李建國

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司)

0 引言

眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，總有一部分可燃混合氣和廢氣經(jīng)活塞環(huán)與汽缸套之間間隙竄入曲軸箱內(nèi)，業(yè)內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)壓力會(huì)升高破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的密封，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)油封失效、機(jī)油滲漏，這些竄氣逸入大氣還會(huì)造成大氣污染;另外水蒸氣遇冷凝結(jié)在機(jī)油中會(huì)形成泡沫，破壞機(jī)油供給，嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成油泥，阻塞油路，這種情況在冬季尤為嚴(yán)重;廢氣中的酸性氣體與水和空氣接觸會(huì)形成酸性物質(zhì)，這些酸性物質(zhì)不僅腐蝕零件，而且也會(huì)使機(jī)油變質(zhì)、加速運(yùn)動(dòng)件磨損。

為了避免曲軸箱壓力過高，防止發(fā)動(dòng)機(jī)漏油，延長機(jī)油使用壽命，減少零部件磨損及腐蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)必須實(shí)現(xiàn)曲軸箱通風(fēng)，此外，為了提高經(jīng)濟(jì)性，滿足日益嚴(yán)格的整車排放要求，在車用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中也必須考慮曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 油氣分離器分類

曲軸箱通風(fēng)包括自然通風(fēng)系統(tǒng)和強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)均采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。自然通風(fēng)系統(tǒng)僅含有通風(fēng)管及廢氣濾網(wǎng)，當(dāng)曲軸箱內(nèi)氣壓增大時(shí)，“竄氣”自然排出。強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，其利用進(jìn)氣系統(tǒng)真空度，將“竄氣”通過呼吸管導(dǎo)入進(jìn)氣系統(tǒng)，重新參與發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

目前國家排放法規(guī)禁止曲軸箱竄氣不經(jīng)過凈化裝置直接排入大氣中，車用汽油機(jī)均采用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，車用柴油機(jī)也逐漸采用強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)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(zhì)堆積，減少發(fā)動(dòng)機(jī)故障和磨損，提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性及整車排放。

2 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成

提及曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，通常想到的是油氣分離系統(tǒng)及曲軸箱壓力控制系統(tǒng)，但完整曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)包括通風(fēng)腔、油氣分離系統(tǒng)、曲軸箱壓力控制系統(tǒng)、回油腔及呼吸管等五部分，見圖1。其中通風(fēng)腔及回油腔一般布置在發(fā)動(dòng)機(jī)本體中，貫穿缸蓋、機(jī)體、曲軸箱;整個(gè)系統(tǒng)中，油氣分離系統(tǒng)及曲軸箱壓力控制系統(tǒng)尤為重要。

2.1 通風(fēng)腔

通常，發(fā)動(dòng)機(jī)做功包含吸氣、壓縮、膨脹、排氣四個(gè)行程，在壓縮和膨脹行程中汽缸內(nèi)混合氣的壓力很高，被壓縮的氣體會(huì)經(jīng)活塞和缸套間隙、活塞環(huán)開口、活塞環(huán)和汽缸套的間隙等竄入下曲軸箱并與機(jī)油形成油霧。通常這部分混合氣需經(jīng)集成在缸蓋、缸體及曲軸箱中的通道導(dǎo)入油氣分離系統(tǒng)，這個(gè)通道就是“通風(fēng)腔”，見圖2。

2.2 油氣分離系統(tǒng)

在曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)中，經(jīng)通風(fēng)腔導(dǎo)入的竄氣含有大量的機(jī)油油滴，這部分機(jī)油如果不加以處理直接進(jìn)入燃燒系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致燃燒及排放惡化，為了提高經(jīng)濟(jì)性，改善排放，必須將竄氣中的機(jī)油油滴進(jìn)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(fēng)式、離心式，見圖4。各種分離方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，目前新設(shè)計(jì)的油氣分離系統(tǒng)采用多級(jí)油氣分離結(jié)構(gòu)，從而得到一個(gè)高效的分離系統(tǒng)，見圖5。

圖1 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖2 通風(fēng)腔及回油腔示意圖

圖3 乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣油滴顆粒直徑分布

2.3 曲軸箱壓力控制系統(tǒng)

由于采用了曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)，竄氣被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，在低速低負(fù)荷區(qū)域，曲軸箱會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)壓，這種情況會(huì)導(dǎo)致大量機(jī)油隨竄氣吸入進(jìn)氣系統(tǒng)并參與燃燒，將導(dǎo)致燒機(jī)油并嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能及可靠性，曲軸箱壓力控制系統(tǒng)可以盡量減少曲軸箱壓力波動(dòng)，使其處于合理范圍內(nèi)。圖6是一種常用的PRV調(diào)節(jié)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(chǎn)生作用力，從而驅(qū)動(dòng)彈簧運(yùn)動(dòng)，改變通道截面積，達(dá)到調(diào)節(jié)曲軸箱壓力的目的。

