缸內直噴汽油發動機曲軸箱通風機構設計

摘要：為了保證發動機回油通暢，避免開式、閉式通風機構存在通風效果差問題的發生，提出了缸內直噴汽油發動機曲軸箱通風機構設計。從相鄰兩缸之間通風和發動機曲軸內部通風兩個角度設計曲軸箱通風通道，降低機油濃度。研究壓力調節閥和防結冰問題，平衡曲軸箱內外部壓力，并使其不會在低溫環境下出現凍結情況。優化取氣口面積，使油氣分離腔竄氣流速均勻，通過設計回油功能，使分離出的機油回到曲軸箱內，保證良好通風效果。

關鍵詞：缸內直噴;汽油發動機;曲軸箱;通風機構

0 ?引言

當發動機運轉時，一些未燃燒的廢氣、水蒸氣、微粒機油成分經氣缸泄漏到曲軸箱空間內形成有害的竄氣，這些竄氣在曲軸空間內與油霧形式的機油混合，隨著活塞運動產生的壓力影響曲軸箱空間的壓力[1]。在壓力作用下會將機油擠向密封位置處的出油口噴出，還會引發機油從曲軸油封、曲軸箱襯墊等處滲漏，造成零件腐蝕、機油變質，降低發動機的使用效率，如果不能有效抑制這些有害氣體的產生和排放，流失到大氣中還會造成環境污染。為了避免這些情況的發生，設置了曲軸箱通風裝置，在設計過程中加入了環保理念，采用封閉式曲軸箱通風裝置的結構，保證了發動機正常穩定的運行[2]。

1 ?缸內直噴汽油發動機曲軸通風機構設計

缸內直噴汽油發動機是直接將燃油噴射在缸內，在氣缸內直接與空氣混合的一款動力發動機，具有低油耗、高功率和低排放的優點。通過電子控制系統對吸入的空氣量與燃油噴射量和噴射時間進行精準地控制，而高壓的燃油噴射系統可以使油氣的霧化和混合效果達到最優，提高了發動機的動力性能[3]。隨著缸內直噴汽油發動機的廣泛應用，對發動機結構性能的設計要求日趨嚴格，尤其是發動機的曲軸箱通風機構的設計。

1.1 曲軸箱通風通道設計

1.1.1 相鄰兩缸之間通風通道

在曲軸箱通風通道設計中，應對相鄰兩缸之間用于氣流溝通的通道進行優化設計[4]。采取合理的縱向通風通道設計，減少氣體在空間流動時對機體各構件的摩擦及曲軸箱氣體內的機油含量，防止各個缸內壓力過大對曲軸箱通風造成影響。通風通道空間的空氣變化和通風流速受曲軸箱內的往返運動影響，如果曲軸箱內的氣體壓力過大就會推動油底殼內的機油液面產生波動，會對曲軸箱及發動機造成影響，因此需對曲軸箱內的壓力波動值進行規定，如圖1所示，發動機曲軸箱壓力波動值應在±0.1mbar之間[5]。

由圖1可知：隨著曲軸轉角增加，壓力呈現規律性變化，呈下降-上升-下降趨勢，通過對各缸之間的縱向通風通道的優化設計，有效平衡各缸之間的內部壓力，降低了曲軸箱通風所造成的摩擦損失，確保相鄰兩缸曲軸箱之間有足夠的流通面積[6]。

1.1.2 發動機曲軸箱內部通風通道

根據曲軸箱內部結構特點采用垂直通風通道優化設計，可以有效地將曲軸箱內的氣體輸送到缸蓋上面的通風通道內。在設計過程中，為保證各個管道的性能和正常穩定的運行，采取對機油回油道與通風通道的分開設計，防止通風通道與回油通道混合使氣體中含油量過多，有利于油氣分離，減少了油氣分離器的負擔。

