基于CFD的曲通管电加热结构优化

于贵芙，黄昌瑞，张治国

基于CFD的曲通管电加热结构优化

于贵芙，黄昌瑞，张治国

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

文章以整车高寒工况下曲轴箱通风管口结冰问题布置的PTC电加热单元为研究对象，通过对比不同电加热单元布置结构下窜气气流温度和电加热单元温度，得出整车在极寒高速工况下受进气气流影响更小，在使用相同加热功率条件下加热曲轴箱通风管管口效果最优的布置结构。

曲轴箱通风系统；电加热结构

前言

当发动机工作时，燃烧室内由一部分燃油蒸汽、水蒸气和燃烧废气等构成，曲轴箱窜气通过活塞环与气缸套的间隙进入发动机曲轴箱，并通过发动机曲轴箱通风系统进入发动机进气系统，为防止气体中成分对发动机零部件及机油造成影响，需要通过强制曲轴箱通风系统排入发动机进气系统内重新参与燃烧。但当车辆在冬季行驶，曲轴箱窜气中的水蒸气极易受环境温度影响，在与窜气通道管口位置与冷空气相遇结冰，当结冰堵塞曲轴箱通风系统管路时，曲轴箱内窜气无法及时排出将会导致曲轴箱压力将急剧上升，产生曲轴箱油封渗漏、发动机烧机油（排气能够观察到蓝色雾气）、机油尺喷出等问题。为避免此问题产生，一般曲轴箱通风管路末端结冰位置会布置利用发动机冷却水进行加热的结构[1]，不同于水加热结构受限于发动机冷却系统布置，利用整车电瓶，由ECU控制的PTC电加热单元更容易设计布置和针对不同工况利用ECU进行控制[2]。但在−40 ℃极寒天气下，受限于PTC电加热单元功率，不合适的布置结构会导致加热结构未能发挥作用，管口仍会结冰。本文主要通过对不同PTC电加热单元布置结构进行对比分析，得出“极寒”天气下最适宜的结构。

1 结冰问题描述

某车型前期研发时为防止后期曲轴箱通风管路结冰，在曲轴箱通风管口（潜在结冰位置）布置了PTC电加热结构，但车辆在海拉尔进行高寒高速工况试验车辆行驶到120公里时出现曲轴箱压力异常升高，停车检查发现曲轴箱通风管接口内出现结冰状况，拆卸相关零部件观察进气管内部确定结冰位置介于电加热导热管和进气管通道之间（如图1）。通过对原结构进行流场分析发现窜气气流在流出加热器导热管后即贴向管壁（见图2圆圈处），由于进气管处于整车发仓迎风面，进气管壁温度极低，窜气在该位置急速冷却，窜气内水分也在此凝结，而导热管热量并不能覆盖到该位置最终导致结冰问题产生。

图1 原始方案曲轴箱通风管接口内结冰

图2 结冰位置示意图

2 改进设计

为规避图2中圆圈位置曲轴箱窜气从导热管流出后与进气管管壁接触的问题，将PTC电加热结构的导热管延长如图3所示，延长后重新进行流场计算如图4。延长导热管后曲轴箱窜气从导热管口流出后直接汇入进气管进气气流，避免了之前结冰温度。

图3 导热管延长示意图

图4 结冰位置示意图

对改进后结构重新进行高寒高速工况试验验证，车辆行驶至油量提醒未出现曲轴箱压力异常升高问题，拆解PTC电加热结构发现在进气管内出现竖起片状结冰（如图5所示）。

对比改进前后通过试验温度传感器监控数据发现电加热结构温度监控点数据由原来约10 ℃降为0 ℃，加热器热量流失增大。经分析是由于改进后结构导热管伸入进气管内，其热量被进气气流带走得更多，当导热管温度低于10 ℃后，曲轴箱窜气在流经低温的导热管时会有部分水分冷凝，并被气流带动沿管口流出，形成图5中竖直积起的结冰。使用较之前更大功率的电加热结构发现，电加热结构温度并无可见提升，主要由于露出导热管迎风面过大，单纯加大加热器功率已无法弥补导热管的热量损失。

图5 改进结构曲轴箱通风管接口内结冰

图6 电加热结构温度监控数据对比

经验证，图5中结冰在车辆停车怠速时会明显消融，但对于非连续高寒高速行驶用户和城市工况用户无管路结冰堵塞风险。

3 持续优化

通过之前两款加热器布置的分析及试验结果可以发现，电加热结构导热管如果未探入进气管，就会在接口位置结冰；如果探入过长，又会被窜气带走热量失去加热功能。目前布置结构导热管轴线未指向进气管轴心，如果调整导热管位置，将导热管轴线指向进气管轴心，则可保证导热管露出进气管且露出迎风面积最小。对此结构进行模拟分析如图7（c）所示，加热器最高温度42 ℃，导热管末端最低温度29.2 ℃，相较图7（a）的原始结构温度要略低，但比改进方案图7（b）要明显改善导热管温度。在此结构基础上将接口位置作局部凹陷设计，避免接口与进气气流直接交汇则可以将加热器最高温度提升到62.2 ℃，导热管末端最低温度提升至53.5 ℃（见图7（d））。将4种布置方案分析数据结果汇总至图8，可明显比较出不同布置结构对导热管温度影响，从数据上采用图7（d）中优化布置方案分析结果最好，在实际布置时，可以调整凹陷位置，只需保证加热器导热管能均匀露出接头一小部分即可，凹陷位置尽量正对进气管轴线即可。

图7 不同布置结构加热器温度分析

图8 不同布置结构加热器温度数据对比

4 结论

电加热结构尽管可以有效融化曲轴箱通风系统管口结冰，但由于电加热结构的金属导热材质在实际使用过程中也更容易受进气气流影响，如设计不当，在低温环境下反而加速管口结冰现象。通过分析之后，如能将加热结构适当布置于不受进气气流影响位置，就可以提升电加热结构热量利用率，在保证功能前提下减少不必要能量损失。

[1] 袁海马,黄昌瑞,李振华,等.汽油机曲轴箱通风系统加热结构[J].内燃机,2014(5):13-15.

[2] 简辉,张弘,朱戈,等.曲轴箱通风呼吸管结冰问题解决方案[J].上海汽车,2014(12):53-55.

Optimization of Electric Heating Structure of Flexible Tube Based on CFD

YU Guifu, HUANG Changrui, ZHANG Zhiguo

( Brilliance Auto R&D Center, Liaoning Shenyang 110141 )

In this paper, the PTC electric heating unit is designed to solve the freezing problem of the blowby pipeline under the vehicle cold working condition. Under the same heating power, through the comparison of the blowby-air temperature and the temperature of the electric heating unit, the optimal layout scheme of electric heating is obtained under the condition of extremely cold and high speed, which is less affected by the inlet air flow.

Crankcase ventilation system; Electric heating structure

U464

A

1671-7988(2021)15-86-03

U464

A

1671-7988(2021)15-86-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.024

于贵芙，就职于华晨汽车工程研究院。