提高面向高原地区的汽车发动机机油消耗适应性研究

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007）

由于高原地区大气压力低，对车辆发动机的要求与平原地区有所差异。在平原地区可以正常使用的车辆，如果发动机不经过适当的改进，运用到高原地区可能出现机油消耗快的问题。这是因为发动机的内外压力偏差，机油油气未经分离就会吸入到进气口，进到燃烧室进行燃烧，导致发动机内机油缺失,出现烧机油的现象。为此必须针对某型号发动机相关的零部件、系统进行适应性的改进，经过分析制定了优化改进方案。试验用发动机的基本性能参数见表1所示。

表1试验用发动机的基本性能参数

1 发动机机油消耗快原因分析

1.1 环境原因

青海、西藏、云南、四川等地属于中国的高原地区，部分区域海拔高达4 000~5 000m，海拔每升高100米，大气压就下降5 mmHg(0.67 kPa)。因此大气压降268 kPa。某款车辆的发动机总成在高海拔区域出现机油消耗偏大的情况。

1.2 发动机系统原因

（1）凸轮轴罩盖内油气分离迷宫密封不严。由于发动机在工作时，曲轴箱内产生负压，在高原地区气压偏差大，油气容易通过密封不严的部位，进入油气分离系统，过多油气导致油气分离系统来不及进行油气分离，油气直接进入到进气管内。

（2）凸轮轴罩盖总成油气分离腔压降过大。主要的原因是由于发动机内外气压偏差大，含油废气窜入油气分离腔内，未经充分分离和及时回油，直接由呼吸口窜出然后进行燃烧，导致出现机油消耗快的现象。

2 改进设计

主要从发动机凸轮轴罩盖总成的油气分离系统入手，以达到解决发动机高原地区机油消耗快问题的目的。

改进后的发动机采用迷宫式油气分离系统，其工作原理为：流速较高的油雾进入迷宫式分离器会撞击在迷宫挡板上，渐渐汇集成比较重的机油油滴。在重力作用下油滴沉淀到管壁上并在机油回流管中聚集，流回曲轴箱。迷宫式油气分离器集成在凸轮轴罩盖内。迷宫式油气分离器的主要特点是使用寿命长、压损小、价格便宜，该结构应用广泛。该系统采用凸轮轴罩盖集成油气分离模块，使用两路管路，仅在脏空气进入进气歧管端带PCV阀（单向阀）。

具体包括：（1）凸轮轴罩盖：集成简单的孔板式油气分离模块；（2）PCV阀：单向阀，控制曲轴箱气体流量，并阻止进气歧管回火；（3）两路管路管子：空滤曲轴箱（新鲜空气及脏空气双向流动）、PCV阀进气歧管。图1为迷宫式分离器结构原理。图2为机油在发动机内部整体的工作图。

图1迷宫式分离器结构原理图

图2发动机内部整体工作图

3 计算方法

油气分离的工作原理知道后，我们采用欧拉-拉格朗日算法对油气分离器分离效率进行研究。分析高原气压对发动机内部的气压变化以及机油消耗过快的具体原因。

按照拉格朗日动量守恒方程:

式中:

md为粒子质量，kg；

uid为粒子速度，m/s；

Fidr为粒子阻力，N；

Fig为粒子所受重力和浮力，N；

Fip为粒子所受压力，N；

Fib为其它外力，N。

发动机在运行过程中通过气缸间隙漏入曲轴箱内的已燃和未燃气体总称为活塞漏气量。在油气分离器气相流场计算过程中，即用欧拉-拉格朗日算法中的欧拉算法进行稳态流场计算时，其中入口面边界条件为活塞漏气量，出口为静压。

机油粒子直径的大小对油气分离器的分离效果影响较大，在重力作用下，当油气混合物的流速不太快时，大的油滴最终会落到油气分离器的底部，而油滴直径越小，其下落的时间越长。对于直径很小的机油微粒，能够长时间悬浮在空气中，无法在自身重力的作用下从气体中分离出来。因此发动机盖罩通过油气分离器的迷宫、挡板等手段，尽可能地把这部分油滴分离出来。