進口邊界為進口風向，出口邊界為出口風向，具體邊界數值選取發動機在2500rpm、97N·m時運行數據，如表1所示。

發動機曲軸通風機構的優化設計，實現了通風機構能夠完全控制曲軸箱的排放，確保曲軸箱的良好通風性能，并對油氣分離器和壓力控制閥等零件功能進行優化設置，使曲軸箱內的混合氣體與油有效分離，既保證了油的純度又可防止機油稀釋變質，避免機件發生磨損和腐蝕，起到降壓、防漏、回收的作用，提高了曲軸箱通風系統的性能，同時還起到了節能、環保作用，減少了環境污染現象的發生。

1.2 壓力調節閥設計

通過設置壓力調節閥可以有效調節曲軸箱壓力，使發動機曲軸箱與發動機外界壓力處于平衡狀態。當曲軸箱壓力發生變化時，調節閥的開度可以在曲軸箱壓力和大氣壓的共同作用下增大或減小，有效調節曲軸箱壓力，具有調節的精準性和可靠性，確保曲軸箱內真空度盡量保持不變。曲軸箱通風系統壓力調節閥的設置，防止調節控制曲軸箱內壓力變化引起的機件腐蝕或損壞，避免曲軸箱密封部位泄漏，有利于油氣分離器和回油系統的良好分離與回收，確保發動機的穩定運行，常用的壓力調節閥主要有柱塞式壓力調節閥和膜片式壓力調節閥。

1.2.1 柱塞式壓力調節閥

柱塞式壓力調節閥是由彈簧、節流板、柱塞以及殼體四部分組成，見圖2。

由于發動機作功燃燒過程的末端存在一些未燃的混合氣，在高壓力作用下從活塞環漏入曲軸箱內，這些竄氣不僅稀釋了曲軸箱內的機油，導致機油變質，還會對發動機各機件造成損壞。因此采取柱塞式壓力調節閥，可以在不同進氣管真空度作用下，控制曲軸箱竄氣進入進氣系統的流量，實現壓力調節與控制，讓這些廢氣再次從進氣歧管進入到發動機中再次燃燒，不僅節能環保，還避免大氣污染，同時增加了曲軸箱壓力的控制水平。

1.2.2 膜片式壓力調節閥

膜片式壓力調節閥包括膜片、膜片襯板、彈簧、殼體等，由于膜片上下壓力不同，可存在壓差，利用大氣壓力、彈簧力及負壓源力共同調節氣體流量。膜片式壓力調節閥實物圖如圖3所示。

當曲軸箱內壓力發生變化時，膜片式壓力調節閥的開度會在曲軸箱壓力和大氣壓的共同作用下減小或增大，有效調節曲軸箱壓力，使其處于合理范圍。

1.3 防結冰設計

當發動機竄氣經曲軸箱通風系統的呼吸管與進氣空氣管交匯時，在適宜溫度下各管路循環良好，但是當遇到冰冷進氣時就會出現結冰現象，堵塞曲軸箱的通風管，影響發動機的正常運轉。為解決呼吸管結冰問題，采取保溫的冷卻系統循環水加熱、電加熱和擴大呼吸管等措施，保溫設計可以增加發動機竄氣經過呼吸管的溫度，擴大呼吸管可以加大接口空間，降低結冰發生。加熱器設計通過加熱層、連接接頭以及電器插接件等，合理控制加熱速度與平衡后的最高溫度，防止結冰，避免影響曲軸箱通風系統的良好性能。

1.4 優化取氣口面積

當發動機怠速運轉或小負荷工況時產生的氣體進入氣缸后，使進氣歧管的真空度較高，造成空燃比失調，此時氣體通過的截面積最小。如果油氣分離器取氣口位置較低或與軸凸輪等一些甩油零部件距離較近的情況下，帶有大量機油油滴的竄氣就會進入油氣分離腔內，而且這些進入的竄氣流速較大，如果不加以處理，將會導致惡化循環。因此優化設計取氣口面積和位置，并采取措施合理控制竄氣流速，避免造成環境污染。

