柴油机闭式曲轴箱通风系统设计及其对排放的影响

2022-04-28张伟勋于平安王斌王蕊葛琰魏铭扬

车用发动机 2022年2期

张伟勋，于平安，王斌，王蕊，葛琰，魏铭扬

(1.拖拉机动力系统国家重点实验室，河南洛阳 471000；2.洛阳拖拉机研究所有限公司，河南洛阳 471000)

发动机曲轴箱通风气体大部分来自于缸内高压混合气体的泄漏，这其中又有80%左右是不完全燃烧产物，这些漏气在经过缸壁、狭窄的缝隙以及曲轴箱时又会携带出更多的HC并混入润滑油气液成分。因此曲轴箱通风中含有较浓的HC等气体污染物、炭烟等悬浮颗粒物、粒径在0～10 μm之间的油滴以及大量的水蒸气，如果不及时排出，会增大曲轴箱压力，造成发动机故障和润滑油污染变质，所以需要经过分离处理后及时排出。根据处理后的曲轴箱通风是排到大气还是接到进气管参与燃烧，曲轴轴向通风系统可以分为开式曲轴箱通风(Open Crankcase Ventilation，OCV)和闭式曲轴箱通风 (Closed Crankcase Ventilation，CCV)。

对于CCV系统，曲轴箱通风中的污染物会对增压器、中冷器、空气流量传感器等进气系统零部件造成污染并影响使用寿命，还会对DOC和SCR造成不良影响，因此在道路国六排放标准实施之前，柴油机多采用OCV系统。但近年来随着排放标准的升级，对曲轴箱通风的排放控制也越来越严格，例如已经实施的道路车辆第六阶段排放法规要求将发动机OCV系统的排气污染物与发动机尾气一起进行测试。虽然油气分离器可以将大部分润滑油液滴和部分大粒径颗粒物(PM)过滤出来，但仍然会将气体污染物和部分油雾、PM排出，这部分排放污染物无法通过标定来进行控制，随着排放标准的升级，曲轴箱通风中携带的污染物，尤其是PM，在发动机总排放中占的比重越来越大，甚至超过了70%，这就给OCV系统满足排放法规带来很大的困难和成本的提升。因此，CCV系统会被越来越多的柴油机采用，甚至成为一种必然趋势。

目前对于CCV的研究大多集中在油气分离器选型设计以满足曲轴箱压力、通风流量性能要求，对于机油携带量的要求不高，针对发动机性能和排放的对比研究不多。曲轴箱通风中含有较多的燃烧室废气，进入进气系统会导致新鲜进气量减少，对燃烧会产生一定的影响，废气中含有的颗粒物、大分子HC对发动机排放也会产生不利影响，尤其是润滑油成分无法完全燃烧，会造成颗粒物排放的增加。因此有必要对CCV中油气分离器进行优化设计和匹配，并进行性能和排放试验对比研究，在满足曲轴箱压力和通风流量要求的前提下，尽量降低通风气体的污染物含量，进而减少对发动机燃烧和排放的影响。本研究在一台直列4缸柴油机上，通过采用一套两级油气分离器方案，进行了机油携带量和分离效率的测试，同时分别采用OCV和CCV进行发动机台架试验，分析了CCV对发动机性能和排放的影响。

1 曲轴箱通风系统方案设计

基于一台直列4缸带EGR的涡轮增压柴油机进行曲轴箱通风系统的方案设计和试验研究，柴油机主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

对于CCV系统，为防止增压器压气机壳体结焦，要求将进入进气管的曲轴箱通风中润滑油携带量控制在0.2 g/h以下，并将压气机出口温度控制在180 ℃以下。本研究采用缸盖罩盖内安装预分离器，然后再串联一个外挂式油气分离器的方案来实现高效的油滴和油雾分离。最大曲轴箱通风量通过下式进行计算，得到该发动机最大曲轴箱通风量为74 L/min。

=(2)×05%。

式中：为曲轴箱通风量；为发动机排量；为发动机转速，一般以标定转速计算最大通风量；为增压器增压比；0.5%为柴油机常用系数。

1.1 预分离器

采用钉板式油气分离器作为预分离器，主要由多级挡板、多孔板和钉板形成的折流板结构以及单向回油管组成，兼具迷宫式油气分离器和折流板油气分离器的分离效果。预分离器安装在铝制的气缸盖罩盖内，与罩盖一起组成曲轴箱通风气体的气流通道，气体先从入口向上流入，撞击1级带齿挡板后向两侧分流，再依次经过2级波形挡板、3级迷宫式挡板、多孔板和钉板，经过多级分离的气体从罩盖上的出口流出。预分离器结构见图1。

