金龙XMQ6530E73车型机油消耗异常故障分析与改善

    范亦铭

    摘 要：金龙研发的XMQ6530E73车型，在新品上市初期，客户反馈该车型存在机油消耗异常故障。通过对该故障信息分析、实车测试，判断故障原因是发动机采用闭式曲轴箱废气再循环结构后，引发缸盖罩上的油气分离器工作异常造成。再通过对单向阀式油气分离器、迷宫式油气分离器两种结构的工作原理分析和试验，解释了单向阀式油气分离器失效的原因，制定了改装迷宫式油气分离器的改善方案。

    关键词：机油消耗异常；开式曲轴箱通风系统；闭式曲轴箱通风系统；单向阀式油气分离器；迷宫挡板式油气分离器

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.001

    0 引言

    金龙XMQ6530E73车型，选用某品牌2.8TC柴油发动机。该车型上市初期，有多地用户反馈：车辆行驶里程在10000～20000km之间时，发动机机油消耗量偏大，排气管冒蓝烟，或同时在增压器出口处有油渍。将机油添加到油尺上刻度线后再跟踪，行驶3000～4000km后机油液面会下降到下刻度线或线下。

    本款发动机的机油液面从油尺上刻度线到下刻度线，油量相差约1.2L；该车型的百公里油耗约10L。按此测算，机油燃油消耗比为0.3～0.4%，超过0.3%的国家标准，更低于目前行业的平均水平。一般来说，小排量发动机在一个保养周期8000～10000km范围内，机油的消耗量应控制在上下刻度线之间，保养周期内无需补充机油。

    1 故障诊断

    （1）初期排查。从故障现象可初步判定发动机存在烧机油故障，先按经验从车辆使用角度来排查车辆的故障点。主要方法如表1：

    经过对十余辆车排查，其中对4辆车拆缸盖，检查缸套、气门油封、更换活塞环；对2辆车更换增压器，均未确认故障点。对经过试处理的车辆进行跟踪，故障未有效排除。

    （2）第二阶段排查。在前述车辆的故障未确诊时，收到信息：吉林省某用户15辆车中，有12辆机油消耗异常。经比对，故障状况及排查结果与前述车辆的情况基本一致。因出现批量性故障，即改变检查思路，重点从产品设计缺陷、匹配角度进行排查。通过排查，发现本款车型与之前生产的柴油机产品在曲轴箱排放处理方面存在差异：早期生产的车型使用开式循环通风系统，本批车型采用闭式强制通风系统，如图1、图2示：

    开式循环通风系统的排气口直通大气，曲轴箱排气未经处理直排大气。闭式强制通风系统在谐振腔位置联接进气管道，曲轴箱排气通过谐振腔、增压器、进气管道，进入气缸燃烧，减少了排放污染。两种排放方式对比，差异点为曲轴箱通风排气管尾端的真空度不同，在发动机正常工作、气缸吸气时，进气管处于负压状态。

    （3）对比试验。为了验证两种排放方式对机油消耗是否有影响，从机油异常消耗的12辆车中，选择3辆机油消耗量最大的车辆进行测试。把这3辆车的曲轴箱排气管从谐振腔的联接点处断开，直排大气；再堵上谐振腔上的联接口，改成开式循环通风方式，与其它车辆进行使用跟踪对比。一个月后，车辆行驶里程约4000～5000km。跟踪结果：曲轴箱排气管改装的3辆车正常，机油液面均处于上、下刻度线的中部上方；未改装的车辆有6辆异常，机油液面低于下刻度，补油1.5～4.5L。

    试验结果表明：曲轴箱排放处理方式与机油消耗异常相关；采用闭式强制通风系统，引发机油消耗异常。

    2 单向阀式油气分离器工作分析

    发动机工作时，曲轴箱内会产生由气缸燃烧的窜气及机油蒸汽组成的混合气。按发动机设计，在缸盖罩上设计有油气分离器，回收混合气里的机油颗粒。现机油消耗异常发生，说明油气分离器失效，原因分析如下：

    （1）单向阀式油气分离器工作原理。本款发动机缸盖罩上设计有单向阀式油气分离器，如图3示。缸盖罩的前端上部设计油气分离腔，在分离腔的底部在有过滤丝网、单向阀，分离腔的顶端有膜片阀、通风管。

