天然气发动机曲轴箱通风系统应用研究

2022-12-17段继翔刘冠麟史玉梅唐忠刚赵丽梅

小型内燃机与车辆技术 2022年5期

张腾段继翔刘冠麟史玉梅唐忠刚赵丽梅，2

（1-潍柴动力股份有限公司山东潍坊 261061 2-潍柴动力空气净化科技有限公司）

引言

发动机在正常工作时，燃烧室中的混合气体不可避免地从活塞环与缸套之间的空隙窜入到曲轴箱内，如果该部分混合气无法及时排出会引起发动机曲轴箱内压力过高，导致发动机发生漏油、漏气等三漏问题；另外该混合气温度较高及含有一定量水分促使机油稀释乳化，影响机油性能等问题[1-2]。因此各发动机均有必要带有曲轴箱通风系统装置以降低对发动机的损害。

当前天然气发动机在商用车领域的应用越来越广泛并且已经实施了中国第六阶段排放标准。相比于国五排放标准，国六标准除了对天然气发动机的污染物排放限值和种类加严之外，还要求在整个WHTC 排放测试循环过程中的曲轴箱压力都不高于大气压力，即在WHTC 排放测试循环的整个过程中曲轴箱的相对压力为负值[3]。另外国六排放法规中规定对曲轴箱通风系统进行OBD 监测，因此对天然气发动机的曲轴箱通风系统的应用提出了挑战，但是目前相关的研究成果很少。

本文介绍了曲轴箱通风系统的结构及分类，然后对装有闭式曲轴箱通风系统和防喘振阀结构的天然气发动机进行试验研究。通过研究防喘振阀工作时对曲轴箱压力的影响并根据该结果提出了曲轴箱通风系统相关管路走向，保证曲轴箱在进行WHTC循环测试时小于大气压力，满足法规要求。

1 曲轴箱通风

1.1 曲轴箱通风系统作用

曲轴箱通风系统主要作用是将发动机曲轴箱中的混合气体利用油气分离器装置进行分离，其中分离出的气体进入到大气中或者进入燃烧室中进行再燃烧，机油进入到油底壳中；另外还需要将曲轴箱压力保持在一定范围内[4]。

1.2 曲轴箱通风系统构成

曲轴箱通风系统结构通常由油气分离器、曲轴箱压力传感器及各相关管路构成，主要结构见图1。油气分离器是曲轴箱通风系统的关键零部件之一，主要作用是将曲轴箱中的混合气进行油气分离[5]。油气分离器采用离心式结构，分为预分离、精分离两部分；其主要工作原理是利用油气两相的密度不同将油气进行分离。预分离机构采用挡板式结构，曲轴箱中的混合气进入油气分离器后，其中的油滴遇到挡板壁面后会吸附在其表面上然后聚集，当液滴聚集到一定程度时就会发生油滴顺着对应的管路流回预分离管路。由于油滴的大小不同，颗粒较大的比较容易吸附聚集而较小的油滴由于惯性较小极容易混合在气流中随着气流进入油气分离器精滤结构[6]。精分离机构采用离心式结构，通过发动机高压机油驱动油气分离器内部页片旋转，依靠高速离心作用对油气进行分离。在油气分离场中，油滴较气体重可直接被甩到外围结构在重力作用下回流，而气体则在转子中心聚集沿着内部结构通道流出油气分离器[7-8]。

图1 发动机曲轴箱结构示意图

1.3 曲轴箱通风结构分类

曲轴箱通风系统主要结构形式分为开式及闭式两种。其中，曲轴箱中的混合气经油气分离器后的气体直接排出到大气中称为开式循环结构，具有结构简单、成本低但是排放不受控；另外一种是将分离出的气体再次经增压中冷系统进入到燃烧室中进行尾气处理称为闭式循环结构，该结构可有效降低发动机的排放但是结构复杂、对油气分离器工作效率要求较高并且对增压中冷系统的寿命有一定的影响[9-11]。

在国五排放阶段发动机普遍采用开式曲轴箱通风系统结构；而到了国六排放阶段要求曲轴箱中的混合气需要与排气中的尾气相叠合进行排放测量以满足排放法规限值。而国六排放法规GB 17691-2018 中规定需要对天然气发动机对曲轴箱压力有OBD 进行监控且为了更好地控制发动机排放，因此曲轴箱闭式循环系统成为天然气发动机的必要结构之一。