缸內直噴式汽油發動機在怠速時或者高速時，活塞環會出現顫抖引起竄氣流量的快速上升，這些竄氣會從氣缸漏到曲軸箱中，再從曲軸箱通風管流出，污染大氣環境。通過對氣缸中活塞漏氣量的估算，采取優化取氣口面積來控制竄氣流速，在測氣量的同時分別對吸氣量、排氣量、壓力比值和溫度進行測量。

活塞漏氣量估算公式如下所示：

公式（1）中：？姿表示相關系數;C1、C2分別表示吸氣量和排出量;n表示既定轉速;？滋表示全負荷增壓器壓力比值;W表示溫度。

通過對活塞漏氣量估算結果可知，曲軸箱通風系統的取氣口應設在較高、機油較少的位置，增大進氣口截面積，合理控制竄氣流速。

2 ?曲軸通風回油功能設計

當油氣分離器將曲軸箱內竄氣攜帶的機油顆粒分離后，需進行回收并返回發動機油底殼，為了保證分離的機油能夠有效回收到發動機油底殼，對曲軸箱通風系統回油功能進行優化設計。在回油通道的優化設計中，采取合理的位置、高度和流通面積，并對回油高度與系統阻力之間的平衡性進行考量。回油通道采取垂直距離，根據對油滴返回到回油通道的精準計算結果，得出最小回油高度計算公式如下：

公式（2）中：？駐F表示系統阻力;？籽表示回油機油密度;g表示重力加速度。

回油通道的位置、高度和流通面積的設計必須保證回油順暢，如果設計不能滿足油氣分離器回油的需求，將會導致分離出的機油無法順利回到發動機油底殼。如果發動機不停運轉，累積的機油達到到一定程度后就會從出油口噴出，嚴重影響發動機的正常運行。在回油高度設計方案中，應根據發動機的安裝位置和允許的最大傾斜角度，對回油通道進行單獨分開設計，采取“J”型管結構，并合理增加單向閥和儲油腔結構，確保有足夠大的流通面積，使分離出的機油能夠快速及時地回到曲軸箱內。

3 ?結束語

隨著現代科技的快速發展，在缸內直噴汽油發動機的曲軸箱通風機構設計上，也在不斷的創新與發展。優化設計的曲軸箱通風機構，將不含發動機機油的絕大部分泄漏氣體送入進氣系統內，并確保曲軸箱內壓力在-30mbar～5mbar范圍，不僅起到了防漏、降壓和降溫的作用，有效防止燃油稀釋機油和潤滑油變質，減少了機件的磨損和腐蝕。同時將竄入曲軸箱的氣體再吸入到氣缸內重新燃燒，實現了對可燃廢氣化合物的回收利用，減少了對大氣的污染。缸內直噴汽油發動機曲軸箱通風機構的優化設計，完善了曲軸箱通風系統的性能，保證了曲軸箱通風裝置的穩定運行，提高了發動機的作功效率和安全可靠性，避免環境污染，發揮了節能環保的作用。

參考文獻：

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[2]齊景晶，錢葉劍，羅琳，等.可變氣門升程與正時對直噴汽油機缸內流動特性的影響[J].車用發動機，2017，7（3）：20-26.

[3]劉成豪，曾東建，左子農，等.機油和過量空氣系數對GDI汽油機燃用甲醇汽油顆粒排放的影響[J].車用發動機，2019，7（3）：81-87.

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[6]馬志豪，朱宇東，陳占耀，等.汽油直噴發動機進氣系統和燃燒室沉積物的熱重分析[J].內燃機工程，2017，7（6）：67-73.

作者簡介：陳石侯（1970-），男，安徽蚌埠人，大專，初級工程師，江蘇三能動力總成有限公司發動機開發部部長，主要研究方向為發動機設計開發。