同平臺曲軸箱通風管結冰優化

于貴芙 李鑫 張治國 王雷

摘 要：文章通過對于同平臺搭載相同動力總成不同車型在整車高寒可靠性試驗中出現的曲軸箱通風管路結冰問題進行分析，并依據行業經驗提出解決方案并進行驗證，最終車輛滿足在高寒地區使用要求。

關鍵詞：曲軸箱通風管;結冰

Abstract： This paper analyzes the freezing problem on the same platform ventilation pipe with different vehicle models in alpine area test. Based on the industry experience the paper puts forward the solution to the problem and verifies. Finally meet the requirements of vehicle in alpine area.

Keywords： Ventilation pipe; Freezing

前言

當發動機工作時，燃燒室內一部分燃油蒸汽、水蒸汽和燃燒廢氣等構成曲軸箱竄氣通過活塞環與氣缸套的間隙進入發動機曲軸箱并最終通過強制曲軸箱通風系統排入發動機進氣系統內[1]。但當整車在高寒環境行駛時，曲軸箱竄氣在排入發動機進氣系統時會因與進氣冷氣流相遇導致竄氣攜帶的水蒸氣冷凝并在曲軸箱通風管管口凝結為冰霜。車輛長時間行駛，冰霜逐漸加厚直至堵塞管路時會導致曲軸箱竄氣無法排出，曲軸箱內壓力將急劇上升，甚至導致機油因壓力從曲軸箱油封等位置滲漏，發動機燒機油（排氣能夠觀察到藍色霧氣），發動機大負荷工作時甚至出現機油尺噴出的現象[2]。

一般此類結冰問題會在項目初期考慮，但當某平臺A車型已通過高寒地區結冰問題驗證，新開B車型沿用A車型動力總成系統時卻出現結冰問題。本文通過對兩款車型進行對比測試分析查找問題原因，根據行業經驗提出優化方案，并結合方案成本和工程更改難度確定最終方案，為同平臺此類問題解決提供參考經驗。

1 同平臺車型試驗結果差異分析

在呼倫貝爾市進行整車高寒試驗過程中B車型在低于-30℃環境中以100km/h連續行駛140km時觀察到通關管路連接發動機曲軸箱的氣球急劇增大，同時從壓力表中讀取到曲軸箱壓力已超過2kpa，此時曲軸箱壓力已出現異常（見圖1）;停車檢查曲軸箱系統管路，在曲軸箱通風管與進氣管接口位置出現明顯積冰，在管口內已基本封堵（見圖2）。在相同試驗條件下，之前研發同平臺A車型行駛至約4小時返程也未出現曲軸箱壓力異常，停車檢查曲軸箱通風管路，其曲軸箱通風管和進氣管接口位置雖有少量積冰，但管道仍通暢。

為對比兩款車型結冰情況差異，使用溫度測量熱電耦測量發動機艙與曲軸箱通風系統零部件外壁溫度、在相同-30℃以下環境溫度進行高速工況行駛對比測量溫度數據如表1。對比試驗數據發現B車型在相同試驗工況下發動機艙溫度和油氣分離器外壁溫度都要低10℃以上，盡管兩款車型使用的是相同的動力總成，但由于進氣格柵設計開口率及開口位置的不同導致兩輛車在高速行駛時發動機艙內外部空氣侵入量和流場存在顯著差異，B車型因為進氣格柵開口面積比A車型大71%，且氣流存在不流經散熱器直接進入發動機艙曲軸箱通風系統部位問題，導致當車輛高速行駛時發動機艙內溫度與環境溫度接近，曲軸箱通風系統外部管路受發動機艙低溫環境影響導致竄氣溫度急劇下降，最終導致竄氣水分在管路內凝結并流至進氣管管口位置結冰，結冰堵塞了曲軸箱竄氣排出，曲軸箱壓力因而升高，出現異常。

2 方案對策

通過溫度測量數據分析出B車型曲軸箱通風管路結冰問題的根源是因為整車進氣格柵及發動機艙設計導致，但由于整車造型和散熱導風板更改涉及多個部門已完成工作，將影響項目開發進度，因此考慮從其他方法解決該問題。目前已經確定是因發動機艙低溫導致該問題，故針對溫度從以下幾種方案入手解決。

