某发动机油气分离器的设计改进

曲孟

摘 要：曲轴箱通风系统作为对发动机性能与可靠性有着非常重要影响的核心子系统，随着排放法规日益严苛，发动机性能日益提升，运行工况愈发复杂的情况，对曲轴箱通风系统以及油气分离器的设计提出了更大的挑战。文章通过对车辆出现的故障问题进行详细的分析而找到故障的根本原因，并提出了相应的设计更改方案，并将改进后零件搭载在相关的试验车辆上进行验证，证明了解决措施的有效性。

关键词：曲轴箱通风;油气分离器;设计改进

中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-40-04

Abstract： As the core subsystem which has a very important impact on the performance and reliability of the engine， with the increasingly strict emission regulations， the requirements of improved performance and the more complex operation conditions， the crankcase ventilation system， particularly the oil separator is facing more and more challenges from design perspective. In this paper， through detailed analysis of the problems， the root cause was found， and the corresponding design change was proposed， the parts after improvements were carried on the relevant test vehicles for verification， which has proven the effectiveness of the solutions.

Keywords： Crankcase ventilation; Oil separator; Design improvement

绪论

随着经济的发展，人民生活水平的日益提高，汽车已经走进千家万户，成为人们日常生活中重要的交通工具。由于中国国土广袤，横跨多个经度、纬度，气候环境复杂多样，因此在中国销售和使用的汽车必须具备在高温、高寒、高原等极端惡劣下正常使用的能力。

发动机工作时，部分可燃混合气和废气经活塞环漏入曲轴箱内，曲轴箱通风系统可将漏入曲轴箱的气体排出曲轴箱;同时达到防止润滑油变质及燃油稀释机油，减轻机件的磨损和腐蚀，回收可燃气体，减少污染。

油气分离器则是曲轴箱通风系统中最重要的零件，曲轴箱混合气通过油气分离器后，机油从混合气中分离出来回到油底壳，较为干净的气体经油气分离器的分离后进入燃烧室再次燃烧。

我们在一辆进行耐久试验的公告车辆上发现了发动机烧机油的问题，本文将对此问题进行深入分析，对问题的起源油气分离器设计改进，最后通过测试验证设计改进的合理性。

1 某发动机烧机油分析与处理

1.1 问题车辆现状介绍

在东北长春进行耐久试验的车辆上发现了发动机烧机油的问题，测试车辆在运行不到3000 公里的路程里，机油由最初的7.85L 减少为1.7L。

烧机油是指机油通过一定的途径进入了发动机的燃烧室，与混合气一起参与燃烧。它的主要表现是排气管冒蓝烟（如图1 所示），发动机下排气比较严重，伴随有比较多的油滴排出以及机油量严重缺少等现象。在正常状态下，发动机燃烧时也会烧掉一部分机油，这些机油来自对缸体、活塞、气门润滑用的机油，不过量很少而已，这里所讨论的烧机油现象是作为故障，就是超过正常范围的烧机油现象。

车辆出现烧机油现象，会使氧传感器过快损坏，导致燃烧室的积碳增加、怠速不稳、加速无力、油耗上升、尾气排放超标等不良后果，严重者发动机润滑不足，使发动机造成难以修复的损伤甚至报废，造成维修成本大幅升高甚至事故隐患。

发动机烧机油主要由如下几个原因造成：

（1）活塞与气缸壁之间因为磨损，造成间隙过大，导致机油进入燃烧室。

（2）气门油封因为老化，破裂等原因导致的密封不良使气门罩盖内的机油顺气阀杆进入燃烧室。

（3）涡轮增压器的回油不畅或者密封不良导致增压器漏油进入气道，然后送入燃烧室。

1.2 为何增压发动机容易烧机油

从很多发动机烧机油的案例中不难发现，有相当多案例发生在装备有涡轮增压器的发动机上，下面就来分析一下是否装备有涡轮增压器的发动机更容易烧机油。

涡轮增压器利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮来压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，提高了发动机的燃烧效率，降低了油耗并且减少了排放。由于涡轮增压器经常处于高温的工作环境并且高速运转，所以需要润滑油对其进行润滑并且发挥一定的冷却作用，如图2 所示。

如上一节提到的发动机烧机油原因可见，增压发动机烧机油常见两个方面：一是涡轮增压器与进气管之间的油封密封不良导致机油泄漏，而油封损坏的主要原因是更换机油周期太长或者使用劣质机油，造成浮动的涡轮主转轴缺少润滑和散热进而损坏了油封，造成漏油。二是由于回油不畅，整个油路压力不平衡而导致机油泄漏。

1.3 发动机涡轮增压器烧机油现象与原因分析

在此次进行耐久测试的车辆上发生的发动机烧机油现象是比较严重的，主要表现为排气管冒蓝烟，机油量严重减少，下面根据上述常见的引起发动机烧机油的原因对本次发动机烧机油问题进行详细分析。

1.3.1 涡轮增压器拆解分析

我们首先将压缩空气管从涡轮增压器侧拆下，在涡轮增压器压缩机排气口一侧发现了机油的存留，并且在压缩机排气口和中冷器的连接管内也发现了机油的存留，如图3所示。

然后，我们将涡轮增压器从发动机上拆下，对涡轮增压器进行观察，发现废气涡轮以及废气涡轮壳体的表面均有相当多的黑色的碳沉积物（如图4所示），是很明显的机油燃烧后的产物，但是叶片本身没有发生弯曲变形以及发生于壳体的接触，进气压缩机以及压缩机壳体表面都光洁无瑕，没有任何变形以及残留物。

