芻議曲軸箱強制通風（PCV）系統

王良斌

（焦作大學，河南 焦作 454000）

1 曲軸箱竄氣和曲軸箱混合氣體的危害

發動機運行中，會有一部分高壓高溫氣體從氣缸途經活塞組件與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱。曲軸箱竄氣包括作功行程中完全燃燒和未完全燃燒的氣體以及壓縮行程的可燃混合氣。曲軸箱內的氣體，除了主要來源于氣缸的竄氣外，還有曲軸箱內的機油在車輛顛簸、曲柄攪拌以及高溫條件下所形成的油霧和蒸氣。這些氣體統稱為曲軸箱混合氣體。曲軸箱混合氣體主要成分有：HC、CO、NOx、機油油霧、水蒸氣，其中HC占到大約70%。

曲軸箱混合氣體對發動機運行危害極大。首先，使曲軸箱內壓力和溫度升高，加大油底殼密封襯墊和曲軸油封的密封負荷，進而導致機油滲漏；其次，污染機油使其劣化，最終導致發動機潤滑效能降低，甚至失效的嚴重后果。混合氣體溫度高使機油變稀，其中的未燃燃油不僅稀釋機油，同時極大地推進了機油氧化變質的速度和進程。混合氣體冷凝后與機油發生化學反應生成油泥，更使機油潤滑效能雪上加霜。

發動機運行中，曲軸箱內充滿煙霧狀的具有正壓的高溫混合氣體，必須及時予以清除，釋放曲軸箱壓力和降低其溫度，凈化曲軸箱空間環境?，F代汽車發動機均采用曲軸箱強制通風（PCV）技術對曲軸箱混合氣體進行清除。

2 曲軸箱強制通風（PCV）系統

PCV系統就是利用通道“強制” 曲軸箱混合氣體被真空定向吸入進氣歧管并參與燃燒，與此同時，在曲軸箱內建立適度的真空度（大約4 kPa）。空氣濾清器與節氣門之間的腔體、氣門搖臂腔體、曲軸箱腔體、進氣歧管這4個腔體，通過管道連通，形成一個兩端開口于節氣門前后的閉式管路結構。在封閉管路上，設置用于流量調節的單向閥，稱為PCV閥，還設置有油氣分離裝置，即油氣分離器。PCV系統按油氣分離器形式可分為兩類，一級油氣分離式PCV系統如圖1所示，二級油氣分離式PCV系統如圖2所示。PCV系統除PCV閥、油氣分離器、通氣管、真空管外，還包括缸蓋和缸體內的機油回流道。

圖1 一級油氣分離式PCV系統

2.1 一級油氣分離式PCV系統

迷宮式油氣分離器與氣缸蓋罩集為一體，位于氣缸蓋罩內的上方。豎直的迷宮擋板上下交錯、左右間隔，形成上下左右、彎曲有致的曲徑，如圖1所示。

圖2 二級油氣分離式PCV系統

發動機運行中，真空吸力使PCV閥打開，在真空吸力作用下，新鮮空氣經過通氣管被吸入氣門搖臂腔體并沖入油氣分離器。與此同時，曲軸箱混合氣體流經機油回流道匯入氣門搖臂腔體，被新鮮空氣流裹卷著一并沖入油氣分離器，通過PCV閥進入進氣歧管。合并后的混合氣體在油氣分離器中，沿著曲徑依次高速沖擊各迷宮擋板，混合氣體中具有較大的機油顆粒被迷宮擋板撞擊而停下，集聚于迷宮擋板表面上的機油在重力作用下，落下匯入機油回流道入口，經機油回流道流回油底殼。

一級油氣分離式PCV系統強制“通風”效果有限，它沒有把新鮮空氣直接引入曲軸箱，而是通過新鮮空氣流順勢把遠道而來的曲軸箱混合氣體“拉入”進氣歧管，不能很有效地掃除曲軸箱混合氣體。有可能使發動機在較寬的工況段（如中等負荷到全負荷）內，曲軸箱不能形成適度的真空度，甚至可能形成正壓。不利于發動機的運行。

