某國五柴油機竄機油量大問題試驗研究

范皖元，梁程，向曉野

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達柴油發動機有限公司，安徽 合肥 230601）

某國五柴油機竄機油量大問題試驗研究

范皖元1，梁程1，向曉野2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮納威斯達柴油發動機有限公司，安徽 合肥 230601）

文章通過某國五柴油機出現的竄機油量大的問題進行研究，調查了柴油機呼吸系統的結構原理和油氣分離裝置的結構型式，通過分析竄機油量大問題的原因，針對的進行設計變更和試驗驗證，解決了發動機的竄機油量大的問題，也為后期的呼吸系統設計提供參考。

柴油機；呼吸系統；竄油量；活塞漏氣量

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-94-04

前言

隨著現代發動機功率水平的提升，燃燒室平均有效壓力、最高燃燒壓力和轉速日益增高，必然導致曲軸箱竄氣量增加，同時曲軸的高轉速運動加劇了機油飛濺，使得油霧濃度大幅增加。這部分油氣經過曲軸箱通風(PCV)系統的油氣分離器，被吸入進氣歧管，最終參與缸內燃燒，對柴油機顆粒排放有很大影響。

某國五柴油機發動機后處理采用SCR系統，要求發動機本體的顆粒排放開發在很低的水平，能夠滿足國五階段的法規要求，故發動機的曲軸箱通風系統中竄出的機油量需要在很低水平，設計指標≤1g/h，但在試驗過程中發現發動機的曲軸箱竄機油量遠遠超過設計指標，嚴重影響了機油消耗和排放測試，急需解決。

1 曲軸箱通風系統原理

圖1 油氣分離裝置不同的結構型式

現代發動機的設計為了滿足排放法規要求，均采用強制通風系統，曲軸箱內的油氣混合氣通過管路連接至進氣歧管中參與燃燒掉，為了有效的過濾掉油氣混合氣中的機油，一般設計油氣分離器的過濾裝置。

油氣分離裝置有不同的結構形式，如圖1所示。

根據發動機曲軸箱通風系統的特點和油氣混合氣的特點選擇合適的油氣分離裝置，比如慣性沉淀和隔板分離式適用于分離比較大的油滴；濾芯師和撞擊式適用于比較小的油滴。我們通常根據不同發動機曲軸箱通風系統的試驗結果進行選擇合適的油氣分離裝置。

發動機產生油氣混合氣的根本原因在曲軸箱內的活塞漏氣量的存在，任何一款發動機均不可避免的產生活塞漏氣量，缸內的廢氣通過活塞環等結構進入曲軸箱中，與其中的油霧混合形成混合氣?；钊饬康拇笮Q定了油氣混合氣的數量，對于發動機的設計盡量降低活塞漏氣量，減少油氣混合氣的數量，通過合適的曲軸箱油氣分離裝置把廢氣和機油分離，達到廢氣進氣氣缸，機油回流至油底殼的目的。

2 試驗情況

某國五柴油機發動機在試驗開發第二階段發動機的竄機油量過大，遠遠超過設計指標（≤1g/h），在運行額定點工況下，最大竄機油量超過100g/h，發動機的油氣分離裝置未能起作用，機油消耗超標，導致試驗無法開。試驗測量發動機的活塞漏氣量（Blow-by）遠遠超過設計指標，竄氣中攜帶大量的機油液滴，超出了油氣分離裝置的使用范圍，導致油氣分離裝置失效。

表1 試驗開發中竄油量結果

3 故障分析

3.1 故障分析

圖2 竄油量大分析故障樹

根據對該機型呼吸系統及涉及的零部件運行的過程分析，建立如下故障樹，并分析出排查項目。

針對氣門油封、增壓器、噴油器排查，在試驗過程或拆解零件時，進行觀察零部件是否破損，是否異?？煽焖倥懦捎跉忾T油封漏氣，增壓器漏氣、噴油器漏氣所到導致的呼吸系統漏氣量大的原因。因此將重點排查缸孔、活塞、活塞環及缸蓋護罩油氣分離器。

3.2 故障排查

3.2.1 缸孔加工一致性排查

A.可能原因：缸孔加工缺陷，缸孔絎磨偏差大。導致與活塞環匹配不良，造成漏氣。

B.排查方案：根據二代可靠性試驗過程中測量的發動機的活塞漏氣量結果，二代發動機的活塞漏氣量較一代增加了20%左右，均超過了設計指標。通過更換一代試驗開發時期的缸體，測量漏氣量，進行數據對比。

