进气歧管上曲通结构对节气门体结冰的影响研究

闵熳，夏英子，刘向峰，王勇，宋志辉

进气歧管上曲通结构对节气门体结冰的影响研究

闵熳1,2，夏英子1，刘向峰1，王勇1，宋志辉1

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336； 2.浙江吉利动力总成有限公司，浙江 宁波 315800）

进气歧管为发动机进气系统主要零部件，担任着向发动机各个气缸引入混合新鲜空气的作用，同时决定发动机各个气缸充气均匀性和进气效率[1]。而曲轴箱通风系统的油气大多会通过管路引入进气歧管，并进入气缸进行燃烧。文章通过进气歧管的曲通均匀性分析及冬季试验研究了进气歧管上不同的曲通结构对发动机节气门体处结冰的影响，对进气歧管曲通结构的设计有一定的指导意义。

进气歧管；曲通结构；曲通均匀性分析；冬季试验

1 引言

众所周知，发动机工作时，总有一部分可燃混合气和废气经活塞环与汽缸套之间间隙窜入曲轴箱内，业内将这种泄露称为“窜气”，窜气中含有燃油、水蒸气和废气等大量污染物，如果不加处理，发动机曲轴箱内压力会升高破坏发动机的密封，导致发动机油封失效、机油渗漏，这些窜气逸入大气还会造成大气污染；另外水蒸气遇冷凝结在机油中会形成泡沫，破坏机油供给，严重时会形成油泥，阻塞油路，这种情况在冬季尤为严重；废气中的酸性气体与水和空气接触会形成酸性物质，这些酸性物质不仅腐蚀零件，而且也会使机油变质、加速运动件磨损[2]。

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，现在发动机上都设计有曲轴箱通风系统。同时，随着排放法规的日益严格，为了控制曲轴箱窜缸混合气的排放量，须采取控制系统，将曲轴箱内的混合气通过软管连接到进气管或进气歧管的适当位置，随新鲜空气进入气缸重新燃烧，这样既可以减少排气污染，又能提高发动机的经济性。

一般为了保证曲通废气的均匀性，进气歧管上会设计独立对称的曲通结构，如图1所示。但一般情况下曲轴箱废气温度较高，在冬季较寒冷地区，热的曲通废气与冷的零部件及新鲜空气相遇时，废气中的水蒸气遇冷会液化为小水珠，在寒冷地区，极易结成冰。

本文通过对某机型冬季试验过程中节气门体处结冰的失效模式进行分析，找到了节气门体处结冰的原因，并最终结合仿真分析及方案优化验证解决了该问题。

图1 某机型进气歧管上曲通结构

2 节气门体结冰问题描述

某增压发动机在搭载整车进行冬季试验时出现动力不足问题，经拆机检查发现节气门体阀板处结冰导致卡死，如下图2所示。

图2 某机型冬季试验节气门体结冰示意图

3 节气门体处结冰问题分析

3.1 曲轴箱通风系统原理

图3 某发动机部分负荷工况曲轴箱窜气图

增压发动机在部分负荷工况时，节气门半开，进气歧管负压很大，PCV阀导通，曲轴箱窜气经部分负荷油气分离器进行油气分离后，通过 PCV阀、曲轴箱强制通风管进入进气歧管[3]。路线如图3所示。

3.2 进气系统布置分析

如下图4为进气系统在整车上的布置图示，可以看出，进气歧管上曲轴箱通风管接口距离节气门体很近，且节气门体位置朝下，处于易积水区域；图5为进气歧管曲通结构示意图，进气歧管上独立的小负荷曲通通道为1分2结构连接进气歧管稳压腔，但曲通结构出口位置距离节气门体较近，且曲通废气与新鲜空气气流方向垂直，两者产生干涉。在冬季试验低温环境下，热的曲轴箱废气遇到冷的新鲜空气时容易液化成小水珠，导致液态水流入进气歧管入口处，在节气门体阀板处形成积水并结冰。

图4 整车上系统布置图

图5 进气歧管曲通走向图示

3.3 进气歧管曲通结构瞬态均匀性分析

图6 进气歧管曲通均匀性分析流线图

为分析曲轴箱通风系统油气到各缸的分布情况，我们进行了进气歧管曲通结构瞬态均匀性分析。如图6、图7分别为仿真计算的流线图及颗粒图，可以看出，因曲通出口位置距离节气门体位置较近，大量曲通废气会流向节气门体位置，在冬季温度较低的情况下，热的曲通废气与冷的节气门体阀板及新鲜空气相遇，发生液化并汇聚在节气门体阀板上，结冰造成阀板卡死。

图7 进气歧管曲通均匀性分析气体分子颗粒图

3.4 故障复现验证

（1）方案说明

为验证上述分析情况，在另一款结构类似的进气歧管上设计了不同的曲通接口位置及结构，并在环境仓中进行了验证，方案一如下图8所示，曲通出口位置连接进气总管，正对节气门体（与上述结冰问题结构一致）；方案二如下图9所示，曲通出口位置在稳压腔上；方案三如下图10所示，曲通出口位置连接进气歧管气道，远离节气门体位置，水珠不易液化流入节气门体处。

