同平台曲轴箱通风管结冰优化

于贵芙 李鑫 张治国 王雷

摘 要：文章通过对于同平台搭载相同动力总成不同车型在整车高寒可靠性试验中出现的曲轴箱通风管路结冰问题进行分析，并依据行业经验提出解决方案并进行验证，最终车辆满足在高寒地区使用要求。

关键词：曲轴箱通风管;结冰

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

当发动机工作时，燃烧室内一部分燃油蒸汽、水蒸汽和燃烧废气等构成曲轴箱窜气通过活塞环与气缸套的间隙进入发动机曲轴箱并最终通过强制曲轴箱通风系统排入发动机进气系统内[1]。但当整车在高寒环境行驶时，曲轴箱窜气在排入发动机进气系统时会因与进气冷气流相遇导致窜气携带的水蒸气冷凝并在曲轴箱通风管管口凝结为冰霜。车辆长时间行驶，冰霜逐渐加厚直至堵塞管路时会导致曲轴箱窜气无法排出，曲轴箱内压力将急剧上升，甚至导致机油因压力从曲轴箱油封等位置渗漏，发动机烧机油（排气能够观察到蓝色雾气），发动机大负荷工作时甚至出现机油尺喷出的现象[2]。

一般此类结冰问题会在项目初期考虑，但当某平台A车型已通过高寒地区结冰问题验证，新开B车型沿用A车型动力总成系统时却出现结冰问题。本文通过对两款车型进行对比测试分析查找问题原因，根据行业经验提出优化方案，并结合方案成本和工程更改难度确定最终方案，为同平台此类问题解决提供参考经验。

1 同平台车型试验结果差异分析

在呼伦贝尔市进行整车高寒试验过程中B车型在低于-30℃环境中以100km/h连续行驶140km时观察到通关管路连接发动机曲轴箱的气球急剧增大，同时从压力表中读取到曲轴箱压力已超过2kpa，此时曲轴箱压力已出现异常（见图1）;停车检查曲轴箱系统管路，在曲轴箱通风管与进气管接口位置出现明显积冰，在管口内已基本封堵（见图2）。在相同试验条件下，之前研发同平台A车型行驶至约4小时返程也未出现曲轴箱压力异常，停车检查曲轴箱通风管路，其曲轴箱通风管和进气管接口位置虽有少量积冰，但管道仍通畅。

为对比两款车型结冰情况差异，使用温度测量热电耦测量发动机舱与曲轴箱通风系统零部件外壁温度、在相同-30℃以下环境温度进行高速工况行驶对比测量温度数据如表1。对比试验数据发现B车型在相同试验工况下发动机舱温度和油气分离器外壁温度都要低10℃以上，尽管两款车型使用的是相同的动力总成，但由于进气格栅设计开口率及开口位置的不同导致两辆车在高速行驶时发动机舱内外部空气侵入量和流场存在显著差异，B车型因为进气格栅开口面积比A车型大71%，且气流存在不流经散热器直接进入发动机舱曲轴箱通风系统部位问题，导致当车辆高速行驶时发动机舱内温度与环境温度接近，曲轴箱通风系统外部管路受发动机舱低温环境影响导致窜气温度急剧下降，最终导致窜气水分在管路内凝结并流至进气管管口位置结冰，结冰堵塞了曲轴箱窜气排出，曲轴箱压力因而升高，出现异常。

2 方案对策

通过温度测量数据分析出B车型曲轴箱通风管路结冰问题的根源是因为整车进气格栅及发动机舱设计导致，但由于整车造型和散热导风板更改涉及多个部门已完成工作，将影响项目开发进度，因此考虑从其他方法解决该问题。目前已经确定是因发动机舱低温导致该问题，故针对温度从以下几种方案入手解决。

