樣件的PCV 閥在發(fā)動機(jī)低速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱壓力為負(fù)壓，怠速正常。在2550 r/min 時(shí)各負(fù)荷工況下的曲軸箱壓力為負(fù)壓，符合國家法規(guī)要求，將此PCV 閥裝在該發(fā)動機(jī)可靠性試驗(yàn)機(jī)上，24 h 例行保養(yǎng)時(shí)觀察曲軸箱通風(fēng)管，沒有發(fā)現(xiàn)機(jī)油油滴。

表4 曲軸箱壓力

表5 曲軸箱壓力及進(jìn)氣歧管壓力

3.3 改進(jìn)效果

經(jīng)過兩次調(diào)整PCV 閥流量特性，試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)在各轉(zhuǎn)速全負(fù)荷時(shí)曲軸箱壓力為負(fù)壓，怠速正常。曲軸箱通風(fēng)管內(nèi)集油的情況得到改善，達(dá)到了改進(jìn)效果。

4 結(jié)論

原PCV 閥的流量特性不符合某發(fā)動機(jī)的需要，使曲軸箱內(nèi)的氣體不能通過PCV 閥及時(shí)排出，造成大量氣體在曲軸箱內(nèi)積聚，曲軸箱內(nèi)壓力成為正壓，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)氣體通過通風(fēng)管道進(jìn)入空濾器后端，致使曲軸箱通氣管道內(nèi)集油，出現(xiàn)有機(jī)油油滴。經(jīng)過改進(jìn)后的PCV 閥，在發(fā)動機(jī)2550 r/min 時(shí)各負(fù)荷工況下的曲軸箱壓力為負(fù)壓，符合國家法規(guī)要求，達(dá)到改進(jìn)效果。