面向国六标准的天然气发动机曲轴箱通风系统研究

张琳，韩松，李腾腾，王传琪，付铁强，张晴，邹林

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

日益严峻的石油能源危机和环境污染对传统内燃机产业提出了更加严格的要求，采用新型能源满足内燃机性能和排放需求是改善能源和环境形势的必由之路。天然气由于具有在世界范围内储量高，价格低廉，且燃烧清净性好等优势，是替代传统化石燃料的最优选择[1]。压缩天然气(CNG)作为代用燃料被广泛应用在汽车，特别是商用汽车上[2]。对于重型车用发动机而言，天然气被认为将成为用量仅次于柴油的重要燃料来源[3]。

近年来，我国的重型车排放法规快速更新，目前已经发布了第六阶段排放标准，即GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》。相比于国五排放标准，国六标准中对重型车用发动机的测试方法要求更加严格，污染物限值大幅加严[4]。根据已有研究，柴油机为了满足国六标准中对氮氧化物(NOx)、颗粒物质量(PM)和颗粒物数量(PN)等污染物的要求，需配备复杂的后处理系统，包括氧化催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原系统(SCR)和氨捕集器(ASC)，技术难度和研发制造成本大大增加[5]。而相关研究表明，当量空燃比天然气发动机只需要通过优化空燃比控制并安装三效催化转化器(TWC)即能够实现NOx和颗粒物的超低排放，具有较好的应用前景[6]。

相比于国五标准，国六标准除了对天然气发动机的污染物排放限值加严之外，还要求整个测试循环(WHTC)过程中的曲轴箱压力都不高于大气压力，即相对压力为负值。由于国五阶段要求曲轴箱压力测试为稳态工况，采用闭式曲轴箱强制通风系统很容易达标。国六阶段要求瞬态工况下曲轴箱压力保持负值，对于曲轴箱通风系统的设计提出了挑战，目前相关的研究成果很少。

本研究基于一台装配有闭式曲轴箱通风系统的当量空燃比天然气发动机，通过改变进气空调供气压力和全流稀释通道(CVS)的总流量，研究了全流发动机排放测试台架相关设备的工作状态对发动机稳态工况下曲轴箱压力的影响。在此基础上，运行了瞬态排放测试循环(WHTC)，基于法规研究了当量空燃比天然气发动机的曲轴箱压力特性，并分析了典型曲轴箱通风系统的特点，提出了曲轴箱通风系统优化方案。

1 试验装置和试验方法

试验基于一台当量空燃比天然气发动机和全流(CVS)发动机排放测试台架进行。全流试验设备布局见图1。测试系统主要包括四部分：电力测功机、进气空调系统、CVS稀释系统、采集及控制系统。通过AVL电力测功机使发动机按照稳态或者WHTC瞬态工况运行，进气空调提供特定温度和湿度的发动机燃烧空气，CVS稀释系统收集并稀释发动机尾气，采集系统测量发动机运行过程中的曲轴箱压力。测试过程中，曲轴箱压力测点为发动机缸盖罩壳上的机油加注口。使用工业级的相对压力传感器测量曲轴箱压力，传感器测量范围-10～10 kPa，测量精度±20 Pa，采样频率10 Hz。

图1 全流试验设备布局

发动机相关参数如表1所示。本次选取的发动机装配了闭式曲轴箱强制通风系统，采用被动式油气分离器。曲轴箱通风系统结构见图2。发动机工作过程中，曲轴箱排气流经油气分离器，分离出的润滑油流回油底壳，剩下的曲轴箱排气进入空滤后端进气管路，经过增压器增压后进入气缸参与燃烧。

表1 发动机主要参数

图2 闭式曲轴箱通风系统示意

2 试验结果及分析

2.1 CVS流量和进气空调压力对曲轴箱压力的影响

在排放测试过程中需要开启CVS系统和进气空调，而这两个系统可能会影响发动机进排气系统工作状态，进而影响曲轴箱压力的测量。为了评价CVS系统和进气空调工作状态对曲轴箱压力测量的影响，选取了4个发动机稳态工况，分别设定CVS系统的不同流量和进气空调的不同供气压力，并测量各工作状态下的曲轴箱压力。发动机工况和设备参数设定如表2。

表2 发动机工况和设备参数

在关闭进气空调的情况下，调整CVS系统流量和发动机运行工况，测得的曲轴箱压力见图3。对于同一个CVS流量，随着发动机运行负荷的增大，曲轴箱的负压增大。这是因为随着发动机运行负荷的增大，进气量增大，涡轮增压器进气入口的负压提高，对曲轴箱的吸力相应增强。而对于任何一种发动机工况，当调整CVS流量时，曲轴箱压力最大差值为0.02 kPa，并没有明显变化。这是因为虽然不同的CVS流量会造成排气背压的变化，但此变化不会影响到曲轴箱通风系统。因此在检测曲轴箱压力时，可以正常开启CVS系统。

图3 不同CVS流量下的曲轴箱压力

在保持CVS流量不变的情况下，调整进气空调供气压力和发动机运行工况，测得的曲轴箱压力见图4。对于同一个进气空调供气压力，随着发动机运行负荷的增大，曲轴箱的负压增大。对于同一发动机工况，随着进气空调供气压力的升高，曲轴箱压力相应升高，且供气压力对中小负荷时的曲轴箱压力影响更加显著。因为对于试验机型，曲轴箱排气流动的动力源为曲柄连杆机构的扫气动作和空滤后进气管路的压力，改变进气空调的供气压力会相应改变发动机进气管路压力，进而影响曲轴箱压力。曲轴箱压力与进气空调的供气压力和进气压力具有正相关性。

