曲轴箱强制通风系统构成和发展趋势

王骏

（曼胡默尔管理（上海）有限公司，上海201815）

1 前言

当往复式发动机在运转时，少量的工作气体从气缸壁与活塞环以及活塞环与活塞之间的间隙进入到发动机曲轴箱。这一现象主要是因为活塞环并不是完全气密的，见图1。这些窜气除了残留的燃油和燃烧产生的废气和炭黑之外，还含有不少机油，这些气流会将旋转组件和用于冷却活塞裙部而滞留在活塞和缸套表面的油膜和油滴带入气流，形成含有油蒸汽和水蒸汽的特细气溶胶体。如果采用曲轴箱开始系统进行通风，窜气会夹杂着大量的污染物进入大大气。据相关资料统计，随着对柴油机排气管排放物的控制，曲轴箱排放物中PM值占柴油机总的排放物PM的百分比相对增高[1]，参见图2。

为了避免柴油机的窜气直接排向大气，在柴油机排放升级开发过程中必须考虑闭式强制通风系统来取代目前的开式循环通风系统。目前，通过闭式系统即曲轴箱强制通风来解决曲轴箱排气，即将含有杂质的旁通气体导入发动机的空气滤清器与增压器进气管之间的接管中。但是采用了曲轴箱强制通风系统之后，随之带来了2个问题：

（1）采用曲轴箱强制通风之后，系统将发动机窜气送回到进气管并与新鲜混合气一起进入气缸进行燃烧。由于窜气里含有大量的机油油滴，机油是不能够完全燃烧的，因而对排放会产生负面影响。

（2）窜气重新进入到发动机进气系统后，窜气里的含油物质以及炭黑颗粒可能会污染涡轮增压器、中冷器、进排气阀门和废气催化器，影响这些部件的寿命。

为了避免以上2个问题，在曲轴箱强制通风系统里必须采用一个高效的油气分离器，以分离窜气里的机油油滴。

2 曲轴箱强制通风系统的构成

曲轴箱强制通风系统通常由高效的油气分离器、压力调节阀、安全阀以及回油阀等部件组成，见图3。其中油气分离器和压力调节阀为必须的功能部件。安全阀和回油阀需要根据曲轴箱强制通风的整个系统的设计和布置进行实际情况来决定是否需要。

2.1 曲轴箱强制通风里的油气分离器

为确保发动机的可靠性，以及降低发动机的由于窜气造成的排放问题，必须将窜气中的机油油滴进行分离。在窜气中油滴的直径可以从0.08μm到60μm，其平均直径仅为0.9μm，见图4[2]。对于这种油滴微粒，能够做到高效分离的方法并不多。按照这些分离方法的性质，可以将它们分为惯性或撞击分离器、弥散分离器以及静电式分离器，其中惯性或撞击分离器又可以分为迷宫撞击式分离、旋风式分离器以及离心机分离器，见图5。

2.1.1 迷宫撞击分离

迷宫撞击式油气分离器主要利用油滴的惯性和撞击实现分离。当油气混合气进入迷宫式分离器后，由于油滴和气体二者密度不同，较大的油滴在流动中由于惯性的作用撞击到分离器的内壁和挡板上被吸附下来。迷宫撞击式分离器具有结构简单，制作方便，流量阻力低的优点，但是由于较小的油滴可能随气流一起被带出分离器，所以这种油气分离方法的效率较低。目前在整个曲轴箱强制通风系统里主要被作为预分离器，即在进入到精分离器前进行一道预过滤，将大颗粒的油滴先分离出来，以降低精分离器的负担以及提高整个油气分离器系统的效率。图6是迷宫撞击式分离器的示意图。

2.1.2 旋风式油气分离器

旋风式油气分离器是结构最简单、成本最佳的油气精分离器的方案，见图7。旋风式油气分离器是利用将含油滴的窜气在锥形圆柱体内高速旋转，由于油滴的密度比较大，所以产生的离心力也较大。通过这种离心力的作用，油滴会从旋转气流中被甩向内壁后分离出来。被去除油滴后的窜气从油气分离器的排气口离开。如果旋风分离器的设计得当，就可以在获得合适的压差情况下得到良好的分离效率。

