汽油发动机呼吸系统影响因素对比研究

孙大为 江涛

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心 安徽省合肥市 230601

1 引言

发动机呼吸系统又称曲轴箱通风系统。发动机运转时，燃烧室的高压可燃混合气和已燃气体，通过活塞组与气缸之间的间隙漏入曲轴箱内，稀释机油，降低机油的使用性能，加速机油的氧化、变质和增加消耗；水气凝结在机油中，会形成油泥，阻塞油路；酸性的气体混入润滑系统，将导致发动机零件的腐蚀和加速磨损。为防止曲轴箱压力过高，延长机油使用期限，减少零件磨损和腐蚀，防止发动机漏油，必须实行曲轴箱通风。

本文通过对比试验，对影响发动机呼吸系统性能的两个重要因素进行研究，从多种设计方案中选择最优方案，以达到最佳的呼吸系统油气分离效果，对汽油机呼吸系统设计开发具有一定指导意义。

图1 汽油发动机缸盖护罩结构图

图2 预分离与精分离结构图

图3 PCV阀工作原理图

2 呼吸系统结构简介

汽油机呼吸系统结构主要采用为集成式缸盖护罩，分为空滤侧和PCV阀侧油气分离结构，低负荷时空滤侧补充新鲜空气，气体从PCV阀侧进入进气歧管；涡轮增压器工作后PCV阀关闭，气体直接进入空滤后端，如图1所示。

两侧的油气分离相同，分为预分离与精分离，油气经过预分离挡板后，大颗粒的油滴被孔板阻挡回到油底壳中；经分离后油气通过小孔加速撞击到撞击挡板上，油滴回到曲轴箱中，如图2所示。

在曲轴箱强制通风系统中，气体通过预分离与精分离后需经过PCV阀回到进气系统中，而PCV阀的功能是根据发动机工况的变化而自动调节进入气缸的曲轴箱内的气体的流量，具体调节过程如下：

（1）当发动机怠速或小负荷时，进气歧管真空度很大，窜入曲轴箱的气体很少，所以PCV阀开度虽小，也足以使曲轴箱内的气体流出。

（2）当发动机中、低负荷时，由于进气歧管真空度比怠速时还小，在节气门部分开度下的发动机负荷比怠速时大，窜入曲轴箱的气体较多，所以较大的PCV阀开度较大才可以使所有的曲轴箱气体被吸入进气歧管。

（3）当发动机在节气门全开（自然进气发动机）或者涡轮增压器开始工作后，由于进气歧管压力接近于0或者为正压，此时PCV阀关闭，曲轴箱气体由曲轴箱内流向空滤后。

（4）当进气歧管发生回火时，进气管压力增大，以防止回火进入曲轴箱引发爆炸。当活塞或气缸严重磨损时，将有过多的气体窜入曲轴箱，这是PCV阀关闭。在这种情况下，曲轴箱压力将会增大，曲轴箱内气体经空气软管进入空滤后，再随同新鲜空气一起进入气缸燃烧，如图3所示。

3 试验方案

本研究以某主机厂的某款国五汽油发动机为试验样机，发动机参数见表1，对不同呼吸系统结构方案进行对比试验，验证其油气分离效果，本次试验只以近气测的油气分离效果为例进行研究，该款汽油机进气侧为单层挡板分离。

表1 试验用发动机主要参数

3.1 PCV阀验证方案

选取三种不同流量特性的PCV阀进行验证，其流量特性如图4所示。

图4 三种PCV阀方案流量特性曲线

3.2 油气分离孔板方案

在PCV阀最优方案确定的情况下，油气分离挡板提供三种对比方案，分别对孔板的直径和数目进行对比验证，如表2所示。

4 试验工况

4.1 PCV阀方案验证工况

为确认同一发动机转速下，不同进气压力下，PCV阀对窜油量的影响，分别包含PCV阀流量最小、最大、接近全关的工况，如表3所示。

表2 三种孔板对比验证方案

表3 不同进气压力试验验证工况

4.2 孔板验证工况

对不同孔板方案，在PCV阀流量最大时，进行呼吸系统窜油量试验，验证工况如表4所示。

表4 孔板试验验证工况

表5 不同进气压力各工况窜油量结果

5 试验结果及分析

5.1 PCV阀方案验证结果

同一发动机转速，不同进气压力下，三种PCV阀方案窜油量结果如表5所示。

试验结果表明不同流量特性的PCV阀对油气分离效果影响很大，而方案二对近气侧油气分离效果最佳。

分析发现，方案三在工况二下，发动机本体的活塞漏气量在12L/min左右，但是PCV阀的流量已达到44L/min，经过油气分离器的实际流量相当于200%活塞漏气量，甚至更大。通过油气分离器的流量增加到一定程度后，会影响油气分离的效率，因此，PCV阀的流量严重影响了油气分离效果。

5.2 孔板方案验证结果

在PCV阀最优方案确定的情况，确认不同孔板方案能否进一步优化油气分离效果，三种孔板方案窜油量结果如表6所示。

表6

试验结果表明，不同孔板方案可以进一步优化油气分离效果，而方案三窜油量恶化的主要原因为油气分离流通面积变小，压损变大后，回油不畅。而方案二孔板的直径和数量最优。

6 结语

本文对影响汽油发动机呼吸系统油气分离效果的两个因素进行分析，采用对比试验的方法，验证了PCV阀流量特性和分离孔板的数目和直径是影响呼吸系统油气分离效果的两个关键因素，同时通过试验确定了油气分离最佳方案。