發動機曲軸箱通風管道集油原因分析及改進

李 文，張國勇，周 晶

（四川化工職業技術學院機械工程系，四川瀘州 646005）

0 引言

發動機在壓縮行程中，氣缸中的少量混合氣通過活塞環與缸孔間隙、活塞環切口間隙、氣門與氣門導管間隙等漏入曲軸箱，再加上高溫情況下的發動機機油蒸汽形成混合氣體。根據國家法規要求，該混合氣不能排入大氣，若不處理，易使機油發生老化和變質，影響機油潤滑性能，大量混合氣聚集還會使曲軸箱內壓力升高，發動機油封漏油。為處理形成的混合氣體，發動機曲軸箱設計有通風系統，在不影響發動機性能的前提下將曲軸箱內的混合氣適量地導入氣缸燃燒，處理該混合氣，達到排放環保要求；同時新鮮空氣從通氣管道進入曲軸箱，減少機油變質，調節曲軸箱內壓力，防止壓力過高導致油封漏油。

1 問題描述

在對某發動機進行可靠性試驗過程中，24 h 例行保養時發現曲軸箱通風管道集油，出現油滴現象，如圖1 所示。搭載 該發動機的 試驗車在進行可靠性試驗中，也發現曲軸箱通風管道同樣現象，同時出現發動機機油消耗量和積碳增加。

圖1 曲軸箱通氣管道集油

2 原因分析

曲軸箱通風系統的原理是利用發動機缸蓋罩的迷宮結構讓混合氣體在氣缸罩內經過油氣分離后，讓機油流回油底殼。混合氣體通過PCV 閥管道和PCV 閥進入進氣歧管，再進入發動機氣缸燃燒，同時讓新鮮空氣從空濾器后管，經過通氣管道進入氣缸罩及曲軸箱，達到油氣分離、處理混合氣體、引入新鮮空氣調節曲軸箱壓力的作用，如圖2 所示。曲軸箱通風管道是連接汽油發動機曲軸箱、進氣歧管及空濾器后管的管道，包括PCV 閥管道和通氣管道。PCV 閥管道將曲軸箱與進氣歧管相連，通氣管道將曲軸箱與空濾器后管相連，形成閉式曲軸箱通風系統。

根據曲軸箱通風系統的原理，造成曲軸箱通風管道集油現象可能有以下原因。

（1）缸蓋罩迷宮結構不能進行有效的油氣分離。

（2）曲軸箱壓力大于空濾器內氣體壓力，使得大量曲軸箱氣體通過通氣管進入空濾器后管，造成曲軸箱通氣管道集油。

魚骨刺圖如圖3 所示。

圖2 氣缸罩

圖3 魚骨刺圖

2.1 缸蓋罩結構分析

對比實際缸蓋罩與參考樣機的缸蓋罩的結構，如圖4 所示。可以看出兩者沒有差異，該發動機缸蓋罩按照參考樣機測繪開發，故認為實際缸蓋罩的結構合理。

2.2 PCV 閥分析

PCV 閥如圖5 所示。如果流量不能滿足要求，使活塞漏入曲軸箱內的氣體不能及時通過其流出，會使氣體在曲軸箱積聚，使曲軸箱內壓力高于空濾器后管壓力，大量的混合氣體通過曲軸箱通氣管道流出，造成通風管道集油，有機油油滴。根據文獻資料，一般PCV 閥在其B 端真空度為20 kPa、35 kPa 和55 kPa 時的節流量Q 與對應型號新發動機的最大曲軸箱“竄氣”量Qc存在近似關系：①20 kPa，Q=2.0～2.3Qc；②35 kPa，Q=1.1～1.3Qc；③55 kPa，Q=0.6～0.8Qc。

圖4 缸蓋罩結構對比

圖5 PCV 閥

根據上述公式計算得出現裝的PCV 閥流量（表1）。

表1 現裝的PCV 閥流量

進行曲軸箱通風系統試驗，發動機在全負荷工況下，測試曲軸箱壓力，結果見表2。

表2 曲軸箱壓力

通過表1 和表2 分析得出，現裝的PCV 閥流量小于該發動機匹配的PCV 閥流量，同時低速全負荷時曲軸箱壓力為正壓，是造成曲軸箱通風管道內集油，出現有機油油滴的原因。