预分离器主要利用油滴和气体的密度不同，携带油滴的气流在流经各级挡板、孔板和钉板过程中，会发生不同程度的扰动而改变方向，由于惯性的作用，油滴会撞击或吸附在分离器表面而被过滤下来，汇聚在单向回油管或曲轴箱通风入口流回气缸盖，实现油气的分离。在这个过程中，较大的油滴由于惯性大，会比较容易被捕捉下来，但部分小粒径油滴还是会随气流流出预分离器。

图1 预分离器结构

1.2 精分离器

本研究精分离器采用滤芯过滤方式，滤芯材料采用聚酰胺和玻璃纤维，其主要通过惯性碰撞、扩散运动、拦截作用3种方式对油气进行分离。惯性碰撞是部分质量较大的油滴由于惯性力作用按原方向运动、脱离气体流线而撞击在纤维上而被捕捉。由于惯性力与油滴质量正相关，所以惯性碰撞捕捉主要对1 μm粒径以上的油滴起作用，且粒径越大捕捉效率越高；扩散运动是小粒径油滴由于气流中微粒间的相互作用而作布朗运动，相对于气流作随机运动撞击到纤维而被捕捉，布朗运动仅对小直径(粒径在0.3 μm以下)的油滴起作用，且粒径越小捕捉效率越高；拦截作用的机理是当油滴在随着气流绕过纤维表面时，油滴直径大于其与纤维表面的距离，则会被纤维吸附拦截，主要对粒径在0.3 μm以上的油滴起作用，与过滤材料孔隙大小有关。图2示出精分离器结构。

图2 精分离器结构

精分离器设计通风量100 L/min，满足计算得到的最大曲轴箱通风量(74 L/min)要求，采用切向入口，使未经分离的曲轴箱通风气流能够在滤芯外侧周围均匀分布，被捕捉的油滴从回油口流回油底壳，旁通阀保证在滤芯发生堵塞时曲轴箱压力不会过高。CCV系统要求曲轴箱压力在0～-2 kPa(低转速、低负荷工况允许出现微正压)，为防止进气管负压造成曲轴箱压力超出设计限值，在精分离器出口处设计有一个弹簧膜片压力调节阀，通过对膜片面积、流通面积和弹簧弹性系数的设计匹配，该阀可以通过滤芯腔内压力、膜片弹簧力和进气系统压力的平衡来实现对各个工况下的曲轴箱压力调节。

2 曲轴箱通风机油携带量试验

2.1 试验测量方法

采用绝对滤芯对分离后的曲轴箱通风过滤并称重的方法在发动机试验台架上对所述的曲轴箱通风系统分离效率和机油携带量进行了试验测量。测量方法示意图见图3。

图3 机油携带量及精分离器分离效率测量示意

正式测量前先不连接绝对滤芯和真空引射器，将分离后的曲轴箱通风接入增压器前进气管路(如图3中虚线所示)，按照正常CCV系统进行发动机预测试，得到各个测试工况下的曲轴箱压力，同时确保预测试前后集油瓶质量增加，确保精分离器在正式测试前处于饱和状态。然后断开精分离器到进气管的连接管路(图3中虚线管路)，将分离后的曲轴箱通风依次引入绝对滤芯和真空引射器，并向真空引射器内通入可调节压力的压缩空气来模拟发动机进气管负压，使各测试工况下的曲轴箱压力与预测试时相等。在各个测试工况下稳定运行1～2 h后，测量绝对滤芯(需要烘干去除水分后测量)和集油瓶带精分离器的质量，即可计算出该工况下分离后的曲轴箱通风机油携带量和精分离器分离效率，计算公式为

=(f-)，

式中：f为该工况测量结束后绝对滤芯质量；为该工况使用的绝对滤芯干净状态下的质量；为该工况持续测试时间；和分别为该工况测试前后集油瓶和精分离器的总质量。

2.2 测试结果

选取了具有代表性的标定点、扭矩点和另外2个满负荷工况进行分离后的曲轴箱通风机油携带量和精分离器过滤效率测试试验，每个工况持续时间1 h，测试结果见表2。

表2 机油携带量和分离效率测试结果

从表2可以看出，外特性上4个工况点分离后的曲轴箱通风机油携带量均小于0.2 g/h的设计目标，精分离器的过滤效率均在92%以上，可大幅度降低闭式曲轴箱通风中机油成分对进气系统的影响。

