發動機曲軸箱通風管路結冰問題的改善方案

田身軍 項大偉 李德銀 徐亞飛

摘 要：發動機曲軸箱通風管路結冰問題只有在特殊環境條件下才會出現，所以不易被發現。隨著國內乘用車市場不斷擴大，更多品牌的車輛進入了東北、內蒙、新疆等極寒地區。隨著售后問題顯現，這個問題逐漸被國內主機廠重視起來，并投入大量的人力物力加以研究驗證。為解決通風管路結冰問題，本文總結了曲通管結冰的機理，對比分析了目前主流的技術方案的優缺點。通過CAE仿真分析及低溫環境倉試驗驗證，采用新設計的錐形口管接頭結構可有效解決極寒條件下曲通管結冰堵塞問題，并能大幅降低制造成本。該技術方案已經在多款車型上進行了批量生產，售后質量數據未出現不良故障發生。取得了較好的經濟效益。

關鍵詞：發動機;曲軸箱通風系統;管路結冰

0 引言

由于設計和布置方案的不同，會使得曲軸箱通風管路結冰問題的發生。曲軸箱通風管一旦結冰，會造成曲軸箱壓力升高、油封沖出等，如不及時處理還可以會造成安拋類質量事故。由于該問題只會發生在極寒地區，所以在2010年之前未引起各主機廠重視。隨著國內乘用車市場突飛猛進的發展，在冬季部分極寒地區售后質量問題頻發，國內的主機廠才開始展開這方面的研究與驗證工作。

經過多年來的分析及實驗總結，應對曲軸箱通風管結冰問題，目前國內主機廠找到了各自的解決方案。本文闡述了曲軸箱通風管結冰問題的失效機理，展示了目前比較成熟的應對技術方案，并分析了優缺點。重點闡述了錐形口管接頭技術方案和驗證結果。

1 曲軸箱通風系統的組成、作用及失效機理

曲軸箱通風系統主要由通風腔（由缸體、缸蓋等零部件的內腔構成）、油氣分離系統（一般集成在氣門室罩蓋中）、壓力調節系統（PCV）、回油腔、呼吸管等組成[1]。

在發動機工作時，燃燒室內的混合氣和燃燒后的廢氣在爆發壓力作用下，通過活塞與缸壁之間的間隙和活塞環開口間隙進入曲軸箱內[2]。另外，增壓發動機在增壓器工作時，也會有一些漏氣從增壓器中間體竄到回油管路進入曲軸箱內。這些進入曲軸箱的氣體包含燃油、機油、碳煙顆粒物、CH化合物、CO、CO2和水蒸氣等，如不及時排出，可能導致：1）曲軸箱壓力升高，曲軸油封、增壓器油封等處密封失效，廢氣進入大氣，污染環境;2）機油稀釋、機油乳化，運動副異常磨損。為此，發動機需設置強制閉式曲軸箱通風系統，將曲軸箱廢氣送回發動機燃燒室進行二次燃燒。

在極寒天氣下，進氣軟管或進氣歧管壁面溫度較曲軸箱廢氣溫度低30～40℃，曲軸箱廢氣中的水蒸氣遇到冷空氣后，局部氣壓降低，水蒸氣相對濕度增大，達到飽和狀態后，水蒸氣析出。廢氣中的水蒸氣直接在曲軸箱通風管與進氣軟管接頭位置的冷壁面處凝結成冰霜，隨著車輛繼續行駛，冰霜越積越厚，最終結冰導致堵塞管路，從而使得曲軸箱通風系統功能失效[3]。

2 曲通結冰試驗驗證方法

為規避曲軸箱通風系統管路結冰問題，主機廠在發動機開發過程中，會進行極寒環境試驗。試驗主要選擇寒冬季節在東北部地區進行用戶模擬道路試驗，例如：漠河、黑河、海拉爾等地。由于環境道路試驗受地域和時間的約束，近年來部分主機廠逐步通過在環境倉內進行試驗驗證，低溫環境倉可以提供-40℃環境溫度條件，發動機按規定工況運行，通過監控發動機曲軸箱壓力和關鍵位置的實時影像，可以監控曲通管路結冰程度。與冬季的道路試驗相比，環境倉驗證試驗受到駕駛人員和環境（溫度、路況）的影響更小，試驗過程可控，試驗結果更準確，效率更高。

3 傳統曲通管路結冰防護方案

從發動機曲通系統原理來說，對于自然吸氣發動機，只要保證任一路曲軸箱通風管通暢即可保障發動機長期在極寒條件下正常運行;而對于增壓發動機，發動機在大負荷工況下，進氣歧管內形成最大可以達到100 kPa以上的正壓，部分負荷一路的PCV閥或單向閥關閉，曲軸箱廢氣僅能通過大負荷管路通往燃燒室，因此必須保證大負荷管路的通暢[4]。

現有的曲軸箱通風管路防結冰技術方案，部分負荷通風管一般布置在缸體[5]、缸蓋本體和歧管之間，利用發動機本體的熱輻射[6]來保證部分負荷通風管不會結冰堵死。近些年，由于發動機系統集成度越來越高，部分負荷曲通管已被集成到氣門室罩蓋、缸蓋、進氣歧管等零部件的內部，內部通道壁面溫度較高，該方案可以徹底規避部分負荷管路結冰問題。