迷宮式油氣分離器分離效率相對較低，其結構簡單原理所致，只能分離出較大的機油顆粒，大量的機油微顆粒仍彌散于混合氣中而進入進氣歧管，加劇了機油污染進氣歧管以及氣門和燃燒室積炭的進程，導致發動機機油消耗量增多，嚴重影響到發動機的正常運行，以致于催生了改裝市場加裝機油透氣壺的業務。實踐證明，進氣歧管由此被機油污染程度很嚴重，造成起動困難、起步易熄火、怠速抖動等故障，同時伴隨著燃油消耗量增大、機油消耗量增大、動力性降低等運行效能的損失。隨著國家對汽車發動機燃油消耗量法規逐年嚴苛（乘用車百公里油耗2015年為6.9L，到2020年要達到5L），提高PCV系統油氣分離率勢在必行。

另外，迷宮式油氣分離器設置于氣缸蓋罩上，會給特定用戶群帶來機油乳化的風險。就發動機整體而言，氣缸蓋罩的溫度較低，遠道而來匯聚于此的曲軸箱混合氣體中的水蒸氣，可能冷凝為水和分離出的機油一并流回油底殼，導致機油乳化。冬季低溫用車以及短距離用車的用戶此風險為大。現在多數發動機氣缸蓋罩上的防塵罩（又稱裝飾罩）對氣缸蓋罩起到保溫作用，極大地降低了由此帶來的機油乳化風險。

一級油氣分離式PCV系統結構簡單，生產成本低，主要用于價位較低的乘用車。

2.2 二級油氣分離式PCV系統

為避免一級油氣分離式PCV系統的致命缺陷，二級油氣分離式PCV系統便應運而生。它是在迷宮式油氣分離器對油氣粗分離之后，又串入稱之為旋風式油氣分離器對油氣進行二級細分離，前者又稱油氣粗分離器，后者又稱油氣細分離器。

在圖2中，迷宮式和旋風式油氣分離器相串聯并且集成于一體，新鮮空氣經過通氣管引入氣門搖臂腔體，通過機油回流通道進入曲軸箱，從曲軸箱出來，流經二級油氣分離器和PCV閥進入進氣歧管。顯然，新鮮空氣流對曲軸箱混合氣體的清掃強度，遠大于一級油氣分離式PCV系統。但是，這會導致某些工況（如減速工況）曲軸箱真空度過高而影響發動機的運行。為此，有些發動機（如大眾汽車集團的EA211和EA888發動機）的PCV系統設置壓力調節器來予以解決，此文篇幅所限，不再涉及。

旋風式油氣分離器原理示意如圖3所示。出氣管置于上部為圓柱形、下部為圓錐形的漏斗狀腔體中間，并且深入圓柱形腔體到一定的深度，進氣口靠近圓柱體上端且徑向偏置于最大處，氣體入口處截面如圖4所示。曲軸箱混合氣體沿切向沖入圓柱形腔體形成旋流，氣流沿漏斗狀腔體呈螺旋形邊下行邊收縮，旋入位于中心的氣體出口管而沖出。由于氣流高速旋轉，密度大的油滴在離心力作用下被甩向漏斗狀腔體內壁，并在重力作用下，沿內壁流下匯入錐形排油口流回油底殼。

在實際運用中，旋風式油氣分離器又可分為內置式和外置式兩種安裝形式。外置式旋風油氣分離器給發動機運行造成了極大的損害，設計制造者也始料未及，用戶和廠商都已深受其害。典型的案例就是2013年長安CS35發動機（自主研發的1.6L Blue Core發動機）出現嚴重的機油乳化風波，罪魁禍首就是外置式旋風油氣分離器。該發動機采用二級PCV系統，迷宮式油氣分離器置于氣缸蓋罩內，粗分離后的曲軸箱混合氣體經軟管導出進入外置的旋風式油氣分離器，而后通過PCV閥進入進氣歧管。癥結是：曲軸箱混合氣體離開了發動機機體后，其溫度極度減低，導致其中的水蒸氣凝結成水，在溫度同樣低的外置旋風式油氣分離器中，水和機油一并被分離出流回油底殼，導致機油乳化。最終廠商召回所有缺陷車輛，別無選擇地拆掉外置的旋風式油氣分離器，變為一級式油氣分離式PCV系統，不完美地平息了機油乳化風波。大眾的EA211和EA888發動機的粗細兩級油氣分離器及其連通的管道都不離發動機本體，曲軸箱混合氣體中的水蒸氣一路上沒有冷凝為水的機會，完全化解了機油乳化的風險。同時這兩款發動機的二級油氣分離器式PCV系統還增設了壓力調節器，使曲軸箱內的真空度適度且穩定，是量產汽車發動機中PCV系統的佼佼者。

