趙俊男　朱云波　羅慶東　李永純　郭夢(mèng)夢(mèng)

摘 要：為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足法規(guī)要求，通過對(duì)排放法規(guī)的解讀，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，為每個(gè)曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線。在平衡相沖突的整車目標(biāo)與成本后，確定每個(gè)曲軸箱通風(fēng)管路的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)也奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：國六排放法規(guī) 曲軸箱通風(fēng)管路 OBD監(jiān)測(cè) 方案選型

Technical Scheme Selection of Crankcase Ventilation Pipeline

Zhao Junnan，Zhu Yunbo，Luo Qingdong，Li Yongchun，Guo Mengmeng

Abstract：In order to ensure that the crankcase ventilation system can meet the regulatory requirements， through the interpretation of emission regulations and combined with the working principle of crankcase ventilation system， the corresponding technical route is selected for each crankcase ventilation pipeline. After balancing the conflicting vehicle objectives and costs， the optimal design scheme of each crankcase ventilation pipeline is determined， which also lays a solid foundation for the subsequent detailed design.

Key words：national six emission regulations， crankcase ventilation pipeline， OBD monitoring， scheme selection

1 引言

隨著國內(nèi)排放法規(guī)的升級(jí)，國六階段標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)曲軸箱通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于曲軸箱通風(fēng)管路來說，作為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱與進(jìn)氣系統(tǒng)之間的連接通道，不僅保證氣體流通順暢，而且必須保證連接可靠，監(jiān)測(cè)管路斷開故障，避免造成油氣污染。

2 法規(guī)解讀

國六階段排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016自2020年7月1日起正式實(shí)施，相比于國五階段增加對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)要求。在標(biāo)準(zhǔn)中J.4.9.2.2規(guī)定：如果曲軸箱與PCV閥，或者PCV閥與進(jìn)氣歧管之間斷開連接，OBD系統(tǒng)應(yīng)檢測(cè)出故障。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定以下幾種情況，經(jīng)主管機(jī)構(gòu)同意，可以申請(qǐng)法規(guī)豁免，允許生產(chǎn)企業(yè)不檢測(cè)PCV與曲軸箱的連接斷開故障。

（1）自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣補(bǔ)氣管;（2）PCV閥用專用工具才能拆卸的螺栓固定在曲軸箱上的方案;（3）增壓發(fā)動(dòng)機(jī)新鮮空氣補(bǔ)氣管，如果采用單向閥，并且單向閥直接固定在曲軸箱上，且不易拆卸（參照PCV閥要求）;（4）在考慮老化影響的情況下，整個(gè)系統(tǒng)拆卸更為困難，除了要有特殊連接設(shè)計(jì)外，大力無法斷開;（5）為了安全設(shè)計(jì)的過壓保護(hù)閥;（6）在怠速時(shí)斷開PCV閥，車輛立即熄火;（7）PCV閥和進(jìn)氣歧管之間的連接不會(huì)斷開，采用發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部通道方式。

法規(guī)的初衷是避免售后更換、維修時(shí)，漏裝曲軸箱通風(fēng)管管路及其連接接頭，造成油氣污染。

3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、油氣分離器和通風(fēng)管路等部件組成，對(duì)于自然吸氣式和增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和壓力的不同，所以曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理也有所區(qū)別。

3.1 自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)

整車進(jìn)氣系統(tǒng)空濾后壓力>發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力>進(jìn)氣歧管壓力，PCV閥受進(jìn)氣歧管負(fù)壓抽吸開啟，曲軸箱竄氣通過進(jìn)氣側(cè)管路進(jìn)入燃燒室，重新參與燃燒，新鮮空氣通過排氣側(cè)管路向曲軸箱內(nèi)補(bǔ)氣，如圖1所示。

3.2 增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)

曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)分為兩種結(jié)構(gòu)，其中一種是曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）既是通風(fēng)通道，又是補(bǔ)氣通道;另一種是曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）只是通風(fēng)通道，系統(tǒng)有單獨(dú)的補(bǔ)氣通道。

對(duì)于第一種曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)來說，在部分負(fù)荷工況時(shí)，此時(shí)空濾后壓力>曲軸箱壓力>進(jìn)氣歧管壓力，PCV閥受進(jìn)氣歧管負(fù)壓抽吸開啟，曲軸箱竄氣通過進(jìn)氣側(cè)管路進(jìn)入燃燒室重新參與燃燒，新鮮空氣通過排氣側(cè)管路向曲軸箱內(nèi)補(bǔ)氣。