通过对涡轮增压器的观察，说明了涡轮增压器存在漏油现象。

随后将涡轮增压器送往供应商做轴承和油封的测试，发现并没有损坏的迹象，同时，对涡轮增压器进行高速动平衡测试，也未发现异常。之后换上新的涡轮增压器继续进行测试，漏油依旧，所以排除了涡轮增压器本身的问题。

1.3.2 曲轴箱通风系统拆解分析

排除了涡轮增压器本身的问题，涡轮增压器漏油还有一个可能就是回油不畅，油路内压力过高导致泄漏。涡轮增压器供油与发动机油路直接相连，回油管路直接通往曲轴箱内部，润滑油通过重力的作用直接流回到曲轴箱内，最终流向油底壳，如图6所示。既然回油管路直接通向曲轴箱，如果曲轴箱内压力较大，就会导致回油不畅而使涡轮增压器内部油路压力过大引起涡轮增压器的泄漏，而曲轴箱压力过大的一个常见原因便是曲轴箱通风系统堵塞。

那么通风系统到底有没有堵塞呢？让我们先看看我们对另一辆试验后静置在零下15度左右环境（当时长春地区的室外温度）一夜的车辆的涡轮增压器和机油滤清器进行拆除检查发现了什么：我们在涡轮增压器压缩机侧和机油滤清器上有大颗粒的冰渣，如图7所示。

随后，我们对问题车辆的机油进行了过滤分析和含水量检查，过滤分析中未发现异常的颗粒物，而机油中的含水量的确超出新机油的10倍多，但在高湿和高寒地区连续进行试验的发动机确实会通过通风系统送入的新鲜气体中带入曲轴箱进而进入机油中，从而提升其含水量。但是，另一方面机油中的部分水会在发动机热机后变成水蒸汽通过通风系统中的油气分离器及相关通风管送入燃烧室最后排出发动机。

正常情况下，当发动机停止工作后，在通风管中的水蒸汽經过缓慢冷却会残留在油气分离器和通风管中。但当发动机在连续工作8小时以上并立即停止工作时，而室外温度极低（零下15度以下），在通风管中的水蒸汽会快速冷却变成水，如果水不能回流到油气分离器中，而是累积在通风管与油气分离器接头部位（如图8所示），那么在极低温度下，如同涡轮增压器压缩机侧和机油滤清器中结冰一样，该处位置也会结冰。

当经过一夜极低温度环境静置后再次起动车辆时，且未经发动机暖机情况下，通风管与油气分离器接口处的冰无法快速解冻，这样会造成随着发动机的运转产生的机油和水蒸汽无法通过油气分离器送到进气管中，从而会造成曲轴箱内压力过高，直接影响涡轮增压器油路进出两端的压力平衡，从而导致回油不畅，油路压力过大，最终引起泄漏。

为了验证我们的分析，首先将满载通风管从进气管上拔下，让其直通大气，按照相同的步骤和方法对车辆进行一夜的极低温度静置，然后快速发动车辆并运转一定时间，没有发现烧机油现象。另一方面，如果我们手动堵住满载通风管连接进气歧管的端口，发动车辆，发现有明显烧机油现象。这就说明一旦通风系统堵塞会造成涡轮增压器润滑机油的泄漏。

2 油气分离器设计改进及验证

2.1 油气分离器设计改进

针对来自曲轴箱的蒸汽容易在油气分离器出口处遇冷凝结的问题，通过对油气分离器出口进行剖解分析发现如图9红圈所示的凹槽内容易积攒液体，而且很难回流，如果积攒到一定程度，再加上天气寒冷，很容易在该位置结冰，从而导致通气不畅。

为了解决极低温度下通风系统堵塞造成涡轮增压器烧机油现象，即油气分离器设计中出口处凹槽容易积攒液体从而导致遇冷凝结堵塞通风管的问题，我们在油气分离器凹槽处开了一个1毫米左右的小孔（如图10所示），使得液体能回流到油气分离器中，从而避免积攒结冰造成的堵塞。

2.2 油气分离器设计验证

为了验证该技术改进是否能避免涡轮增压器再次烧机油，首先在低温环境仓模拟外部环境使用旧油气分离器复现该问题，然后，我们在将改进后的油气分离器安装在同一辆试验车上进行试验，安装新的油气分离器之后分别在零下20度和常温的环境中运行，实验数据如下。

对于自然吸气发动机，应确保发动机在任何工况下曲轴箱压力<0kPa，即为负压。对于增压机型，可以允许少数工况的曲轴箱为正压，但压力应<1kPa;同时，曲轴箱的最低压力都应>-5kPa，在最糟糕的情况下，曲轴箱的最低压力不<7.5kPa。

通过对低温和常温试验数据发现，曲轴箱压力（Oil-lid）属于正常范围，同时发动机的各项指标如发动机扭矩（Eng -Trq）、发动机水温（EngCoolTemp）和发动机油温（EngOil -Temp）是也在正常范围。

然后，我们在公告车辆上安装了新的油气分离器，并正常行驶了160000 公里，没有再发现烧机油的问题，证明这此的改进是成功的。

3 结论

上面我们介绍了发动机搭载在耐久性车辆上试验过程中遇到的故障现象：排气冒蓝烟及机油快速减少（烧机油）。采用最大影响因素排除法进行了根本分析和可疑零件的排查找到引起故障的根本原因：发动机通风系统设计缺陷导致涡轮增压器烧机油。针对导致故障的根本原因提出了相应的解决措施，并将改进后的零件搭载在相关试验车辆上或在发动机台架试验上进行了验证，最后通过相关试验证明了解决措施的有效性。

参考文献

[1] Daimler AG，Introduction of the new inline engine generation 4-cylin -der， 2012.

[2] 周龙保.内燃机学[M]机械工业出版社，2005.

[3] 马广森.涡轮增压器失效原因及故障分析，2004.5.