2.1 增強曲軸箱通風系統保溫

通過A車型和B車型的溫度采集數據可以看到受發動機艙溫度影響B車型油氣分離器外壁溫度已經低于0℃，采用具有保溫效果的發動機裝飾罩，盡可能將曲軸箱通風系統的油氣分離器、PCV閥（壓力控制閥）和曲軸箱通風管路置于發動機裝飾罩下，在裝飾罩下與發動機各零部件之間填充保溫材料或是發動機裝飾罩本身就是保溫材料隨發動機形狀造型，都可以有效減少曲軸箱通風系統各零部件熱量損失，提升局部溫度[3]。B車型由于進氣系統設計布置原因，無法增加發動機裝飾罩，故采用如圖3保溫結構，將油氣分離器和壓力控制閥都置于保溫罩蓋結構之內。包裹后原測量位置溫度上升20℃以上。

曲軸箱通風管作為連接油氣分離器和干凈空氣管的主要通道零部件，竄氣在通過該管路時受管路周圍溫度影響，當曲軸箱通風管外壁一直在0℃以下，就非常容易出現竄氣中的水蒸氣在通風管壁冷凝、結冰堵塞的情況。為提高管路溫度，為曲軸箱通風管路包裹7mm厚EPDM保溫護套，通過保溫護套減少管路熱量損失來提升管路溫度，改善結冰現象產生[4]。

2.2 通風管主動加熱

在曲軸箱竄氣到達進氣管接頭位置前對竄氣進行加熱或是針對接頭進行主動加熱是最直接有效避免結冰現象產生的措施。一般加熱結構分為水加熱和電加熱，水加熱需要從發動機缸蓋出水端單獨引出一路金屬管與金屬曲軸箱通風管焊接并行一段，利用發動機冷卻液熱量對曲軸箱通風管進行加熱，提高金屬通風管溫度，同時金屬管接頭可以插入進氣管接口內，防止接口位置結冰;電加熱方法使用含有PTC電加熱元件的接頭（如圖5）[5]，由于電加熱會消耗一部分車輛蓄電池電能，故功率不會太大，只保證管口位置不會出現結冰如圖6所示。

2.3 擴大曲通管接口延緩結冰封堵

曲軸箱竄氣在通風管與進氣管接口位置的結冰過程是一個累積的過程，加大該位置曲通管接口直徑，使車輛在一個最大駕駛周期內（一箱油行駛里程）接口位置不會因結冰影響竄氣通過也可以延緩該問題[6]，但需要接口位置結冰可以在短時間怠速或熄火浸車后能夠消融。如圖7采用臺階擴徑結構后結冰現象明顯延緩。同時，采用電加熱接頭結構時，如電加熱接頭直接布置在與進氣接觸的進氣管接口時，加熱結構熱量會被進氣冷空氣帶走，如采用臺階擴徑結構也可改善該問題，改善后如圖8模擬分析所示，電加熱僅提高竄氣溫度，受進氣氣流影響較小。

3 方案選取

通過幾種方案組合試驗，最終得出兩套最有效方案：1、曲軸箱通風管保溫+電加熱方案;2、油氣分離器保溫+曲軸箱通風管保溫。方案1由于涉及新開電加熱零部件和相關配合件調整，工程更改量和未來零部件成本上不如方案2影響小，故最終采用方案2。此外曲軸箱通風管接頭臺階擴徑對上述兩套方案均有改善效果，但非必須條件，因此在設計初期考慮更有意義。

除以上方法外，如果能從項目前期合理設計管路布置，有效縮短管路長度，減少管路拐彎，加大拐彎半徑，避免管路受發動機艙氣流影響，并且管路及接口位置布置在發動機艙中“暖區”（如排氣側增壓器入口附近），合理設置接口角度都可以改善曲軸箱通風管路結冰問題，從而減少后續結冰問題的產生。

4 結論

本文針對同一個平臺不同車型的曲軸箱通風管路在整車高寒可靠性試驗中出現的結冰問題，如何能采用更少的設計更改，在不改變平臺基本設計基礎上最小的增加成本去解決問題，滿足不同車型設計要求提供參考經驗。

參考文獻

[1] （德）巴斯懷森.汽油機直噴技術[M].機械工業出版社，2011.

[2] 袁海馬，黃昌瑞，李振華，et al.汽油機曲軸箱通風系統加熱結構[J]. 內燃機， 2014（5）：13-1.

[3] 李建國，趙永生，吳冬冬.寒冷天氣下車用發動機曲軸箱通風系統故障分析[J].內燃機與配件， 2014（8）：41-43.

[4] 喬華，王娟，胥峰.Influence of Frigid Environment on Crankcase Ventilation%高寒環境對曲軸通風的影響[J].專用汽車，2013， 000（008）：92-93.

[5] 簡輝，張弘，朱戈，等.曲軸箱通風呼吸管結冰問題解決方案[J].上海汽車，2014（12）：53-55.

[6] 王建秋，張建川，李劍，et al.柴油機進氣膠管結冰問題的分析與改進[J].內燃機與配件，2018，000（006）：51-53.