大負荷通風管防結冰技術方案比較成熟的應用，有以下幾種：

暖風水循環加熱方案[7]。代表性的有豐田、本田和廣汽、長安等品牌的部分車型。該方案是通過從冷卻系統引出一路水源，對容易結冰的節流閥體和大負荷軸箱通風管進行加熱，再返回到冷卻系統的技術方案。該方案防結冰效果較好，但需新增復雜的并聯金屬管路，成本高;零件焊接難度大，易出現漏水失效;另外，對發動機前倉空間影響較大，不利于發動機緊湊性布置。

PTC電加熱方案[5，9]，代表性的有上汽、一汽、PSA、奇瑞、寶馬等品牌的部分車型。電加熱的早期還有電阻絲的結構[9，10]，目前已經被淘汰。該方案結構簡單，只要將現有管路上集成一個PTC加熱單元，在特定條件下通電后對曲軸箱通風管口進行加熱。該方案防結冰效果較好，對現有的設計和布置影響小，成本適中。

壓力、流量傳感器控制方案，代表性的有上汽、雪佛蘭等品牌的部分車型。該方案利用曲軸箱通風管或進氣軟管上的壓力傳感器和空氣流量計，通過電控策略診斷曲軸箱通風管的壓力或者發動機進氣量是否存在異常變化。ECU發現異常變化將控制發動機轉速和負荷降低，直至壓力或發動機進氣量恢復正常。該方案能有效預防曲通結冰發生堵死導致發動機故障發生，但是存在誤診斷，影響客戶的用車體驗，容易造成抱怨，且成本較高。

增壓器取氣方案，代表性的有奇瑞、上汽通用、上汽大眾、長安、奧迪等品牌的部分車型。該方案是將在曲軸箱通風管出口布置在增壓器壓殼上，利用增壓器蝸端對壓端本體的傳熱來提升接頭處的壁面溫度，進而防止結冰。該方案防結冰效果較好，成本較低，但是對曲軸箱通風系統壓力系統調節有較高的設計要求，特別在低速大負荷或全速全負荷區域。

除此之外，還有電子進氣格柵、PUR隔音包裹，縮短管路的長度[11]、增加保溫護套[12]、增加直徑[12]等技術方案的應用。

以上技術方案都有成熟的應用案例，但是都存在一些缺點。對已經出現售后結冰的機型，設計變更的工作量較大，改造成本高?；谶@些需求，設計團隊提出新的設計方案，既能解決結冰問題，又具有良好的成本優勢。

4 優化方案及驗證結果

基于以上設計需求，對原有進氣軟管接口處的結構進行優化調整，將原有的圓柱結構接口改為“錐形口”結構的接口，如圖-1所示。“錐形口”結構設計原理是利用廢氣自身的溫度對結冰處進行加熱，在相交處形成大于冰點的溫度場來避免結冰的發生。在長時間極寒天氣高速行駛條件下，即使產生結冰接近堵死后，由于局部的溫度、重力和曲軸箱壓力共同作用下可以使得冰體自動脫落。

經過CAE仿真分析，優化設計的錐形口結構，在-35℃環境溫度下，仍有3/4面積管壁溫度保持在0℃以上，如圖-2。

在上述環境倉試驗中，對曲通管結冰處進行影像記錄。如圖-3，試驗進行10 min后，在錐形孔內壁出現薄薄的冰霜;當運行60 min后，錐形孔內壁冰霜變厚，并在一側形成了積冰。當運行120 min后，錐形孔內壁被冰層覆蓋，并逐漸增厚;當運行180 min后，結冰面積增大后，曲軸箱壓力升高到+0.7 kPa時，冰層在重力、廢氣熱量的作用下，從壁面掉落，曲壓恢復正常。

在近兩年的極寒環境道路試驗中，該方案搭載多臺試驗車進行了結冰試驗的驗證，未出現曲通管路結冰堵死現象。因此，錐形口的方案能有效防止曲軸箱通風管結冰堵死的問題。

5 結論

本文介紹了曲軸箱通風系統的作用、曲軸箱通風管結冰的原理、危害及驗證方法?？偨Y了主要的解決方案及優缺點，通過優化改進現有設計方案，將圓柱孔改為錐形孔結構。該方案能有效避免曲軸箱通風管路的結冰問題。

錐形孔方案滿足環境倉實驗和冬季道路試驗驗證規范標準。該方案具有成本低、設計改動量少，能耗低，防結冰效果好等優點，但與電加熱、水循環加熱相比，防結冰的能力稍弱。綜合評價，該技術方案的性價比較高，故已經大量應用于批產車型中，統計近年來在極寒地區的售后數據，未出現結冰問題，獲得了較好的經濟效益。

參考文獻：

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[10]袁海馬.汽油機曲軸箱通風系統加熱結構[J].內燃機，2014年第5期.

[11]杜柏超，等.某柴油機曲軸箱通風系統優化設計[J].內燃機，2018年第3期.

[12]王新，等.曲軸箱通風系統結冰失效淺析[J].科學技術創新，2014（11）：35.

基金項目：國家高技術研究發展計劃（863計劃）

作者簡介：田身軍（1981-），男，山東棗莊人，工學學士，工程師，主要研究方向：汽車發動機缸蓋及曲通系統的設計與開發。