一種曲軸箱通風系統結冰問題的解決方案

沙賓賓，趙世來，孫秀毅

（華晨汽車工程研究院動力總成設計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

由于在發動機運行時，燃燒室并非一個完全密封的空間，其內部的高壓混合氣會通過各密封位置向外泄露；其中通過活塞與氣缸套之間的間隙泄露的混合氣體進入曲軸箱內，混合氣體包括未燃的燃油氣、水蒸氣和廢氣等等，這些氣體會導致機油稀釋，進而降低機油的使用性能。混合氣體中的腐蝕性物質隨著潤滑油進入潤滑系統中，會加速發動機各零部件的腐蝕和磨損；混合氣還會造成曲軸箱內壓力過高而破壞曲軸箱的密封。為了解決以上問題，發動機設計過程中針對此問題設計了曲軸箱通風結構來防止發動機潤滑油稀釋、曲軸箱壓力過高，延緩各個零部件的磨損，泄露的廢氣進入大氣也會污染環境。

目前汽車行業中曲軸箱通風系統結冰故障一直在汽車冬季試驗中受到極大的關注，今后對其曲軸箱通風系統的要求也越來越嚴格。為了解決此問題，汽車發動機研發就需要不斷地開發新技術，并且優化現有產品來滿足現狀的要求。對于發動機來說，缸內直噴技術、增壓技術逐漸成為主流后，缸內燃燒溫度不斷增加，爆發壓力不斷增加，發動機的活塞竄氣量不斷增加，缸內燃燒廢其增加導致的水蒸氣增加等因素，迫切的需要對曲軸箱通風系統進行改進設計，以提高發動機的寒區適應性。這里詳細的介紹一款發動機曲軸箱通風系統的方案。

1 曲軸箱通風系統的原理

為了降低發動機工作過程中的機油消耗量，平衡發動機內部各系統間的壓力，所以發動機的曲軸箱通風系統設計方案也發生了巨大變化。某款發動機的曲軸箱通風系統由于受整車發動機艙空間的限制，為了滿足發動機整體的布置要求，將曲軸箱各個結構分散于發動機不同位置，通過采用較長的發動機外部管路結構連接曲軸箱通風系統各個結構，達到滿足整個系統運行的需要；但由于連接管路過長，導致在極寒的惡劣條件下，外部管路出現結冰現象，導致曲軸箱通風系統某處結構流通面積減小甚至堵塞，整個曲軸箱通風系統失效的風險較大。

曲軸箱通風系統的結構功能原理如圖1、圖2所示，由于隨著發動機工作過程中負荷的變化，曲軸箱壓力也隨之進行變化，導致曲軸箱通風系統外部連接管路內部存在冷暖交替的氣流，油氣分離后的剩余的水蒸氣在遇到外部惡劣的極寒條件下冷凝后結冰，導致曲軸箱通風系統某處結構流通面積減小甚至堵塞，最終導致曲軸箱通風系統失效。

圖1 曲軸箱負壓時氣體流動示意圖

圖2 曲軸箱正壓時氣體流動示意圖

2 曲軸箱通風系統的設計優化

針對曲軸箱通風系統結冰問題，某款發動機針對曲軸箱通風系統的設計進行優化，其優化方案主要從熱傳導方面對曲軸箱結冰位置的工作環境進行合理改善。引起曲軸箱通風系統結冰的原理主要是由于冷空氣的進入和發動機工作環境處于極寒的低溫狀態，在保持發動機原有結構、機構不更改的前提下，將發動機產生的熱量加以利用，引入到發動機需要的結構位置，對遭受低溫侵害的零部件進行加熱和保溫。對其他不受低溫影響或者涉及的零部件盡量維持原始設計方案。

2.1 管路加熱

某款發動機已經通過多次試驗并進行證實，發動機在工作過程中，發動機節氣門體預熱管路內部的冷卻液溫度在80℃ ～100℃之間，此溫度可以用于改善曲軸箱通風系統結冰問題，故本方案通過調整局部冷卻水管路的布置方案，在不影響發動機整體冷卻系統工作的前提下，采取引用節氣門體預熱管路內的冷卻液對曲軸箱通風系統外部連接管路進行加熱的方法，此方案實現了對曲軸箱通風系統外部連接管路內的氣體進行加熱的目的，達到了降低管路內水蒸氣冷凝及附著在管壁的冷凝水結冰的風險效果。改善前的管路布置如圖3所示，改善后的管路示意圖如圖4所示。圖中黃色管路代表曲軸箱通風系統外部連接管路，藍色管路代表發動機冷卻液流通管路。

圖3 改善前管路布置圖

圖4 改善后管路布置圖

2.2 管路保溫

某款發動機已經通過多次試驗并進行證實，依靠發動機節氣門提預熱管路的冷卻液對曲軸箱通風系統外部連接管路進行加熱可有效改善曲軸箱結冰問題，但曲軸箱通風系統外部連接管路局部位置仍存在結冰的風險，因此需要進一步優化方案，通過驗證，在曲軸箱通風系統外部連接管路仍然存在結冰風險的局部位置增加一些管路的保溫護套結構，將這些位置結構與外部極寒的工作環境進行一定程度上的隔離，減少這個結構的溫度損失，進而達到降低這些局部位置結冰風險的目的。圖4中灰色結構為保溫護套的示意。

3 模擬結果與分析

由于整個曲軸箱通風系統的復雜性，邊界條件過于復雜無法進行設定，所以現今汽車行業暫時無法針對曲軸箱通風系統結冰問題進行仿真分析。

4 試驗驗證

為了對改善后的曲軸箱通風系統結冰問題結果進行試驗驗證，對兩臺新車進行了對比試驗，其中一臺試驗新車的發動機曲軸箱通風系統及冷卻系統按本文提到的管路加熱和管路保溫方案進行了改裝，另外一臺新車發動機折采用現有的曲軸箱通風系統和冷卻系統。為了可以得到溫度的實時變化情況，分別在兩臺試驗車發動機曲軸箱通風系統外部連接管路各自相同的位置布置了溫度傳感器A2～A6。試驗地點設置在海拉爾極寒條件地區下進行，試驗環境溫度為-37.5 ℃，兩輛試驗車在相同負載相同工況下進行驗證試驗。測得曲軸箱通風系統各個位置溫度數據如下兩圖，原方案數據如圖 6所示，改進方案數據如圖6所示。

圖5 原車方案管路溫度曲線

圖6 優化方案管路溫度曲線

從溫度采集數據上可以明顯看出，原曲軸箱通風系統管路內溫度長時間處于 0℃以下，進行優化設計后的曲軸箱通風系統管路內溫度基本都處于 0℃以上，達到了解決曲軸箱通風系統管路結冰問題的目的，成功解決曲軸箱通風系統失效的故障。

5 結論

發動機曲軸箱通風系統能很好的改善發動機運行狀況，但曲軸箱通風系統結冰問題也是在極寒地區時常發生的問題，是對曲軸箱通風系統設計的一個挑戰，本文通過管路加熱和管路保溫兩個措施，并在驗證的過程中反復進行優化，發現問題，及時分析，及時解決，及時驗證，直到成功的解決了此結冰問題。以上是對曲軸箱通風系統的優化設計，改善了一款發動機的故障。

參考文獻

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