如今在国外已经有很多曲轴箱强制通风的设计供应商将这种旋风式油气分离器设计成单元模块式，即根据客户实际的分离效率、压降要求以及安装空间等要求，直接选取相应数量的单元模块进行并联组合，这样整个油气分离器模块的尺寸设计就十分紧凑。此外，旋风式油气分离器是一个免维护的设计，所以终端用户无需在使用过程中继续投入成本。

但是旋风式油气分离器也有其缺点，由于旋风式油气分离器采用的是通过窜气在圆柱体内旋转流动产生离心力，并且以此为动力将油滴分离的方法，所以旋风式油气分离器的分离效率直接受到窜气流速的影响。一台发动机的窜气量不是恒定不变的，它随着发动机的转速和负载的不同而变化。所以采用旋风式油气分离器还需要考虑对应发动机的实际情况。

2.1.3 弥散分离器（纤维式分离器）

弥散分离则利用油滴和过滤介质之间的相互作用，通过3种分离的机理来分离窜气中的油滴，见图8。夹带着油滴的窜气以连续相层流状通过纤维周围。当质量较大的大颗粒油滴接近纤维时，油滴的惰性导致它们离开流线，与纤维碰撞并被分离出来，这种分离的机理被称为惯性效应。较小的油滴则能继续跟随流线运动，如果这些油滴的直径达到刚好能与纤维相碰，它们会被纤维粘附下来并被分离出来，这种分离机理被称为拦截效应。还有更小直径的油滴（直径小于0.5μm），这些油滴在流体中做不规则的布朗运动；如果这些微小油滴刚好与纤维相碰，那么这些微小油滴也将被分离出来，这种分离机理被称为漫射效应。一般在液体过滤中，拦截效应会成为主要的分离机理，但是在油气分离器的应用上，由于空气的粘性很小，除拦截效应之外气流中最小油滴颗粒的惯性效应和漫射效应也会成为主要的分离机理。这种惯性效应和自由漫射作用能使细小的微粒最大可能地撞击过滤介质的纤维，获得最大的分离效率。

由于采用的分离机理不同，弥散分离器在不同的窜气流量下都能够获得很高的分离效率，所以在发动机的应用上，通常弥散分离器的平均分离效率会比旋风式油气分离器高。但是由于发动机窜气里含有炭黑颗粒，随着使用的时间推移，炭黑颗粒会粘附在纤维滤芯的表面阻塞纤维层，压差也会随着使用时间的增加而增加。所以绝大部分情况下，弥散式分离器的滤芯不是长寿命部件，需要定期更换和维护，所以在终端用户那里会增加额外的维护保养成本。图9是一个弥散式分离器的示意图。

2.1.4 离心机分离器

离心机分离器是一种惯性分离器。分离效率会在离心区域获得较大的提升，从而较小的颗粒被分离出来。离心机的分离能力可以通过调整离心机驱动的电机转速来进行调节，所以它的分离效率不受到发动机的工况影响。这类分离机的压降取决于它们的结构设计，在极个别的情况下，它们还可能产生正压。但是使用离心机会导致额外的成本。由于离心机是一种旋转机构，所以它的工作需要动力驱动，并且需要配套的轴承和密封。离心机也是一种终身免维护的分离装置，见图10。

2.1.5 静电分离器

用静电式分离器可获得分离效率最高，压降最低的效果[9]。微小的油滴被加上电荷，并在电场的作用下被分离电极析出，见图11。同样这种较高的分离效率也是通过外力取得，它能保证可靠的分离效率，与发动机的工况无关。静电分离器也需要额外的成本，因为这种分离器需要高压电源以及电气绝缘和屏蔽。另外如果窜气里含有的炭黑颗粒较多，炭黑颗粒会沉积在电极上。如果不将这些炭黑清除，整个系统会失去效用。所以静电分离器也需要定期进行维护。

一个油气分离器的设计需要考虑很多因素，包括客户对分离效率的要求、压降的要求、曲轴箱压力的要求、密封的要求、窜气里的含油量、油气分离器使用寿命的要求、成本的要求还有安装空间的要求等等，所以说一个最理想的油气分离器是不存在的，只有最合适的方案，表1列出了各种油气分离器的性能对比。

