車用發動機曲軸箱通風系統構成及常見故障分析

李建國

(上海汽車集團股份有限公司)

0 引言

眾所周知，發動機工作時，總有一部分可燃混合氣和廢氣經活塞環與汽缸套之間間隙竄入曲軸箱內，業內將這種泄露稱為“竄氣”，竄氣中含有燃油、水蒸氣和廢氣等大量污染物，如果不加處理，發動機曲軸箱內壓力會升高破壞發動機的密封，導致發動機油封失效、機油滲漏，這些竄氣逸入大氣還會造成大氣污染;另外水蒸氣遇冷凝結在機油中會形成泡沫，破壞機油供給，嚴重時會形成油泥，阻塞油路，這種情況在冬季尤為嚴重;廢氣中的酸性氣體與水和空氣接觸會形成酸性物質，這些酸性物質不僅腐蝕零件，而且也會使機油變質、加速運動件磨損。

為了避免曲軸箱壓力過高，防止發動機漏油，延長機油使用壽命，減少零部件磨損及腐蝕，發動機必須實現曲軸箱通風，此外，為了提高經濟性，滿足日益嚴格的整車排放要求，在車用發動機設計過程中也必須考慮曲軸箱通風系統設計。

1 油氣分離器分類

曲軸箱通風包括自然通風系統和強制通風系統，現代車用發動機均采用曲軸箱強制通風系統。自然通風系統僅含有通風管及廢氣濾網，當曲軸箱內氣壓增大時，“竄氣”自然排出。強制通風系統為閉式系統，其利用進氣系統真空度，將“竄氣”通過呼吸管導入進氣系統，重新參與發動機燃燒。

目前國家排放法規禁止曲軸箱竄氣不經過凈化裝置直接排入大氣中，車用汽油機均采用強制通風系統，車用柴油機也逐漸采用強制通風系統。強制通風系統能完全控制曲軸箱的廢氣排放，可以防止油泥及其他有害物質堆積，減少發動機故障和磨損，提高發動機經濟性及整車排放。

2 曲軸箱強制通風系統的構成

提及曲軸箱強制通風系統，通常想到的是油氣分離系統及曲軸箱壓力控制系統，但完整曲軸箱強制通風系統應包括通風腔、油氣分離系統、曲軸箱壓力控制系統、回油腔及呼吸管等五部分，見圖1。其中通風腔及回油腔一般布置在發動機本體中，貫穿缸蓋、機體、曲軸箱;整個系統中，油氣分離系統及曲軸箱壓力控制系統尤為重要。

2.1 通風腔

通常，發動機做功包含吸氣、壓縮、膨脹、排氣四個行程，在壓縮和膨脹行程中汽缸內混合氣的壓力很高，被壓縮的氣體會經活塞和缸套間隙、活塞環開口、活塞環和汽缸套的間隙等竄入下曲軸箱并與機油形成油霧。通常這部分混合氣需經集成在缸蓋、缸體及曲軸箱中的通道導入油氣分離系統，這個通道就是“通風腔”，見圖2。

2.2 油氣分離系統

在曲軸箱強制通風系統中，經通風腔導入的竄氣含有大量的機油油滴，這部分機油如果不加以處理直接進入燃燒系統會導致燃燒及排放惡化，為了提高經濟性，改善排放，必須將竄氣中的機油油滴進行分離，油滴顆粒在0.1um～15um之間均有分布，見圖3。按照油氣分離方法的原理，可以分為慣性碰撞式分離器、物理沉降式分離器及電磁式分離器，其中慣性碰撞式分離器又可分為迷宮及孔板式、旋風式、離心式，見圖4。各種分離方法均有優缺點，目前新設計的油氣分離系統采用多級油氣分離結構，從而得到一個高效的分離系統，見圖5。

圖1 曲軸箱強制通風系統構成示意圖

圖2 通風腔及回油腔示意圖

圖3 乘用車發動機竄氣油滴顆粒直徑分布

2.3 曲軸箱壓力控制系統

由于采用了曲軸箱強制通風系統，竄氣被吸入發動機進氣系統，在低速低負荷區域，曲軸箱會產生較大負壓，這種情況會導致大量機油隨竄氣吸入進氣系統并參與燃燒，將導致燒機油并嚴重影響發動機性能及可靠性，曲軸箱壓力控制系統可以盡量減少曲軸箱壓力波動，使其處于合理范圍內。圖6是一種常用的PRV調節閥，由膜片、彈簧、彈簧座及閥蓋組成。PRV閥膜片上下壓力不同，可存在壓差、由此可產生作用力，從而驅動彈簧運動，改變通道截面積，達到調節曲軸箱壓力的目的。