    单向阀阀体内有一个球状的轻质的塑料阀芯；阀体外壳呈圆柱状，上方与分离腔底板相连，阀体上、下方是圆形的回油孔，左、右侧也各有一个方形的回油孔，单向阀的主要作用是回油。

    油气分离器的油气分离原理，如图4示，有三种工作状态：

    初始状态：单向阀的阀芯处于阀体的下方。

    油气分离状态：发动机工作时，单向阀阀芯在曲轴箱窜气产生的浮力作用下，上浮堵住阀体上方的回油孔，曲轴箱内的混合气通过滤网进入分离腔。在油气通过滤网时，其中含带的机油颗粒粘附到滤网上，实现第一步分离。通过滤网的油气到达分离腔，因分离腔内的空间大，进入的气流降为低速气流；在这一过程中，油气中的机油由于进入较大空间，气体密度骤降，同时流速也降低，利用密度与流速的变化实现油气的第二步分离。分离后的气体从上方的通风管排出，油液靠自身重力汇流到分离腔的底部。

    回油状态：当分离腔内的油液积累到一定量时，受重力作用，克服阀芯的浮力，压下阀芯打开上回油孔，油液经过左、右及下方的回油孔向曲轴箱回油。

    回油结束后，重新恢复到油气分离状态。

    （2）油气分离失效分析。采用闭式强制通风方式时，进气管道正常工作时真空度在-1KP～-4KP之间，最大可达-6KP。进气管道的真空经过通风管到达分离腔，再通过单向阀体的上回油孔与曲轴箱连通，由此对曲轴箱内的气压产生干扰，使曲轴箱里的混合气压力降低，阀芯浮力不足，关闭上回油孔的时间延迟。此时，混合气可通过单向阀的回油孔直接进入分离腔，油气未经充分分离便经过通风管排出，如图5示。未经充分油气分离的混合气通过进气管道进入气缸燃烧，造成机油消耗异常。

    （3）测试验证。在分离腔单向阀的正上方（如图6箭头指示位置）钻一观测口，用透明胶带胶上后装车测试。测试结果：发动机转速达3100RPM时阀芯才闭合上回油孔，进入油气分离状态。

    测试结论：由于阀芯未能及时关闭，大部份的混合气未经充分油气分离，便通过分离腔、进气管道进入汽缸燃烧，是机油消耗过大的主要原因。

    3 迷宫挡板式油气分离结构工作原理

    由于开式循环通风方案会对大气造成污染，无法采用。解决方案首选对油气分离机构进行优化。经过技术对标，拟采用迷宫挡板式油气分离结构的缸盖罩。

    （1）迷宫挡板式缸盖罩的油气分离腔结构如图7，在分离腔的入口处设计有过滤丝网，腔体内设计三块迷宫挡板，腔体下方设计三个开口向上的弯钩形回油管。

    （2）油气分离原理。混合气经过滤丝网进入分离腔，由滤网进行第一次油气分离。在分離腔内，由于挡板的作用，窜气走“S”形路径通过分离腔；油滴颗粒由于密度较大，在流动过程中由于惯性作用，撞击迷宫挡板后被吸附在挡板上，从而被捕捉，进行第二次分离。分离后的油滴依自身重力汇流到分离腔底板，再通过回油弯管流回曲轴箱。弯钩形回油管内可储存少量的机油，阻止曲轴箱内的混合气从回油管进入分离腔。从理论上分析，油气分离效果基本不受管道真空度影响。

    4 测试检验

    （1）台架试验。对两种缸盖罩进行24小时全速全负荷可靠性台架实验，结果对比如表2：

    试验数据表明：使用迷宫挡板式的油气分离器对比单向阀式油气分离器，机油燃油消耗比值降低了34%。

    （2）实车试验。对前述吉林某单位机油消耗异常的车辆，选择5辆更换迷宫挡板式缸盖罩，机油加到上刻度线。跟踪一个月，约行驶4000～5000km，机油液面均不低于上、下刻度线的中位，达到预期改善效果。

    5 结论

    迷宫挡板式缸盖罩的油气分离器不受进气管道真空的干扰，油气分离效果优于单向阀式缸盖罩。改进方案：采用迷宫挡板式缸盖罩替换单向阀式缸盖罩。

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