在高負(fù)荷工況時(shí)，此時(shí)增壓器介入工作，進(jìn)氣歧管內(nèi)為正壓，PCV閥反向止通，曲軸箱壓力>整車空濾后壓力，曲軸箱竄氣通過排氣側(cè)管路進(jìn)入整車空濾后進(jìn)氣管路，最終進(jìn)入燃燒室參與燃燒，如圖2所示。

對(duì)于第二種曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)來說，在小負(fù)荷工況：當(dāng)進(jìn)氣歧管在負(fù)壓時(shí)，空濾后壓力接近大氣壓，此時(shí)：空濾后壓力>曲軸箱壓力>進(jìn)氣歧管壓力，曲軸箱內(nèi)廢氣通過缸蓋內(nèi)部通道進(jìn)入燃燒室。空濾后管路上曲軸箱通風(fēng)管連接位置有單向閥，氣流無法通過曲軸箱通風(fēng)管進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，只能通過空濾后管路上補(bǔ)氣管連接位置，經(jīng)過補(bǔ)氣管和發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋上的單向閥進(jìn)入曲軸箱內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)氣。

在大負(fù)荷工況：進(jìn)氣歧管在正壓時(shí)（增壓器啟動(dòng)），此時(shí)壓力為：進(jìn)氣歧管壓力>曲軸箱壓力>空濾后壓力，曲軸箱內(nèi)廢氣通過曲軸箱通風(fēng)管進(jìn)入空濾后管路，最終進(jìn)入燃燒室。由于曲軸箱壓力大于空濾后壓力，此時(shí)無法對(duì)曲軸箱進(jìn)行補(bǔ)氣，但是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門室罩蓋上有單向閥，氣體也無法逆流通過補(bǔ)氣管進(jìn)入空濾后管路。同時(shí)，油氣分離器上有單向閥，進(jìn)氣歧管氣體不能進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，如圖3所示。

4 曲軸箱通風(fēng)管路的技術(shù)方案選型

4.1 技術(shù)路線

為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)滿足國六法規(guī)OBD監(jiān)測(cè)策略，曲軸箱通風(fēng)管路主要分為兩種技術(shù)路線：

（1）診斷法式結(jié)構(gòu)：為曲軸箱通風(fēng)管路增加在線診斷斷開故障的裝置;（2）豁免式結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)符合法規(guī)豁免情況的曲軸箱通風(fēng)管路。

根據(jù)我司已量產(chǎn)的曲軸箱通風(fēng)管路設(shè)計(jì)方案，診斷法式結(jié)構(gòu)主要分為空氣流量傳感器式診斷法、壓力傳感器式診斷法和導(dǎo)電管式診斷法。

空氣流量傳感器式診斷法是在怠速工況時(shí)，當(dāng)斷開曲軸箱通風(fēng)管路的任意一端時(shí)，測(cè)得的空氣質(zhì)量流量與估算的空氣質(zhì)量流量之間的差值，大于故障限值，此時(shí)可報(bào)出空氣流量傳感器故障，從而監(jiān)測(cè)管路故障，如圖4所示。

壓力傳感器式診斷法是在怠速工況時(shí)，當(dāng)斷開曲軸箱通風(fēng)管路的任意一端時(shí)，怠速實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速+200rpm/min，或進(jìn)氣壓力超過模型上限D(zhuǎn)PTPSRMX（可標(biāo)定），此時(shí)可報(bào)出高怠速故障LLRmax或進(jìn)氣壓力不合理故障PRSPmax，從而監(jiān)測(cè)管路故障，如圖5所示。

導(dǎo)電管式診斷法的診斷原理如下：在曲軸箱通風(fēng)管路外部增加金屬導(dǎo)線，連接固定在通風(fēng)管上的配對(duì)端接頭，并從接頭處引出導(dǎo)線進(jìn)入ECU。當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路中的任何地方發(fā)生斷開（包括管路兩端接插件），則會(huì)造成該電路斷路，從而被EMS 系統(tǒng)檢測(cè)出故障，并報(bào)出故障碼，圖6分別表示導(dǎo)電管式診斷法電路原理圖。

如圖6所示，RECU為ECU內(nèi)部上拉電阻;Rpipe為導(dǎo)線內(nèi)阻。當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路未發(fā)生斷開故障時(shí)，整個(gè)電路導(dǎo)通。此時(shí)，ECU回讀到Rpipe的電壓值2.5V;當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路發(fā)生斷開故障時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線回路斷開。此時(shí)，ECU回讀到的電壓值為5V。因此，根據(jù)ECU回讀到的電壓值即可診斷出高負(fù)荷通風(fēng)管路是否斷開。如果ECU回讀到的電壓值大于診斷閾值，經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí)，則診斷出曲軸箱通風(fēng)管路斷開故障，如圖7所示。