2.2 压力调节阀

由于采用了曲轴箱强制通风，即窜气会被排入到发动机的进气管上，曲轴箱里的压力会受到涡轮增压器的工作影响，在某些工况下，曲轴箱会产生较大的负压。这种情况的出现会导致环境中的空气携带着大气的污染物被吸入到发动机内部，污染发动机，降低发动机的可靠性和寿命。现代汽油机或柴油机上的曲轴箱通风系统中设置了调压阀（PRV，Pressure Regulation Valve），以尽量减少窜气流量和进气管内压力变化带来的影响，使曲轴箱内的压力维持在恒定值。图12是一种常规调压阀的截面图，由薄膜、弹簧和窜气的进出口构成。在弹簧力、大气在薄膜上表面产生的压力、曲轴箱内窜气在薄膜外圆环带的作用力和进气管内气体在薄膜中心圆面积上的作用力四者的综合作用下达到平衡状态[11]。当调压阀处于静止状态或窜气流量很少时，曲轴箱内的压力损失大小取决于调压阀内的最小流通面积。而这又取决于喷口的直径大小。由于膜片和喷口之间形成的柱形表面积等于喷口的面积，即可得到膜片的最大行程[12]，窜气流经调压阀时几乎没有压力损失。见图12b，在工作状态下，由于薄膜非常靠近喷口（此时压力损失最大），调压阀前部（连接到曲轴箱）和后部（连接到进气管）的空间上可以被认为是分离的，膜片表面会受到2个不同的压力作用。图13所示，曲轴箱压强P1，作用在薄膜外圈面积A1上，而进气管压强P2作用在薄膜内圈面积A2上。设弹簧的弹力为F，大气压力为P0，则整个系统的受力平衡方程为：

即弹簧的弹力与由曲轴箱和进气管的真空度所产生的朝向喷口的“吸力”大小平衡。

如果进气管内的压力降低，作用在膜片上表面的压力（大气压）与作用在下表面的压力（进气管／曲轴箱）之差增大，因此会使膜片向下运动，使得膜片和喷口之间的截面积减小。对于流量一定的流体而言，截面减小意味着压力损失增大。此时，调压阀之前的压力又会开始增加，膜片上的压差减小，从而使得膜片向上移动。截面积的增大又会减少压力损失。最终调压阀前部的压力回落，膜片重新达到工作中的平衡状态[10]。图14描述了一个压力调节阀在工作中对曲轴箱压力控制的曲线。当发动机进气口的压力小于-3 kPa时，调压阀完全闭合，曲轴箱里的压力随之开始上升。这样保证了曲轴箱压力不会达到-3 kPa的真空度。

2.3 曲轴箱强制通风系统里的其他功能部件

2.3.1 安全阀（旁通阀）

安全阀在曲轴箱强制通风的系统里并不是必须的。如果油气分离器的方案采用弥散分离器，此时就必须采用安全阀设计。这是由于弥散式油气分离器采用的是纤维滤芯设计，且这种滤芯在使用一段时间后会由于窜气里的炭黑颗粒的附着而流量阻力上升，最终用户必须更换这个滤芯以维持一个合理的流量阻力。安全阀就是为了防止用户在纤维滤芯寿命到达时没有及时更换而导致阻力过大，这种情况会导致曲轴箱里的窜气排除发动机困难，直接影响到了发动机的可靠性和安全性，安全阀会在这种情况下开启，及时排除发动机里的窜气，到达一个可以接受的压力平衡。安全阀通常是一个常闭式的旁通阀，依靠着弹簧的弹力支撑着阀片不被打开。当曲轴箱里的压力超过弹簧所能支撑的范围后，安全阀的阀片会被窜气压力顶开，窜气直接被旁通排入大气，见图15。由于旁通入大气的窜气并没有被进行过滤，所以会对环境造成污染。所以安全阀只是一个在安全性能和保护环境上做了一个妥协，用户正确、按时对油气分离器进行维护才是真正有效的方法。