3 CCV对发动机性能及排放的影响

基于以上预分离器和精分离器组合的配置方案，分别按OCV和CCV进行发动机台架性能和排放试验，分析发动机从OCV改为CCV后对发动机性能和排放的影响。

3.1 曲轴箱压力和曲轴箱通风量对比

在发动机缸体曲轴箱处打孔测量曲轴箱压力，进气压力在增压器前进气管上打孔测量，曲轴箱通风量通过在精分离器出口串联一个同圆漏气测量仪进行测量，采用OCV时将漏气测量仪出口直接通大气，采用CCV时将漏气测量仪出口接入发动机进气管。TOCEIL MAS06漏气仪精度为±1%。外特性上曲轴箱压力和曲轴箱通风量对比曲线分别见图4和图5。

图4 外特性曲轴箱压力和进气压力对比

图5 外特性曲轴箱通风量对比

从图4可以看出，在外特性上，与OCV相比，CCV对进气压力影响不大，两者基本一致。这是因为曲轴箱通风量占发动机进气量比例很小，在同样进气量下，进气压力主要受空滤和进气管路的阻力影响。OCV曲轴箱压力为0.5～1.2 kPa，CCV仅在低速1 000 r/min时为正压0.15 kPa，随着转速的增加，进气压力逐渐减小，最低为-1.1 kPa，这是由于随转速增加，进气量增大，进气压力进一步减小，但在精分离器上压力调节阀的作用下，将曲轴箱压力控制在了-2 kPa以上，满足设计要求。

从图5可以看出，CCV与OCV相比曲轴箱通风量在不同的工况下互有高低，总体相差并不大，CCV在2 200 r/min时达到最大曲轴箱通风量66.7 L/min，在计算最大值的范围内。

3.2 缸内最高燃烧压力及相位对比

在发动机缸盖上安装各缸缸内压力传感器，并用KIBOX燃烧分析仪测量缸内压力随曲轴转角的变化。图6示出外特性下2缸最高燃烧压力及相位的变化曲线。图7示出外特性燃油消耗率的对比曲线。

图6 外特性最高燃烧压力及相位对比

图7 外特性燃油消耗率对比

从图6和图7可以看出，外特性上CCV与OCV最高燃烧压力及相位相差不大，1 200～2 200 r/min最高燃烧压力CCV比OCV略小，各工况下CCV的燃油消耗率比OCV略高，两者相差0.8～2 g/(kW·h)。这主要是由于采用CCV时曲轴箱通风占用了一部分新鲜进气量，混合后的进气温度也有稍许增加，空燃比略有减小，造成了最高燃烧压力和燃油消耗率的变化。

3.3 对排放的影响

使用HORIBA全流稀释排放系统MEXA-7200D和AVL483烟度测量仪分别在外特性稳态和NRTC循环瞬态工况下进行了CCV和OCV对比试验。

现代柴油机HC和CO排放水平较低，且很容易在装有DOC的后处理系统中被氧化掉，所以本研究主要关注NO和PM的排放值。而炭烟(Soot)是PM的重要组成部分和形成核心，且测量更加方便，因此排放试验时也将Soot排放作为重点关注对象加以测量和分析。图8、图9分别示出外特性稳态工况下NO比排放和Soot比排放的对比曲线；图10、图11分别为NRTC瞬态循环下NO和Soot排放质量浓度的对比曲线；表3为NRTC瞬态循环NO和PM比排放量以及燃油消耗率的对比。

从图8和图9可以看出，在外特性稳态工况下，1 000～1 800 r/min中低转速时CCV比OCV的NO比排放略小， Soot比排放量略高，高速时两者基本一致。这可能与随着转速的升高曲轴箱通风量占新鲜进气量的比例降低有关，空燃比的降低导致了NO的减少和Soot的增加。总体上两者NO比排放相差很小，采用CCV时Soot比排放量略高，但两者都处于较低水平，对排放标定影响不大。

图8 外特性NOx比排放量对比

图9 外特性Soot比排放量对比

图10 NRTC循环各工况NOx排放对比

图11 NRTC循环各工况Soot排放对比

表3 NRTC循环污染物比排放量及燃油消耗率结果对比

从图10可以看出，CCV和OCV相比，两者NRTC循环NO排放峰值互有高低，大部分工况下两者本一致。由图11可以看出，采用CCV时Soot排放比OCV略高，但相差不大，总体上两者Soot排放较为一致。

从表3可以看出，与OCV相比，CCV NRTC循环NO和PM比排放略微升高，增幅分别在1%和3.4%以内。PM增幅稍大，一方面是由于Soot排放增加，另一方面是因为曲轴箱通风含有的润滑油燃烧产生的高碳链烷烃导致SOF成分的增加。总体来看，CCV对与NO和PM排放标定影响不大。另外CCV循环工况加权燃油消耗率比OCV多0.9 g/(kW·h)，增幅为0.4%，可见在NRTC瞬态循环工况下，CCV对燃油经济性的影响也不大。