图4 不同进气空调供气压力下的曲轴箱压力

由于影响曲轴箱压力的因素并不单一，虽然进气压力与曲轴箱压力正相关，但是在试验过程曲轴箱压力的变化并不完全等于进气压力的变化。如图5所示，当固定进气空调的供气压力(104.0 kPa)不变时，改变发动机工况，发动机进气压力和曲轴箱压力相应改变，但二者并不相同。虽然发动机负荷增大后进气负压更大，对曲轴箱排气的抽吸作用更强，但是更大的曲轴箱排气量削弱了进气负压的作用，而且由于曲轴箱内的迷宫设计增加了曲轴箱通风阻尼，导致曲轴箱压力的变化程度随着发动机负荷的变化被削弱。因此，在开启进气空调的情况下，并不能简单地利用进气压力对测量的曲轴箱压力进行修正。为了更加贴合整车的状态，在检测曲轴箱压力时，为了避免引入误差，应关闭进气空调，或者使用开式进气空调系统，以消除进气空调对发动机进气管路压力的影响。

图5 不同工况下的进气压力和曲轴箱压力

2.2 运行WHTC时曲轴箱压力变化规律

在关闭进气空调的情况下，运行了国六标准中要求的冷热态WHTC循环(详细工况参见文献[7])，并测量了循环过程中的曲轴箱压力。瞬态曲轴箱压力变化见图6。可以发现，运行WHTC时曲轴箱压力存在以下特点：在循环的前900 s，冷态循环的曲轴箱压力变化范围要大于热态循环；在循环的后900 s，冷、热态循环的曲轴箱压力变化基本一致；试验样机在大部分工况下的曲轴箱压力低于大气压，最大负压可达-2.5 kPa，而起动、停机以及部分工况点下，曲轴箱压力会超过大气压力；将1 800 s的曲轴箱压力算数平均值作为循环的平均曲轴箱压力，冷、热态循环的平均曲轴箱压力分别为-0.35 kPa和-0.42 kPa。冷态时发动机曲轴箱负压水平要略低于热态，且冷态循环的曲轴箱压力超过大气压力的点要多于热态循环。

图6 WHTC循环过程中的曲轴箱压力

图7示出进行冷、热态循环时，润滑油温度和进气压力的变化。前1 000 s，冷、热态循环的发动机润滑油温度差别很大。不同的活塞环密封状态、不同润滑油温度造成的不同密封程度和机油蒸气量直接导致了冷、热态循环时曲轴箱排气量的不同。试验样机的曲轴箱负压主要来源于进气负压。在循环过程中，瞬态工况中节气门的急剧变化导致增压器进气量急剧变化，从而在进气管路产生一定的气波压力，不能为曲轴箱通风系统提供稳定的负压，导致循环过程中的部分工况点不能满足法规要求。而在起动和停机过程中，进气压力几乎为0，无法产生抽吸作用，导致这两个过程的曲轴箱压力也不能满足法规要求。

图7 WHTC循环过程的进气压力和机油温度

2.3 曲轴箱通风系统优化分析与设计

针对以上曲轴箱压力存在的问题，分析了可行的曲轴箱通风系统优化方案。首先需要增加稳定的负压源，以改善进气压力不稳定导致的曲轴箱压力不稳定。针对怠速工况和进气压力波动较大的工况，可以采用主动式油气分离器[8-9]，通过润滑油或者压缩空气驱动主动式油气分离器，不但可以获取较高的油气分离效率，同时还能产生一定的负压，从而降低曲轴箱压力。

对于起动和停机工况，由于此时机油或者增压空气并未完全建立压力，因此需要额外的负压源。在起动和停机时，由于节气门开度很小，节气门后形成较大的负压，可以利用此处的负压来驱动曲轴箱排气。当增压空气压力建立后，需要将此通路关闭，因此需要增加单向控制阀或者电磁阀。需要说明的是，曲轴箱负压并不是越大越好，太大的负压会造成油气大量进入增压器，进而形成油泥的堆积，会增大增压器损坏的风险。

优化后的曲轴箱通风系统见图8。采用了使用增压空气驱动的主动式油气分离器，并在曲轴箱通风管路和节气门后进气管路建立了单向导通管路。

图8 优化后的曲轴箱通风系统示意

基于此系统运行了冷态WHTC循环，并测量了循环过程的曲轴箱压力，结果见图9。整个瞬态循环过程中，所有的曲轴箱压力均低于大气压，压力波动在-2.1～0 kPa之间，平均曲轴箱压力为-1.42 kPa，较改进之前的平均曲轴箱压力降低了1 kPa，从而能够满足国六法规的要求。

图9 优化后的曲轴箱压力

3 结论

a) 对于试验工况，CVS系统工作状态变化造成的曲轴箱压力最大差值为0.02 kPa，对曲轴箱压力的测量没有影响，在测试时可以正常开启；

b) 进气压力与曲轴箱压力呈正相关关系，但不完全一致，在测试过程中，应该关闭进气空调或者采用开式系统，消除进气空调对发动机进气管路压力的影响；

c) 利用增压器前端进气系统的负压难以保证瞬态过程中曲轴箱压力一直保持负压，虽然冷、热态循环的平均曲轴箱压力分别为-0.35 kPa和-0.42 kPa，但仍有部分工况点的曲轴箱压力超过大气压力；

d) 结合主动式油气分离器、节气门后端负压状态引入可以优化曲轴箱通风系统，基于优化后的系统运行冷态WHTC循环，平均曲轴箱压力为-1.42 kPa，且没有超过大气压力的工况，能够满足国六标准的要求。