芻議曲軸箱強制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)

王良斌

（焦作大學(xué)，河南 焦作 454000）

1 曲軸箱竄氣和曲軸箱混合氣體的危害

發(fā)動機運行中，會有一部分高壓高溫氣體從氣缸途經(jīng)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(nèi)的氣體，除了主要來源于氣缸的竄氣外，還有曲軸箱內(nèi)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(tǒng)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(fā)動機運行危害極大。首先，使曲軸箱內(nèi)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(dǎo)致機油滲漏；其次，污染機油使其劣化，最終導(dǎo)致發(fā)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(zhì)的速度和進程。混合氣體冷凝后與機油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成油泥，更使機油潤滑效能雪上加霜。

發(fā)動機運行中，曲軸箱內(nèi)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(huán)境。現(xiàn)代汽車發(fā)動機均采用曲軸箱強制通風(fēng)（PCV）技術(shù)對曲軸箱混合氣體進行清除。

2 曲軸箱強制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)

PCV系統(tǒng)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(nèi)建立適度的真空度（大約4 kPa）。空氣濾清器與節(jié)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(jié)氣門前后的閉式管路結(jié)構(gòu)。在封閉管路上，設(shè)置用于流量調(diào)節(jié)的單向閥，稱為PCV閥，還設(shè)置有油氣分離裝置，即油氣分離器。PCV系統(tǒng)按油氣分離器形式可分為兩類，一級油氣分離式PCV系統(tǒng)如圖1所示，二級油氣分離式PCV系統(tǒng)如圖2所示。PCV系統(tǒng)除PCV閥、油氣分離器、通氣管、真空管外，還包括缸蓋和缸體內(nèi)的機油回流道。

圖1 一級油氣分離式PCV系統(tǒng)

2.1 一級油氣分離式PCV系統(tǒng)

迷宮式油氣分離器與氣缸蓋罩集為一體，位于氣缸蓋罩內(nèi)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(tǒng)

發(fā)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(jīng)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(jīng)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(jīng)機油回流道流回油底殼。

一級油氣分離式PCV系統(tǒng)強制“通風(fēng)”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(fā)動機在較寬的工況段（如中等負荷到全負荷）內(nèi)，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(fā)動機的運行。

迷宮式油氣分離器分離效率相對較低，其結(jié)構(gòu)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(dǎo)致發(fā)動機機油消耗量增多，嚴重影響到發(fā)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(yè)務(wù)。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(fā)動機燃油消耗量法規(guī)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(tǒng)油氣分離率勢在必行。

另外，迷宮式油氣分離器設(shè)置于氣缸蓋罩上，會給特定用戶群帶來機油乳化的風(fēng)險。就發(fā)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(dǎo)致機油乳化。冬季低溫用車以及短距離用車的用戶此風(fēng)險為大。現(xiàn)在多數(shù)發(fā)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(fēng)險。

一級油氣分離式PCV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(tǒng)

為避免一級油氣分離式PCV系統(tǒng)的致命缺陷，二級油氣分離式PCV系統(tǒng)便應(yīng)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(fēng)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(fēng)式油氣分離器相串聯(lián)并且集成于一體，新鮮空氣經(jīng)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(jīng)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(tǒng)。但是，這會導(dǎo)致某些工況（如減速工況）曲軸箱真空度過高而影響發(fā)動機的運行。為此，有些發(fā)動機（如大眾汽車集團的EA211和EA888發(fā)動機）的PCV系統(tǒng)設(shè)置壓力調(diào)節(jié)器來予以解決，此文篇幅所限，不再涉及。

旋風(fēng)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(zhuǎn)，密度大的油滴在離心力作用下被甩向漏斗狀腔體內(nèi)壁，并在重力作用下，沿內(nèi)壁流下匯入錐形排油口流回油底殼。