C.結論：通過更換缸體，測量漏氣量數據如下圖，根據圖中活塞漏氣量數據基本一致，沒有明顯降低，可以排除缸體加工工藝一致性問題。

圖3 更換缸體漏氣量試驗數據對比

3.2.2 活塞及活塞環排查

A.可能原因：活塞與缸孔配缸間隙大，活塞環顫振，活塞環結構等對漏氣量大都有影響。

B.排查方案：優化第一道活塞環為偏桶面環，選擇偏桶面環是因為偏桶面環對氣缸表面的適應性和對活塞偏擺的適應性均較好，有利于密封。

表2 活塞及活塞環排查方案

C.結論：驗證上述4種方案得出以下結果：

1）方案1試驗結果最大活塞漏氣量比原機的漏氣量增加了12L/min，說明活塞漏氣量大并非二環顫振引起的。

2）方案2、3、4均驗證了偏桶面的活塞環對降低發動機活塞漏氣量有很大的改善，能夠控制發動機的活塞漏氣量在設計指標范圍內。

3）其中方案3、4表明配缸間隙的優化對發動機的活塞漏氣量及竄油量影響較小，但能夠影響發動機的機油耗，間隙越小，機油耗越好。

圖4 方案一與原機數據對比

綜上所述發動機活塞漏氣量大的問題主要集中在活塞環的結構設計及加工工藝上。

3.2.3 缸蓋護罩回油不暢排查

A.可能原因：缸蓋護罩預分離壓損過大，重力回油小于氣體壓力。造成回油不暢，預分離后的機油積攢在缸蓋護罩中，被活塞漏氣量帶出，導致竄油量變大。

B.排查方案：如下圖所示，缸蓋護罩預分離擋板下有兩個回油單向閥，油氣分離器下面有一個回油單向閥，分別如圖標示，連接壓力傳感器。三個單向閥均靠重力回油，當單向閥處的機油重力大于氣體壓差時，機油順利回到缸蓋上。模擬竄油量惡化情況，通過機油尺管向呼吸系統內輸入壓縮氣體，從正常漏氣量一直增加到漏氣量為140L/min，漏氣量每增加10L/min做一次機油消耗試驗。驗證方案一是增加單向閥高度進行試驗，驗證回油高度帶來的影響；驗證方案二是單向閥高度不變，增大檔板孔直徑的缸蓋護罩，以此來驗證減小壓損對竄油量的影響。

圖5 缸蓋護罩預分離回油單向閥的壓力布置

C.試驗測量后的結果：

1）發動機的活塞漏氣量在90L/min以內，竄油量均在設計指標以內（1g/h），當發動機的漏氣量超過 100L/min，竄油量急劇增加，油氣分離器分離失效。

圖6 不同漏氣量下的竄油量與單向閥的壓差關系

2）當發動機的活塞漏氣量在 100L/min，三號單向閥處的壓力差為0.5kpa，二號單向閥處的壓力差為0.3kpa，對應回油的機油高度應在60mm和36mm，而目前量產狀態的預分離單向閥的深度不足，導致儲油深度不足，壓力小于氣壓差，單向閥不回油，機油被帶出。

3）缸蓋護罩預分離擋板的孔徑增大后，預分離的過濾效率降低，發動機的活塞竄油量超過設計指標，此方案不能滿足要求。

綜上所述，缸蓋護罩回油單向閥高度不夠，回油不暢是導致發動機竄機油量大原因之一。

4 優化驗證

4.1 概述

經過上述各項排查，可以確定導致故障的原因有以下兩點：1）活塞環結構不合理造成漏氣量大導致竄機油量大；2）缸蓋護罩回油單向閥高度不夠，造成回油不暢導致竄機油量大。

4.2 優化方案

4.2.1 優化活塞環設計方案

根據上述驗證驗證方案，偏桶面活塞環較現狀態能夠更有效的降低發動機的活塞漏氣量，試驗測得的最大漏氣量能夠控制在 66L/min，可以滿足設計要求。最終優化方案是將第一道氣環優化為偏桶面環。發動機最終呼吸系統指標滿足設計要求，竄油量滿足漏氣量惡化150%情況下的要求。

表3 優化后模擬漏氣量惡化機油耗數據

裝配最終方案的樣件在可靠性試驗中表現良好，漏氣量均在設計指標以內。

表4 優化后耐久試驗漏氣量數據

4.2.2 優化缸蓋護罩預分離效果的設計方案

針對回油不暢問題，增加回油單向閥的儲油深度。設計在不改變缸蓋護罩預分離擋板的基礎上增加了回油單向閥處的儲油深度，消除回油不暢風險，如圖7。

圖7 缸蓋護罩預分離回油槽加深圖

優化后進行試驗驗證：在發動機的漏氣量110L/min時，缸蓋護罩回油單向閥的壓力差在0.5kpa和0.3kpa左右（如下圖），但發動機的竄油量滿足設計要求，在1g/h以內，整改有效。

圖8 竄油量試驗過程中單向閥壓差變化

5 結論

本文通過在實際工作中遇到的竄油量大問題，經過搜集故障現象，分析故障原因，得出竄機油量大的兩個原因，一是發動機活塞環結構導致的漏氣量大，進而造成竄機油量大；二是發動機缸蓋護罩單向重力回油閥高度不夠，預分離壓損過大，導致的回油不暢，分離效率低，而造成的竄機油量大。通過優化改進活塞環結構及缸蓋護罩回油單向閥的高度，解決了發動機竄機油量大問題。這不僅提升呼吸系統性能，還為日后呼吸系統設計開發提供參考。

[1] 陳家瑞.汽車構造.人民交通出版社,2012.

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[3] 周龍保.內燃機學.機械工業出版社第三版,2011.

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[5] GB/T 19055-2003 汽車發動機可靠性試驗方法.

[6] QC/T 812-2009 柴油機曲軸箱油氣分離器技術條件和試驗方法.

The Experimental Study On High Oil Consumption of A Diesel Engine Blow-By

Wanyuan Fan1, Cheng Liang1, Xiaoye Xiang2
（1.Technology Center, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei, 230601;2.Anhui Jianghuai Navistar Diesel Engine Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

In this paper, Through the study of high oil consumption of a diesel engine Blow-By, The structure of the diesel engine's breathing system and the oil separator are investigated. So, The design changes and test verification based on the reason of problem analysis, not only solve high oil consumption of a diesel engine Blow-By, but also provide reference for the design of breathing system.

Diesel engine; Respiratory system; Amount of oil; Piston leakage

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-94-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.033

范皖元，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心。