2.3.2 回油单向阀

通过有效的油气分离器对窜气进行处理后，窜气中的油滴被分离出来并汇聚重新被排回到发动机油底壳。回油必须回到油底壳的油面以下，依靠着油底壳内的机油将回油口封堵。由于油气分离器会造成一定的压降，如果回油口被设计在油底壳油面以上，曲轴箱里的窜气将从这个回油管里直接旁通到油气分离器的出口，即曲轴箱强制通风系统里的油气分离器失去了其应有的作用。所以如果无法将回油口设计到油底壳的油面以下，就需要在回油口之前安装一个单向阀，见图16。通常这个单向阀在窜气的作用下是闭合的，当被分离出来的油面高度产生的压力超过曲轴箱压力的时候，单向阀就会被顶开，回油管里的机油就会流回到曲轴箱。除了用单向阀防止窜气旁通，有些发动机厂家在既没有办法把回气管引回发动机油底壳油面以下，也无法布置旁通阀，就会在回油口进入发动机机体后内置一个小容器，这样让回油仍然可以处在小容器的油面以下，道理是一样。

3 曲轴箱强制通风的发展趋势

随着国家法规的对柴油机的排放要求不断提高，越来越多的发动机厂家关注到了曲轴箱强制通风系统，并且加大了对曲轴箱强制通风系统的研发投入。其中最热门的就是对油气分离器的开发和曲轴箱强制通风系统的集成化开发。

3.1 油气分离器方案的发展趋势

前文已经介绍了油气分离器的几种方案，包括了迷宫式油气分离器、旋风式油气分离器、弥散式油气分离器、离心机油气分离器以及静电油气分离器。由于离心机和静电分离器需要额外的动力辅助，且价格十分高昂，所以除非一些特殊场合会使用这2种分离方式，通常在发动机上只会采用前三者，其中，尤以旋风式油气分离器最为热门。如图17所示，这是在欧洲针对曲轴箱强制通风中采用的油气分离器的方案发展概况。从欧3开始，由于对曲轴箱窜气的含油量要求并不是很高(大约5～10 g/h)，所以只需要采用迷宫式油气分离器就可以满足其要求。到了欧4的排放要求，对于曲轴箱窜气的含油量要求上升到了2～5 g/h，迷宫式油气分离器已经没有办法满足，所以采用了旋风式油气分离器。欧5对窜气含油量的要求进一步提高（小于2 g/h），采用迷宫式油气分离器作为系统的预分离器，再采用旋风式油气分离器作为系统的精分离器，通过合理的组合就能达到包括油气分离效率和压降的要求。在未来的欧6排放标准里，允许的曲轴箱窜气含油量更为苛刻（小于1 g/h）。由于旋风分离器会受到窜气流速即发动机工况的影响，所以总的分离效率无法满足最新的要求。所以必须采用旋风分离器搭配弥散式油气分离器的方案以达到最终的要求。

3.2 集成化

现代柴油机除了对工作效率、排放要求等要求不断提高，另一个重要的发展方向就是小型化和轻量化。对于曲轴箱通风系统集成性的发展历程可以划分为3个阶段。

第1阶段称为外置式曲轴箱强制通风系统。顾名思义就是从发动机机体上引出窜气，进入到一个外置的曲轴箱强制通风系统，包括了油气分离器、调压阀、安全阀等，见图18。这种外置式曲轴箱强制通风系统的优点就是成本较低，一个标准产品可以引用到多款发动机上，所以成本被分摊了。外挂式的缺点是需要管路连接，所以增加了泄漏点。同时，外挂式的需要额外的安装空间和可靠的安装方式，增加了发动机的体积，降低了发动机的可应用性。

第2阶段是半集成式曲轴箱强制通风系统。半集成式的通风系统被设计为直接安装在发动机罩盖上，通过法兰口连接而无需额外的管路连接，见图19。半集成式的曲轴箱通风系统比起外置式的外型上更加紧凑，而且避免了管路上的泄漏，安装方式也更为可靠。但是比起外置式，其开发成本更加高，所以适合批量大的发动机机型。

第3阶段是高集成式曲轴箱强制通风系统。高集成式通风会把整个系统集成到发动机罩盖内部。现在国外很多大型柴油机已经开始采用全塑料的罩盖，这一点上增加了曲轴箱强制通风系统集成的可行性，见图20。由于整个通风系统被集成到了罩盖内部，所以可靠性更加高，而且在整个发动机体积上也起到了小型化、轻量化的作用。随着大型柴油机的市场需求量的增加，高集成也必然会成为未来曲轴箱强制通风系统的发展方向。

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