在實際運用中，旋風(fēng)式油氣分離器又可分為內(nèi)置式和外置式兩種安裝形式。外置式旋風(fēng)油氣分離器給發(fā)動機運行造成了極大的損害，設(shè)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(fā)動機（自主研發(fā)的1.6L Blue Core發(fā)動機）出現(xiàn)嚴重的機油乳化風(fēng)波，罪魁禍?zhǔn)拙褪峭庵檬叫L(fēng)油氣分離器。該發(fā)動機采用二級PCV系統(tǒng)，迷宮式油氣分離器置于氣缸蓋罩內(nèi)，粗分離后的曲軸箱混合氣體經(jīng)軟管導(dǎo)出進入外置的旋風(fēng)式油氣分離器，而后通過PCV閥進入進氣歧管。癥結(jié)是：曲軸箱混合氣體離開了發(fā)動機機體后，其溫度極度減低，導(dǎo)致其中的水蒸氣凝結(jié)成水，在溫度同樣低的外置旋風(fēng)式油氣分離器中，水和機油一并被分離出流回油底殼，導(dǎo)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(fēng)式油氣分離器，變?yōu)橐患壥接蜌夥蛛x式PCV系統(tǒng)，不完美地平息了機油乳化風(fēng)波。大眾的EA211和EA888發(fā)動機的粗細兩級油氣分離器及其連通的管道都不離發(fā)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(fēng)險。同時這兩款發(fā)動機的二級油氣分離器式PCV系統(tǒng)還增設(shè)了壓力調(diào)節(jié)器，使曲軸箱內(nèi)的真空度適度且穩(wěn)定，是量產(chǎn)汽車發(fā)動機中PCV系統(tǒng)的佼佼者。

圖3 旋風(fēng)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(tǒng)對發(fā)動機的不良影響

3.1 對燃油定量電子控制的影響

從發(fā)動機進氣系統(tǒng)的角度上看，PCV系統(tǒng)的實質(zhì)就是，源自于節(jié)氣門之前的一部分新鮮空氣引入發(fā)動機內(nèi)，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(jīng)節(jié)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(chǎn)生不利影響。好在空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)對其進行調(diào)節(jié)補償，消化掉由此引起的燃油定量的偏差。但是，空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力總是有限度的，因此 PCV閥的流量必須是空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)可接受的；空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)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(huán)控制），因此 PCV閥的開啟和關(guān)閉必須與空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作條件相匹配。顯然，基于機械原理的PCV系統(tǒng)不能完全滿足這些要求，即機械式PCV系統(tǒng)，在發(fā)動機全運行工況內(nèi)，總會影響到空燃比的控制精度。只有將PCV系統(tǒng)納入發(fā)動機電子控制系統(tǒng)，才能從根本上解決此問題。因而，隨著國家汽車排放法規(guī)愈加嚴格，PCV系統(tǒng)的電子化勢在必行。

3.2 對進氣系統(tǒng)的影響

迷宮式和旋風(fēng)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(tǒng)，造成進氣歧管、氣門和燃燒室積炭，進而影響到發(fā)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(yǎng)市場，對進氣系統(tǒng)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(guī)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(zhuǎn)換裝置，對三元催化轉(zhuǎn)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(tǒng)積炭的清洗大多數(shù)用戶是被動的，當(dāng)用戶覺察到車輛行駛異常時，積炭就已經(jīng)很嚴重了，不得不去清洗，此時清洗對三元催化轉(zhuǎn)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(xué)合理的清洗周期也是必要的。

3.3 對發(fā)動機機油消耗量的影響

GB/T19055—2003《汽車發(fā)動機性能試驗方法》是通過經(jīng)濟手段或市場調(diào)節(jié)而自愿采用的推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)，其中關(guān)于發(fā)動機機油消耗量的規(guī)定是：額定轉(zhuǎn)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(fā)動機機油消耗量須少于0.3 L/1 000 km。發(fā)動機機油消耗量只要不超出國家標(biāo)準(zhǔn)或廠商規(guī)定值，都為正常。

在汽車實際運用中，并不關(guān)注發(fā)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(jù)，在一個保養(yǎng)周期內(nèi)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(yǎng)周期內(nèi)，不補充機油者為正常，補充者為燒機油。機油消耗量是發(fā)動機設(shè)計制造過程中重要的控制指標(biāo)，它是人為可控的。發(fā)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(cè)重面可能不同，得失相伴，不同廠商發(fā)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(fā)動機運行就會有機油消耗。機油消耗量與使用和發(fā)動機技術(shù)狀況有直接關(guān)系。

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