圖3 旋風式油氣分離器原理示意圖

圖4 氣體入口處截面圖

3 PCV系統對發動機的不良影響

3.1 對燃油定量電子控制的影響

從發動機進氣系統的角度上看，PCV系統的實質就是，源自于節氣門之前的一部分新鮮空氣引入發動機內，自上而下繞一圈并且攜帶有大量未燃的HC和CO以及機油霧氣，未經節氣門控制流入進氣歧管。因此，必定會干擾空燃比的定量控制，對燃油定量電子控制產生不利影響。好在空燃比閉環控制系統對其進行調節補償，消化掉由此引起的燃油定量的偏差。但是，空燃比閉環控制系統的調節能力總是有限度的，因此 PCV閥的流量必須是空燃比閉環控制系統可接受的；空燃比閉環控制系統的工作是有條件的（如起動、暖機、全負荷等工況即為空燃比開環控制），因此 PCV閥的開啟和關閉必須與空燃比閉環控制系統的工作條件相匹配。顯然，基于機械原理的PCV系統不能完全滿足這些要求，即機械式PCV系統，在發動機全運行工況內，總會影響到空燃比的控制精度。只有將PCV系統納入發動機電子控制系統，才能從根本上解決此問題。因而，隨著國家汽車排放法規愈加嚴格，PCV系統的電子化勢在必行。

3.2 對進氣系統的影響

迷宮式和旋風式油氣分離器使用機械原理對油氣進行分離，做不到完全分離。機油污染進氣系統，造成進氣歧管、氣門和燃燒室積炭，進而影響到發動機的運行，這是不可避免的，只是嚴重程度不同而已。

目前，在汽車維護保養市場，對進氣系統積炭的免拆清洗，還沒有行之有效的辦法。常見的吊瓶怠速免拆清洗法，只能清洗氣門和燃燒室的積炭，不能清洗進氣歧管積炭。進氣歧管積炭只能拆下靠手工清洗。由于進氣歧管腔體深而不規則，手工清洗費時又難度大。另外，吊瓶怠速免拆清洗需要較長的時間（約40～45 min），清除掉的積炭會阻塞三元催化轉換裝置，對三元催化轉換裝置的損傷程度也不得而知。在汽車實際運用中，對進氣系統積炭的清洗大多數用戶是被動的，當用戶覺察到車輛行駛異常時，積炭就已經很嚴重了，不得不去清洗，此時清洗對三元催化轉換裝置的損傷是最大的。因此，除了需要更加行之有效的清洗方法外，制訂推行科學合理的清洗周期也是必要的。

3.3 對發動機機油消耗量的影響

GB/T19055—2003《汽車發動機性能試驗方法》是通過經濟手段或市場調節而自愿采用的推薦性國家標準，其中關于發動機機油消耗量的規定是：額定轉速、全負荷時，機油和燃料消耗比不得超過0.3%，即1輛百公里油耗為10L的乘用車，其發動機機油消耗量須少于0.3 L/1 000 km。發動機機油消耗量只要不超出國家標準或廠商規定值，都為正常。

在汽車實際運用中，并不關注發動機機油消耗量的具體多少，而是以機油尺上下刻度為依據，在一個保養周期內是否需要補充機油。通常，機油加到上下刻度的3/4處，在一個保養周期內，不補充機油者為正常，補充者為燒機油。機油消耗量是發動機設計制造過程中重要的控制指標，它是人為可控的。發動機機油消耗量與氣缸的潤滑是一對矛盾，各廠商對這對矛盾拿捏的側重面可能不同，得失相伴，不同廠商發動機機油消耗量存在差異是正常的。論壇里有用戶講嚴重到后備廂不能離機油壺，我認為這一定是另有原因所致的個案，不能說明問題。只要發動機運行就會有機油消耗。機油消耗量與使用和發動機技術狀況有直接關系。

機油消耗就是在燃燒室被燒掉而排出的。在發動機運行中，機油進入燃燒室有3條途徑，PCV系統就是其中之一。PCV系統產生的機油消耗量，首先是曲軸箱產生的機油蒸汽量增多所致，這和發動機運行溫度過高和機油品質問題相關；其次是PCV閥的卡滯（正巧卡在最大開度處）所致。因而，避免發動機長期高溫運行、定期檢查或清洗PCV閥，是減少發動機機油消耗量的重要途徑。