从上式可以看出，对于发动机型号一定的车型来说，在高原地区海拔越高曲轴内外压差越大，粒子速度uid越快、粒子所受压力Fip、其它外力Fib越大，导致油气粒子绕过所有的缝隙迅速的通过分离器迷宫，在进气口与回油孔相同的条件下，机油滴无法及时有效地返回曲轴箱，导致被吸入进气歧管，发生机油消耗快现象。

结合以上原理，经过分析，制定了改进方案，如表2所示。具体如下：

表2凸轮轴罩盖的改进措施

（1）将原机凸轮轴罩盖迷宫，增加密封胶提高密封性。

改进前后的凸轮轴罩盖的状态如图3、图4所示。

图3原发动机凸轮轴罩盖的状态

图4凸轮轴罩盖通过加密封胶后的状态

（2）增大油气分离强度的改进。对原凸轮轴罩盖再增加密封胶的基础上，加大进气口，本身凸轮轴罩盖进气口是由三个小圆孔组成，把三个小圆孔打穿成一个大孔，来增加进气口，降低曲轴箱与凸轮轴罩盖内油气分离系统的压差；并在罩盖上增加回油孔，在油气分离后机油可以顺着增加的回油孔流回。如下图5所示。

图5凸轮轴罩盖回油孔由三个小孔改为一大孔

4 改进设计的试验验证

4.1 实验方案确定

试验的过程分别为：（1）对凸轮轴罩盖的油气分离迷宫进行密封性打胶处理；（2）对原凸轮轴罩盖在增加密封胶的基础上，加大进气口，增加回油口。

在动力环保试验室进行试验验证，在改进前后的曲轴强制通风阀与进气歧管接口处，各接一个机油量杯，进行动力试验效果明显（如图6），对不同转速下的机油消耗量进行对比如表3。

表3试验验证数据分析

图6曲轴强制通风管与进气歧管接口处放置机油杯

4.2 试验结果及分析

（1）改进前

对改进前发动机的机油消耗性在高原地区进行实车试验，结果见下表4。

表4在高原地区改进前的发动机机油消耗性试验结果

改进前整车发动机机油消耗试验曲线如图7所示，结果不符合技术要求。

图7改进前整车发动机机油消耗试验曲线

（2）改进后

对改进凸轮轴罩盖后的发动机总成在高原地区进行实车试验，结果见下表5。

表5高原地区改进后的发动机机油消耗性试验结果

改进后整车发动机机油消耗试验曲线如图8所示，符合技术要求。

图8改进后整车发动机机油消耗试验曲线

2003年GB/T19055-2003《汽车发动机性能试验方法》明确规定：额定转速、全负荷时机油/燃油的消耗比不得超过0.3%，按行驶1 000 km机油消耗最大100 ml计算改进凸轮轴罩盖后的车辆，在高原地区发动机的机油消耗得到明显的改善，符合技术要求。

因为高原地区海拔越高气压越低，引起的曲轴箱内外压力差越大，根据拉格朗日动量守恒方程公式md=Fidr+Fig+Fip+Fib，所有机油消耗量越大，发动机在平原地区测试路试正常的，不一定在高原地区适应，应该根据不同的地区特点进行改进，提高发动机的适应性与耐用性，满足不同地区的用户需求。

5 结束语

中国地域辽阔，许多汽车厂家销售的车辆在不同的地域会有不同的故障，尤其在高原地区车辆容易出现烧机油、冒蓝烟等故障，对高原地区车辆使用环境进行分析，实际进行车辆测试，发动机整体系统部符合中国高原环境的技术要求。为了满足不同地区的车辆要求，需要对发动机凸轮轴罩盖的油气分离系统进行改进工作。

本文针对高原地区的环境特点、烧机油的工作原理等，经过分析制定改进方案，改进涉及到凸轮轴罩盖油气分离迷宫的密封性、进气口、回油孔等，通过增加分离迷宫密封性，增大进气口，增加回油孔来提高发动机的油气分离性能。根据分析结果，设计做出样件，进行装车试验测试，测试结果达到了技术要求。优化后发动机提高了在特定区域的适应性。

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