圖4 竄氣機(jī)油顆粒分離方法

圖5 迷宮與旋風(fēng)兩級(jí)分離油氣分離器

圖6 PRV壓力調(diào)節(jié)閥

2.4 回油腔

經(jīng)油氣分離系統(tǒng)分離出來的機(jī)油要進(jìn)一步回流到油底殼循環(huán)利用，機(jī)油回流的通道就是回油腔，見圖2。機(jī)油回流過程中，如與竄氣相遇會(huì)形成大量的油霧，影響油氣分離系統(tǒng)的分離效率，為了避免機(jī)油與竄氣相遇，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期應(yīng)可慮曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的“通風(fēng)腔”及“回油腔”設(shè)計(jì)，使其盡量分離。

2.5 呼吸管

國家排放法規(guī)規(guī)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(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)必要的一環(huán)，必須將油氣分離系統(tǒng)分離后的氣體導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)并參與燃燒，這個(gè)通道就是呼吸管。按功能呼吸管分為部分負(fù)荷呼吸管及全負(fù)荷呼吸管，通常部分負(fù)荷呼吸管連在節(jié)氣門后，全負(fù)荷呼吸管連在空氣濾清器后，見圖7。對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)增壓器工作時(shí)，進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力為正，為了防止氣體倒流入曲軸箱，在部分負(fù)荷呼吸管上串聯(lián)一個(gè)單向閥。

3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)常見故障及分析

車用發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)涉及缸蓋、缸體、曲軸箱、進(jìn)氣系統(tǒng)、缸內(nèi)燃燒，比較復(fù)雜，開發(fā)及使用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種故障，引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作不良，現(xiàn)將常見的故障歸納如下:

⑴曲軸箱壓力異常。調(diào)節(jié)曲軸箱壓力是曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的重要功能，通常曲軸箱壓力處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。異常情況下，曲軸箱壓力會(huì)超出設(shè)計(jì)范圍，這將導(dǎo)致油氣分離效率變差，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后曲軸油封、凸輪軸油封失效，發(fā)動(dòng)機(jī)漏油，見圖8

圖7 部分負(fù)荷及全負(fù)荷呼吸管

圖8 曲軸后油封漏油

⑵油氣分離系統(tǒng)分離效率異常。油氣分離效率變差會(huì)導(dǎo)致過量機(jī)油通過油氣分離系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)參與燃燒，車輛出現(xiàn)“燒機(jī)油”現(xiàn)象，車輛燒機(jī)油會(huì)導(dǎo)致燃燒室積碳增加、怠速不穩(wěn)、油耗上升、尾氣排放超標(biāo)等不良后果，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致潤滑不良，使發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢。

⑶呼吸管結(jié)冰。呼吸管結(jié)冰是另一個(gè)值得一提的故障模式，經(jīng)售后調(diào)查，近幾年在我國呼倫貝爾、黑河等北方地區(qū)，氣溫經(jīng)常達(dá)到－40℃，甚至更低，車輛在長時(shí)間高速運(yùn)行后，會(huì)出現(xiàn)機(jī)油標(biāo)尺彈出，密封件漏油，檢查呼吸管，發(fā)現(xiàn)其出口已被冰塊堵塞。

造成以上曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)故障原因主要有以下幾方面:

⑴曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)中的通風(fēng)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(shí)排出，曲軸箱正壓變大，則竄入燃燒室的機(jī)油增多，導(dǎo)致“燒機(jī)油”，需要疏通通風(fēng)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(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱與油氣分離器分離后的腔體連通，油霧未經(jīng)油氣分離單元直接進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，造成“燒機(jī)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(nèi)吸出，導(dǎo)致很低的曲軸箱負(fù)壓;未按方向安裝單向閥使氣體反向流動(dòng)，異常氣體進(jìn)入曲軸箱，導(dǎo)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(huì)有水凝結(jié)，進(jìn)而不斷匯聚形成冰塊，長時(shí)間運(yùn)行后冰不斷增多，最終堵塞呼吸管，導(dǎo)致很高的曲軸箱正壓。

4 結(jié)語

⑴曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是車用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，為了滿足排放要求，提高經(jīng)濟(jì)型，車用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程必須考曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)。

⑵完整的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)包括通風(fēng)腔、油氣分離系統(tǒng)、曲軸箱壓力控制系統(tǒng)、回油腔及呼吸管五部分，缺一不可。

⑶通常，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的失效形式主要為曲軸箱壓力異常，燒機(jī)油等故障，在極寒條件下還會(huì)發(fā)生呼吸管結(jié)冰，以上故障可導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效，通過排查分析可以解決。

〔1〕周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).北京:機(jī)械工業(yè)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(jì)民.邱學(xué)軍等.曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)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