3 改進措施

3.1 加大PCV 閥的流量

基于上述原因，按照該發動機的工作狀況，調整PCV 閥的流量曲線，加大PCV 閥在各真空度下的流量，使曲軸箱內氣體能及時排出。

（1）在試驗中心臺架上進行試驗，試驗工況為令熱沖擊工況，得出PCV 閥流量曲線。

（2）如圖6 所示，分別在曲軸箱通風管道出口和PCV 閥出口接油氣分離器，稱量分離出的機油量。使用現有PCV 閥（小流量）運行178 h，從曲軸箱通風管道處分離了36 g 機油（0.2 g/h）。使用試制的PCV 閥（大流量）運行53.5 h，從曲軸箱通風管道處分離了4 g 機油（0.075 g/h）。

圖6 在曲軸箱通風管道出口接油氣分離器

（3）在試驗過程中測量曲軸箱壓力及進氣歧管壓力，數據見表3。

表3 曲軸箱壓力及進氣歧管壓力

（4）由于加大PCV 閥流量可能造成發動機怠速不穩，因此還要進行怠速測試。將發動機怠速一段時間，沒有發現異常。

試驗結果表明，試制的PCV 閥對曲軸箱通風管道處集油情況有很大改善。但在發動機低速全負荷時曲軸箱壓力為正壓。

根據國家環境保護總局、國家質量監督檢驗檢疫總局發布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》規定：汽車在行駛速度為50±2 km/h 時曲軸箱壓力應為負壓。根據該發動機所搭配的車型，車速為50±2 km/h 時的發動機轉速，其換算公式n=50×100×i3×i0/60×π×d，其中，d 是滾動直徑，m；n 是車速，n/min；i0和i3是傳動比。對于本機，i0=4.3125，i3=1.31，π=3.14，d=0.294×2=0.558 m，得出n=2550 r/min。從檢測結果可知，在2500 r/min 全負荷時，曲軸箱壓力為正壓，不符合國家法規要求，同時低速全負荷時曲軸箱壓力為正壓，也會造成了曲軸箱通風管內集油，故還要再改進。

3.2 調整PCV 閥的流量曲線

根據第一批PCV 閥的試驗結果，進一步調整PCV 閥的流量曲線，加大真空度低時的流量，同時將最大流量峰值前移，使低速全負荷時曲軸箱內的壓力為負壓，進行裝機試驗驗證。

對第二批PCV 閥進行試驗，在全負荷工況下測試曲軸箱壓力，數據見表4。

測試發動機在2550 r/min 時，各負荷特性下曲軸箱壓力及進氣歧管壓力，試驗數據見表5。

從試驗結果看，第二批樣件的PCV 閥在發動機低速全負荷時曲軸箱壓力為負壓，怠速正常。在2550 r/min 時各負荷工況下的曲軸箱壓力為負壓，符合國家法規要求，將此PCV 閥裝在該發動機可靠性試驗機上，24 h 例行保養時觀察曲軸箱通風管，沒有發現機油油滴。

表4 曲軸箱壓力

表5 曲軸箱壓力及進氣歧管壓力

3.3 改進效果

經過兩次調整PCV 閥流量特性，試驗結果表明，發動機在各轉速全負荷時曲軸箱壓力為負壓，怠速正常。曲軸箱通風管內集油的情況得到改善，達到了改進效果。

4 結論

原PCV 閥的流量特性不符合某發動機的需要，使曲軸箱內的氣體不能通過PCV 閥及時排出，造成大量氣體在曲軸箱內積聚，曲軸箱內壓力成為正壓，導致曲軸箱內氣體通過通風管道進入空濾器后端，致使曲軸箱通氣管道內集油，出現有機油油滴。經過改進后的PCV 閥，在發動機2550 r/min 時各負荷工況下的曲軸箱壓力為負壓，符合國家法規要求，達到改進效果。