豁免式結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)路線是采用不可拆卸式的快插接頭來實(shí)現(xiàn)豁免，簡(jiǎn)稱不可拆卸式結(jié)構(gòu)。以我司某款不可拆卸式曲軸箱通風(fēng)管為例，采用尼龍管+兩端不可拆卸式快插接頭結(jié)構(gòu)。不可拆卸的結(jié)構(gòu)原理是快插接頭通過焊接蓋帽封堵主體窗口，不設(shè)置解鎖按鈕，防止裝配后可以解鎖，在焊接蓋帽四側(cè)留有割槽，用于方便螺絲刀伸入，撬開蓋帽，形成簡(jiǎn)易破壞性拆卸，拆卸后蓋帽無法再裝配到主體窗口上，如圖9所示。尼龍管與快插接頭采用過盈壓裝方式裝配，接頭上的反倒刺結(jié)構(gòu)增加兩者之間的拔脫力，無法大力斷開。

綜上所述，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，分別為每個(gè)曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線，如表1所示。

4.2 方案選型

對(duì)于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，根據(jù)所選的技術(shù)路線，曲軸箱通風(fēng)管管路通常有橡膠管+卡箍和尼龍管+快插接頭兩種方案，在滿足系統(tǒng)目標(biāo)前提下，選擇一種成本最優(yōu)的方案。

對(duì)于增壓式發(fā)動(dòng)機(jī)來說，曲軸箱通風(fēng)管（進(jìn)氣歧管側(cè)）和曲軸箱補(bǔ)氣管選型方案，與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的管路方案一致，選擇一種目標(biāo)與成本相平衡的方案。而曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）主要采用空氣流量傳感器式診斷法、壓力傳感器式診斷法、導(dǎo)電管式診斷法和不可拆卸式結(jié)構(gòu)四種技術(shù)路線，下面分別介紹每一種技術(shù)路線具體實(shí)施方案：

（1）空氣流量傳感器式診斷法：如果進(jìn)氣系統(tǒng)有空氣流量傳感器，只需要進(jìn)行與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)相關(guān)的ECU標(biāo)定工作，否則需要增加空氣流量傳感器，該技術(shù)路線的管路通常有橡膠管+卡箍和尼龍管+快插接頭兩種方案。此方案診斷精確，管路成本低，ECU標(biāo)定工作量大，與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)強(qiáng)相關(guān)。

（2）壓力傳感器式診斷法：需要在曲軸箱通風(fēng)管管路上增加壓力傳感器，再進(jìn)行與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)相關(guān)的ECU標(biāo)定工作，而管路通常選擇尼龍管+快插接頭方案。該方案診斷精確，管路成本略高，布置要求復(fù)雜，ECU標(biāo)定工作量大。

（3）導(dǎo)電管式診斷法：采用導(dǎo)電診斷式快插接頭+尼龍管/橡膠管方案，再進(jìn)行簡(jiǎn)單地ECU標(biāo)定工作，此方案管路組成復(fù)雜，單件成本較高，不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)，ECU標(biāo)定內(nèi)容少，存在誤診斷現(xiàn)象。

（4）不可拆卸式結(jié)構(gòu)：采用不可拆卸式快插接頭+尼龍管/橡膠管方案，不需ECU標(biāo)定工作，該方案管路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)和單價(jià)成本低，不涉及ECU標(biāo)定，與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)無關(guān)，但需破壞性拆卸，維修成本高。

在方案選型流程中，應(yīng)該盡早確定技術(shù)路線，盡可能的實(shí)現(xiàn)滿足法規(guī)豁免情況，從整車屬性、功能和成本等領(lǐng)域獲得目標(biāo)和功能需求，在平衡相沖突的目標(biāo)與成本后，提出可行的解決方案，所選擇的方案能夠?qū)崿F(xiàn)平衡的整車目標(biāo)，并代表客戶期望的需求。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)排放法規(guī)國六階段的解讀，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，為每個(gè)曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線。在平衡相沖突的目標(biāo)與成本后，可以根據(jù)實(shí)際需求和每個(gè)方案的特點(diǎn)來選擇每個(gè)曲軸箱通風(fēng)管路的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，不僅保證為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)滿足國六法規(guī)OBD監(jiān)測(cè)策略，而且為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜文濤，王紅學(xué).滿足國六法規(guī)的汽油車曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代汽車.2020（16）.

[2]GB 18352.6-2016.輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）[s].

[3]李洋贊，趙大偉，劉春寧，由環(huán)宇.曲軸箱通風(fēng)管路新技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用[J].汽車工藝師，2017（8）.

[4]孫璽亮.DA465QA 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué).2017.

[5]袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.