车用发动机曲轴箱通风系统构成及常见故障分析

李建国

(上海汽车集团股份有限公司)

0 引言

众所周知，发动机工作时，总有一部分可燃混合气和废气经活塞环与汽缸套之间间隙窜入曲轴箱内，业内将这种泄露称为“窜气”，窜气中含有燃油、水蒸气和废气等大量污染物，如果不加处理，发动机曲轴箱内压力会升高破坏发动机的密封，导致发动机油封失效、机油渗漏，这些窜气逸入大气还会造成大气污染;另外水蒸气遇冷凝结在机油中会形成泡沫，破坏机油供给，严重时会形成油泥，阻塞油路，这种情况在冬季尤为严重;废气中的酸性气体与水和空气接触会形成酸性物质，这些酸性物质不仅腐蚀零件，而且也会使机油变质、加速运动件磨损。

为了避免曲轴箱压力过高，防止发动机漏油，延长机油使用寿命，减少零部件磨损及腐蚀，发动机必须实现曲轴箱通风，此外，为了提高经济性，满足日益严格的整车排放要求，在车用发动机设计过程中也必须考虑曲轴箱通风系统设计。

1 油气分离器分类

曲轴箱通风包括自然通风系统和强制通风系统，现代车用发动机均采用曲轴箱强制通风系统。自然通风系统仅含有通风管及废气滤网，当曲轴箱内气压增大时，“窜气”自然排出。强制通风系统为闭式系统，其利用进气系统真空度，将“窜气”通过呼吸管导入进气系统，重新参与发动机燃烧。

目前国家排放法规禁止曲轴箱窜气不经过净化装置直接排入大气中，车用汽油机均采用强制通风系统，车用柴油机也逐渐采用强制通风系统。强制通风系统能完全控制曲轴箱的废气排放，可以防止油泥及其他有害物质堆积，减少发动机故障和磨损，提高发动机经济性及整车排放。

2 曲轴箱强制通风系统的构成

提及曲轴箱强制通风系统，通常想到的是油气分离系统及曲轴箱压力控制系统，但完整曲轴箱强制通风系统应包括通风腔、油气分离系统、曲轴箱压力控制系统、回油腔及呼吸管等五部分，见图1。其中通风腔及回油腔一般布置在发动机本体中，贯穿缸盖、机体、曲轴箱;整个系统中，油气分离系统及曲轴箱压力控制系统尤为重要。

2.1 通风腔

通常，发动机做功包含吸气、压缩、膨胀、排气四个行程，在压缩和膨胀行程中汽缸内混合气的压力很高，被压缩的气体会经活塞和缸套间隙、活塞环开口、活塞环和汽缸套的间隙等窜入下曲轴箱并与机油形成油雾。通常这部分混合气需经集成在缸盖、缸体及曲轴箱中的通道导入油气分离系统，这个通道就是“通风腔”，见图2。

2.2 油气分离系统

在曲轴箱强制通风系统中，经通风腔导入的窜气含有大量的机油油滴，这部分机油如果不加以处理直接进入燃烧系统会导致燃烧及排放恶化，为了提高经济性，改善排放，必须将窜气中的机油油滴进行分离，油滴颗粒在0.1um～15um之间均有分布，见图3。按照油气分离方法的原理，可以分为惯性碰撞式分离器、物理沉降式分离器及电磁式分离器，其中惯性碰撞式分离器又可分为迷宫及孔板式、旋风式、离心式，见图4。各种分离方法均有优缺点，目前新设计的油气分离系统采用多级油气分离结构，从而得到一个高效的分离系统，见图5。

图1 曲轴箱强制通风系统构成示意图

图2 通风腔及回油腔示意图

图3 乘用车发动机窜气油滴颗粒直径分布

2.3 曲轴箱压力控制系统

由于采用了曲轴箱强制通风系统，窜气被吸入发动机进气系统，在低速低负荷区域，曲轴箱会产生较大负压，这种情况会导致大量机油随窜气吸入进气系统并参与燃烧，将导致烧机油并严重影响发动机性能及可靠性，曲轴箱压力控制系统可以尽量减少曲轴箱压力波动，使其处于合理范围内。图6是一种常用的PRV调节阀，由膜片、弹簧、弹簧座及阀盖组成。PRV阀膜片上下压力不同，可存在压差、由此可产生作用力，从而驱动弹簧运动，改变通道截面积，达到调节曲轴箱压力的目的。