2 试验装置和方法

在本文中对装有闭式曲轴箱通风系统的天然气发动机进行曲轴箱通风系统测试研究，其中曲轴箱压力测点为发动机缸盖罩壳上的机油加注口位置，发动机测试设备均满足GB17691-2018 的要求。

2.1 防喘振阀出气管对曲轴箱压力的影响

当前采用当量燃烧的天然气发动机均安装使用了防喘振阀，防喘振阀的出气管安装在了增压器的压气机进气端，同时该位置也安装带有曲轴箱压力传感器取气管。当发动机在减速（节气门开度突然减小）时，防喘振阀工作将多余的气体放出到增压器压气机进气管内，对曲轴箱压力测量产生了一定影响，导致对曲轴箱压力测量不准确。因此有必要研究防喘振阀出气管的位置对曲轴箱压力的影响。在本文中测试了天然气发动机防喘振阀出气管是否接通在增压器压气机进气管中（防喘振阀出气管与曲轴箱出气管连接为任意连接结构方式）的曲轴箱压力值，具体结果见图2。

图2 发动机曲轴箱压力

由图2 可知，在WHTC 测试循环过程中，增压器压气机进气管连接了发动机防喘振阀出气管后的曲轴箱压力全程均高于未连接发动机防喘振阀出气管；且曲轴箱压力超过大气压力。增压器压气机进气管连接了防喘振阀出气管后的曲轴箱压力平均值为-0.36 kPa；而未连接发动机防喘振阀出气管曲轴箱压力平均值在-0.97 kPa；这主要是因为通过防喘振阀出气管放出的多余气体带有一定的压力，该压力值很容易超过油气分离器出气管的压力导致经过防喘振阀的气体进入到油气分离器引起曲轴箱压力升高；另外防喘振阀出气管在与增压器压气机进气管连接密封处等存在密封不严些许漏气也会导致曲轴箱压力升高。但是防喘振阀取气管如直接放在空气中则会引起发动机噪声偏高，因此需要合理布置连接防喘振阀出气管减少对曲轴箱压力的影响。

2.2 发动机曲轴箱压力测试

2.2.1 发动机曲轴箱通风系统设计

根据试验结果，为了降低发动机防喘振阀出气管对曲轴箱压力的影响，需要合理布置曲轴箱通风系统出气管和防喘振阀出气管。发动机防喘振阀出气管与曲轴箱通风系统的出气管同时接在增压器压气机进气端呈现出垂直布置且发动机防喘振阀出气管较长且超过曲轴箱通风系统出气管的位置，具体见图3。根据1.2 描述，油气分离器采用主动预分离结构，利用发动机主油道的机油驱动油气分离器工作，通过油气分离内部扇叶高速旋转抽取曲轴箱中的废气同时促进曲轴箱中快速建立负压环境。在发动机停机或者倒拖时主油道机油的惯性推动油气分离器工作；而在启动或者怠速运行时，天然气发动机节气门开度较小在10%左右进气压力处于负压状态，发动机漏气量减少，同时发动机主油道机油压力快速建立推动油气分离器工作，使曲轴箱压力呈现出负压状态。发动机曲轴箱压力传感器安装在油气分离器进出气两端，对曲轴箱压力进行测量并利用该测量值对曲轴箱通风系统进行OBD 监测。

图3 增压器压气机进气管路布置

2.2.2 发动机曲轴箱通风系统压力测试

在合理布置增压器压气机进气管路后，利用WHTC测试循环对天然气发动机曲轴箱压力进行测试。图4给出了天然气发动机曲轴箱压力的测试结果，发动机曲轴箱压力在冷态WHTC 循环值为-0.72 kPa，在热态WHTC 循环值为-1.03 kPa。

图4 曲轴箱压力变化曲线

发动机曲轴箱压力在冷态WHTC 循坏排放测试时的结果较高特别是在发动机启动阶段，但是发动机曲轴箱压力全程为负压值，满足法规要求。与发动机热态WHTC 循环测试时对比，发动机在冷态运行时发动机的机油、水温等并未达到正常状态，发动机的活塞漏气量值相对偏高，因此在冷态WHTC 测试时发动机曲轴箱压力较高。但是在发动机进入正常状态后，发动机冷热态WHTC 测量值差异较小。通过曲轴箱压力传感器（Crankcase Valve Pressure，CCVP）测量值与试验台架的测量值进行，两者测量平均值相差1.24%，可认为是传感器测量准确，同时可以利用该传感器测量值进行曲轴箱通风系统OBD 监控。