图8 曲通入口在进气总管上

图9 曲通入口连接稳压腔

图10 曲通入口连接进气歧管气道

（2）故障复现验证

将上述三个样件分别在低温环境仓中进行曲通试验验证，试验结果如下：

方案一：曲通出口位置连接进气总管，距离节气门体位置近，且曲通废气气流与新鲜空气气流方向垂直，正对节气门造成液化水聚集在节气门体处，如下图11所示。

方案二：曲通出口位置连接稳压腔，虽然出口位置远离节气门体位置，但在节气门体正上方，水珠易液化流入节气门体处，造成结冰，如下图12所示。

方案三：曲通出口位置连接进气歧管气道，且曲通废气气流方向顺着新鲜空气气流方向，节气门体处无结冰情况。

图11 方案一结冰情况

图12 方案二结冰情况

通过上述故障复现验证，可以初步得出上述故障为曲通不合理的布置结构所致。

4 结冰问题优化方案

从上述分析及冬季试验结果来看，进气歧管上不合理的曲通结构导致了节气门体处结冰，使得节气门体卡死，进而出现发动机加速无力的问题。结合上述故障复现验证情况，对该问题机型进气歧管上曲通结构进行了设计优化，如下图13所示，新曲通结构的曲通出气口连接进气歧管法兰面，远离节气门体，距离缸盖较近，且与新鲜空气气流方向平行，即使热的曲通废气遇到冷的新鲜空气或者歧管壁面液化，水珠也是在进气歧管稳压腔内部，不会聚集在节气门体位置，而稳压腔内部的水珠随着进气温度的升高，会随着进气进入气缸燃烧，不会对零部件产生任何影响。

图13 新状态进气歧管曲通结构走向示意图

为验证该分析情况，针对新曲通结构的进气歧管同样进行了曲通瞬态均匀性分析，并制作样件搭载冬季实验进行验证，曲通瞬态均匀性分析结果如下图14，可以看出，新曲通结构的进气歧管曲通废气颗粒很少进入节气门体位置，即节气门体阀板位置无水珠或水珠很少，节气门体阀板不会出现结冰导致卡死的情况。

图14 新状态进气歧管曲通均匀性分析气体分子颗粒图

冬季试验结果也显示，节气门体阀板出无结冰情况。试验后节气门体阀板处无结冰情况，如下图15所示。

图15 新状态进气歧管冬季试验节气门体阀板处结冰情况

从上述分析及试验验证可以看出，节气门体结冰问题与进气歧管曲通结构强相关。在后续进气歧管产品设计时，需重点关注曲通结构，进气歧管上小负荷曲通结构设计时，需关注曲通出气口的位置及角度，同时，需同时考虑曲通废气进入各缸的均匀性。

5 结束语

本文通过原理分析，故障复现、曲通均匀性仿真分析、冬季试验，可以看出，进气歧管曲通结构设计需重点关注节气门体结冰问题，后续进气歧管曲通结构的设计需同步考虑以下几点：

（1）需考虑进气歧管曲通结构的出口位置，杜绝布置在节气门体上方。

（2）需考虑曲通废气气流方向与进气歧管主通道气流方向的角度。

（3）设计之初结合仿真计算，分析曲通气体内气体分子在进气歧管内的运动情况。

[1] 麻向军,邓霁兰.塑料进气歧管的研究进展[J].模具技术,2009,(5): 58-62.

[2] 李建国.车用发动机曲轴箱通风系统构成及常见故障分析[J].内燃机与配件.2014,(5):32-34.

[3] 肖姗姗,韩广华,韩玉伟等.某增压直喷汽油发动机曲轴箱通风系统失效的分析和解决[J].小型内燃机与车辆技术,2015.44(3):52-55.

Intake Manifold’ PCV Structure Influence The Frozen Of The Throttle body

Min Man1,2, Xia Yingzi1, Liu Xiangfeng1, Wang Yong1, Song Zhihui1

( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315336; 2.Zhejiang Geely Powertrain Co. Ltd., Zhejiang Ningbo 315800 )

The intake manifold is the main component of engine, it can supply fresh air to the engine cylinder, it has direct influence on the uniformity of inlet and intake efficiency[1]. exhaust gas from PCV structure will flow into intake manifold, and finally burn in the cylinder. The article is based on the PCV CFD analyze and winter test, By the test result, it can be found that the PCV structure in intake manifold has a great impact on the frozen of throttle body, it will be useful for the design of the PCV structure in intake manifold.

Intake manifold;PCV structure in intake manifold;PCV CFD analyze; Winter car test

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.036

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闵熳（1991-），男，湖北随州人，工程师，本科，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司、浙江吉利动力总成有限公司，主要从事发动机进、排气系统设计工作。