图4 窜气机油颗粒分离方法

图5 迷宫与旋风两级分离油气分离器

图6 PRV压力调节阀

2.4 回油腔

经油气分离系统分离出来的机油要进一步回流到油底壳循环利用，机油回流的通道就是回油腔，见图2。机油回流过程中，如与窜气相遇会形成大量的油雾，影响油气分离系统的分离效率，为了避免机油与窜气相遇，发动机设计初期应可虑曲轴箱强制通风系统的“通风腔”及“回油腔”设计，使其尽量分离。

2.5 呼吸管

国家排放法规规定:曲轴箱窜气不可排入大气，以免造成大气污染，因此作为曲轴箱强制通风系统必要的一环，必须将油气分离系统分离后的气体导入发动机进气系统并参与燃烧，这个通道就是呼吸管。按功能呼吸管分为部分负荷呼吸管及全负荷呼吸管，通常部分负荷呼吸管连在节气门后，全负荷呼吸管连在空气滤清器后，见图7。对于增压发动机，当增压器工作时，进气歧管内压力为正，为了防止气体倒流入曲轴箱，在部分负荷呼吸管上串联一个单向阀。

3 曲轴箱通风系统常见故障及分析

车用发动机的曲轴箱通风系统涉及缸盖、缸体、曲轴箱、进气系统、缸内燃烧，比较复杂，开发及使用过程中经常会出现各种故障，引起发动机工作不良，现将常见的故障归纳如下:

⑴曲轴箱压力异常。调节曲轴箱压力是曲轴箱强制通风系统的重要功能，通常曲轴箱压力处于设计范围内。异常情况下，曲轴箱压力会超出设计范围，这将导致油气分离效率变差，同时还会导致发动机曲轴后曲轴油封、凸轮轴油封失效，发动机漏油，见图8

图7 部分负荷及全负荷呼吸管

图8 曲轴后油封漏油

⑵油气分离系统分离效率异常。油气分离效率变差会导致过量机油通过油气分离系统进入进气系统参与燃烧，车辆出现“烧机油”现象，车辆烧机油会导致燃烧室积碳增加、怠速不稳、油耗上升、尾气排放超标等不良后果，严重的会导致润滑不良，使发动机报废。

⑶呼吸管结冰。呼吸管结冰是另一个值得一提的故障模式，经售后调查，近几年在我国呼伦贝尔、黑河等北方地区，气温经常达到－40℃，甚至更低，车辆在长时间高速运行后，会出现机油标尺弹出，密封件漏油，检查呼吸管，发现其出口已被冰块堵塞。

造成以上曲轴箱强制通风故障原因主要有以下几方面:

⑴曲轴箱强制通风系统中的通风腔和呼吸管堵塞、呼吸管上的单向阀工作不良，使窜气无法及时排出，曲轴箱正压变大，则窜入燃烧室的机油增多，导致“烧机油”，需要疏通通风腔及呼吸管，更换单向阀。

⑵油气分离器回油孔的单向阀膜片破裂，发动机曲轴箱与油气分离器分离后的腔体连通，油雾未经油气分离单元直接进入进气系统，造成“烧机油”，需要更换单向阀膜片。

⑶单向阀弹簧弹力过硬使单向阀未正常开启，过量气体被从曲轴箱内吸出，导致很低的曲轴箱负压;未按方向安装单向阀使气体反向流动，异常气体进入曲轴箱，导致很高的曲轴箱正压。

⑷极寒条件，冷热空气将在呼吸管出口处汇合，热空气遇到冷空气会有水凝结，进而不断汇聚形成冰块，长时间运行后冰不断增多，最终堵塞呼吸管，导致很高的曲轴箱正压。

4 结语

⑴曲轴箱通风系统是车用发动机的重要组成部分，为了满足排放要求，提高经济型，车用发动机开发过程必须考曲轴箱强制通风系统。

⑵完整的曲轴箱强制通风系统应包括通风腔、油气分离系统、曲轴箱压力控制系统、回油腔及呼吸管五部分，缺一不可。

⑶通常，曲轴箱通风系统的失效形式主要为曲轴箱压力异常，烧机油等故障，在极寒条件下还会发生呼吸管结冰，以上故障可导致发动机失效，通过排查分析可以解决。

〔1〕周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社，2005

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