当前车用发动机曲轴箱通风系统及其发展趋势

2022-09-14

当往复式内燃机运转时, 少量的工作气体从气缸壁与活塞间穿过, 以活塞漏气的形式进入曲轴箱。这一现象的主要原因是活塞环并不是完全气密的特别是, 当活塞环上同时出现高温和高压差时, 这会导致发动机机油粘附在活塞和气缸上, 雾化成一层细小的油雾这层油雾随着活塞漏气一起被传输至曲轴箱内。

另外, 当发动机运转时, 较大的油滴就会从发动机运动件 (曲轴、活塞、连杆、凸轮轴和正时链条等) 上被甩出来, 形成油雾。另一个主要的油雾源是广泛运用于高性能发动机活塞的飞溅机油冷却。此处, 之前气态低沸点润滑油成分的雾化促成了机油颗粒的形成。

曲轴箱内的混合气体的主要成分为未燃的烃、水蒸气、废气等。这会稀释机油, 降低机油的使用性能, 加速机油的氧化、变质和增加消耗;水气凝结在机油中, 会形成油泥, 阻塞油路;酸性的气体混入润滑系统, 将导致发动机零件的腐蚀和加速磨损;窜气还会使曲轴箱的压力过高而破坏曲轴箱的密封, 使机油渗漏流失。

因此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, 也为了满足日益严格的排放要求和提高经济性, 在车用发动机设计过程中必须进行曲轴箱通风系统设计。

1 通风形式

曲轴箱通风系统主要分为:开式曲轴箱通风系统和闭式曲轴箱通风系统两类。开式曲轴箱通风系统在发动机处于全负荷低转速时, 产生的漏气量大, 但流量控制阀开度却减小, 过量的窜缸混合气会通过开式通风盖散入大气, 其净化率较低。

为完全控制曲轴箱的排放, 就需采用闭式强制曲轴箱通风系统。闭式强制曲轴箱通风系统能完全实现控制曲轴箱的排放, 防止油泥和其他有害物质的积蓄, 减少了发动机的故障和磨损, 也更能满足越来越严格的排放标准和环保要求。

2 主要零部件

2.1 油气分离器

油气分离器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。因此油气分离器的分离能力非常重要。

当前车用发动机运用较多的油气分离器形式主要有:迷宫式、旋风式、滤芯式、离心式。另外近期在研究开发的还有静电式的油气分离器。迷宫式油气分离器主要通过减缓曲轴箱混合气的流速, 使混合气中的油雾冷凝, 从而达到油气分离的效果。迷宫式的主要特点是使用寿命长, 压损小, 价格便宜但分离效率较低;旋风式油气分离器主要通过流体学原理达到分离效果, 旋风式的主要特点是装配 (布置) 方便, 价格便宜, 开发技术比较成熟但也存在分离效率较低的缺点;滤芯式油气分离器主要利用特制的滤芯来分离混合气中的油雾, 从而达到分离效果, 分离效率较高, 且技术成熟, 但滤芯的更换周期很短;离心式分离器通过离心力的作用将油雾分离出来, 分离效率高, 压力损失小, 使用寿命长, 但价格昂贵;静电式分离器, 通过吸引机油电离子的原理将油雾分离出来, 分离优于离心式, 并且对微小油滴的吸附能力很强, 压力损失少, 使用寿命长, 但目前此类产品处于预开发阶段, 技术还不是很成熟。

目前离心式油气分离器的技术已经比较成熟, 许多商用车发动机都采用此油气分离器。主要工作原理就是利用离心技术, 其本身并不十分复杂, 大多数这样的离心式分离器的动力源来着主油道的润滑油, 其压力足够来驱动油涡轮, 让分离器产生有序的振动, 分离器转子的转速能够达到70 00 r/min, 可以使曲轴箱混合气产生大约25000 m/s2的加速度 (大致相当于重力加速度的2500倍) , 足够将油滴完全从曲轴箱混合气中分离出来。这些油滴从转子的转片边缘处甩出, 汇集到曲轴箱壁上, 然后慢慢地被收集到油底壳, 而被净化后的曲轴箱混合气再通过一个单独的出口进入进气系统中。随着转速的升高, 离心式油气分离器的分离效率也随之升高。

对于同一种油气分离器来说分离效率随着系统的油滴大小的状况而不同。研究表明, 细液滴频谱中的45%被分离 (等同于所有大于0.8微米的液滴被分离;占总质量的60%~100%) 以及75%的大液滴被分离。

2.2 PCV阀

PCV阀 (压力控制阀) 的工作原理是通过曲轴箱与进气管之间的压力差来调节窜气的流量, 使曲轴箱压力稳定在一个合适的范围内, 一般柴油机, 曲轴箱压力必须保证在-2.5k Pa~1k Pa;汽油机:曲轴箱压力必须保证在-2.5k Pa~0k Pa。PCV的另一种作用是阻止发动机的回火:即燃烧室内的火焰会随着闭式曲通管路到达曲轴箱, 引起曲轴箱爆炸。

常用的PCV阀有两种形式, 一种是膜片式, 一种是柱塞式。要求气体通过PCV阀, 有较低的压降。当进气歧管压力大于曲轴箱压力时, PCV阀不工作;当进气歧管压力小于曲轴箱压力时, PCV阀工作。膜片式P CV阀通过膜片感应阀两侧压差, 膜片的张角大小控制气流量;弹簧式PCV阀通过弹簧感应阀两侧压差, 推动阀芯的运动控制气流量的大小。

3 发展趋势

现代发动机设计中曲轴箱通风系统发展趋势, 越来越倾向于将PCV阀、油气分离器等集成于一体, 将集成后的曲轴箱通风系统置于在气门室罩盖内部或者发动机易于布置的位置, 使发动机整机结构更加紧凑, 占用空间更小;同时也越来越倾向于使用分离效率更高的油气分离器, 使发动机在排放、经济性等方面更有优势。当前的许多集成模块已经集成了油气分离器、PCV阀、机油冷却器、机油滤清器等多种功能。

随着排放法规要求越来越高, 对发动机而言, 所选的油气分离器分离效率也要求越来越高, 所能分离油滴的大小也非常小。只有这样, 才能有效控制分离后的机油携带量, 对燃烧后排放中的碳颗粒含量才能够有效控制。另一方面, 曲轴箱通风的回油管口必须保持压力稳定, 确保曲通回油的顺畅。一般将曲轴箱通风的回油管布置在液面以下, 但是与整车匹配的发动机必须和整车一样, 具有倾斜工作的良好性能。所以, 在发动机设计前期, 必须对发动机的倾斜角度做详细的了解, 确保发动机在满足倾斜要求。