圖4 竄氣機油顆粒分離方法

圖5 迷宮與旋風兩級分離油氣分離器

圖6 PRV壓力調節閥

2.4 回油腔

經油氣分離系統分離出來的機油要進一步回流到油底殼循環利用，機油回流的通道就是回油腔，見圖2。機油回流過程中，如與竄氣相遇會形成大量的油霧，影響油氣分離系統的分離效率，為了避免機油與竄氣相遇，發動機設計初期應可慮曲軸箱強制通風系統的“通風腔”及“回油腔”設計，使其盡量分離。

2.5 呼吸管

國家排放法規規定:曲軸箱竄氣不可排入大氣，以免造成大氣污染，因此作為曲軸箱強制通風系統必要的一環，必須將油氣分離系統分離后的氣體導入發動機進氣系統并參與燃燒，這個通道就是呼吸管。按功能呼吸管分為部分負荷呼吸管及全負荷呼吸管，通常部分負荷呼吸管連在節氣門后，全負荷呼吸管連在空氣濾清器后，見圖7。對于增壓發動機，當增壓器工作時，進氣歧管內壓力為正，為了防止氣體倒流入曲軸箱，在部分負荷呼吸管上串聯一個單向閥。

3 曲軸箱通風系統常見故障及分析

車用發動機的曲軸箱通風系統涉及缸蓋、缸體、曲軸箱、進氣系統、缸內燃燒，比較復雜，開發及使用過程中經常會出現各種故障，引起發動機工作不良，現將常見的故障歸納如下:

⑴曲軸箱壓力異常。調節曲軸箱壓力是曲軸箱強制通風系統的重要功能，通常曲軸箱壓力處于設計范圍內。異常情況下，曲軸箱壓力會超出設計范圍，這將導致油氣分離效率變差，同時還會導致發動機曲軸后曲軸油封、凸輪軸油封失效，發動機漏油，見圖8

圖7 部分負荷及全負荷呼吸管

圖8 曲軸后油封漏油

⑵油氣分離系統分離效率異常。油氣分離效率變差會導致過量機油通過油氣分離系統進入進氣系統參與燃燒，車輛出現“燒機油”現象，車輛燒機油會導致燃燒室積碳增加、怠速不穩、油耗上升、尾氣排放超標等不良后果，嚴重的會導致潤滑不良，使發動機報廢。

⑶呼吸管結冰。呼吸管結冰是另一個值得一提的故障模式，經售后調查，近幾年在我國呼倫貝爾、黑河等北方地區，氣溫經常達到－40℃，甚至更低，車輛在長時間高速運行后，會出現機油標尺彈出，密封件漏油，檢查呼吸管，發現其出口已被冰塊堵塞。

造成以上曲軸箱強制通風故障原因主要有以下幾方面:

⑴曲軸箱強制通風系統中的通風腔和呼吸管堵塞、呼吸管上的單向閥工作不良，使竄氣無法及時排出，曲軸箱正壓變大，則竄入燃燒室的機油增多，導致“燒機油”，需要疏通通風腔及呼吸管，更換單向閥。

⑵油氣分離器回油孔的單向閥膜片破裂，發動機曲軸箱與油氣分離器分離后的腔體連通，油霧未經油氣分離單元直接進入進氣系統，造成“燒機油”，需要更換單向閥膜片。

⑶單向閥彈簧彈力過硬使單向閥未正常開啟，過量氣體被從曲軸箱內吸出，導致很低的曲軸箱負壓;未按方向安裝單向閥使氣體反向流動，異常氣體進入曲軸箱，導致很高的曲軸箱正壓。

⑷極寒條件，冷熱空氣將在呼吸管出口處匯合，熱空氣遇到冷空氣會有水凝結，進而不斷匯聚形成冰塊，長時間運行后冰不斷增多，最終堵塞呼吸管，導致很高的曲軸箱正壓。

4 結語

⑴曲軸箱通風系統是車用發動機的重要組成部分，為了滿足排放要求，提高經濟型，車用發動機開發過程必須考曲軸箱強制通風系統。

⑵完整的曲軸箱強制通風系統應包括通風腔、油氣分離系統、曲軸箱壓力控制系統、回油腔及呼吸管五部分，缺一不可。

⑶通常，曲軸箱通風系統的失效形式主要為曲軸箱壓力異常，燒機油等故障，在極寒條件下還會發生呼吸管結冰，以上故障可導致發動機失效，通過排查分析可以解決。

〔1〕周龍保.內燃機學.北京:機械工業出版社，2005

〔2〕Kissner G，Ruppel S.Highly efficient oil separation systems forcrankcase ventilation，SAE 2009 －01 －0974，2009

〔3〕宗雋杰.倪計民.邱學軍等.曲軸箱通風系統油氣分離器的性能研究.

〔4〕Satoch K，Kawai T，Ishikawa M，et al.Development of method for predicting efficiency of oil mist separators，SAE 2000－01－1234，2000