2.1 增强曲轴箱通风系统保温

通过A车型和B车型的温度采集数据可以看到受发动机舱温度影响B车型油气分离器外壁温度已经低于0℃，采用具有保温效果的发动机装饰罩，尽可能将曲轴箱通风系统的油气分离器、PCV阀（压力控制阀）和曲轴箱通风管路置于发动机装饰罩下，在装饰罩下与发动机各零部件之间填充保温材料或是发动机装饰罩本身就是保温材料随发动机形状造型，都可以有效减少曲轴箱通风系统各零部件热量损失，提升局部温度[3]。B车型由于进气系统设计布置原因，无法增加发动机装饰罩，故采用如图3保温结构，将油气分离器和压力控制阀都置于保温罩盖结构之内。包裹后原测量位置温度上升20℃以上。

曲轴箱通风管作为连接油气分离器和干净空气管的主要通道零部件，窜气在通过该管路时受管路周围温度影响，当曲轴箱通风管外壁一直在0℃以下，就非常容易出现窜气中的水蒸气在通风管壁冷凝、结冰堵塞的情况。为提高管路温度，为曲轴箱通风管路包裹7mm厚EPDM保温护套，通过保温护套减少管路热量损失来提升管路温度，改善结冰现象产生[4]。

2.2 通风管主动加热

在曲轴箱窜气到达进气管接头位置前对窜气进行加热或是针对接头进行主动加热是最直接有效避免结冰现象产生的措施。一般加热结构分为水加热和电加热，水加热需要从发动机缸盖出水端单独引出一路金属管与金属曲轴箱通风管焊接并行一段，利用发动机冷却液热量对曲轴箱通风管进行加热，提高金属通风管温度，同时金属管接头可以插入进气管接口内，防止接口位置结冰;电加热方法使用含有PTC电加热元件的接头（如图5）[5]，由于电加热会消耗一部分车辆蓄电池电能，故功率不会太大，只保证管口位置不会出现结冰如图6所示。

2.3 扩大曲通管接口延缓结冰封堵

曲轴箱窜气在通风管与进气管接口位置的结冰过程是一个累积的过程，加大该位置曲通管接口直径，使车辆在一个最大驾驶周期内（一箱油行驶里程）接口位置不会因结冰影响窜气通过也可以延缓该问题[6]，但需要接口位置结冰可以在短时间怠速或熄火浸车后能够消融。如图7采用台阶扩径结构后结冰现象明显延缓。同时，采用电加热接头结构时，如电加热接头直接布置在与进气接触的进气管接口时，加热结构热量会被进气冷空气带走，如采用台阶扩径结构也可改善该问题，改善后如图8模拟分析所示，电加热仅提高竄气温度，受进气气流影响较小。

3 方案选取

通过几种方案组合试验，最终得出两套最有效方案：1、曲轴箱通风管保温+电加热方案;2、油气分离器保温+曲轴箱通风管保温。方案1由于涉及新开电加热零部件和相关配合件调整，工程更改量和未来零部件成本上不如方案2影响小，故最终采用方案2。此外曲轴箱通风管接头台阶扩径对上述两套方案均有改善效果，但非必须条件，因此在设计初期考虑更有意义。

除以上方法外，如果能从项目前期合理设计管路布置，有效缩短管路长度，减少管路拐弯，加大拐弯半径，避免管路受发动机舱气流影响，并且管路及接口位置布置在发动机舱中“暖区”（如排气侧增压器入口附近），合理设置接口角度都可以改善曲轴箱通风管路结冰问题，从而减少后续结冰问题的产生。

4 结论

本文针对同一个平台不同车型的曲轴箱通风管路在整车高寒可靠性试验中出现的结冰问题，如何能采用更少的设计更改，在不改变平台基本设计基础上最小的增加成本去解决问题，满足不同车型设计要求提供参考经验。

参考文献

[1] （德）巴斯怀森.汽油机直喷技术[M].机械工业出版社，2011.

[2] 袁海马，黄昌瑞，李振华，et al.汽油机曲轴箱通风系统加热结构[J]. 内燃机， 2014（5）：13-1.

[3] 李建国，赵永生，吴冬冬.寒冷天气下车用发动机曲轴箱通风系统故障分析[J].内燃机与配件， 2014（8）：41-43.

[4] 乔华，王娟，胥峰.Influence of Frigid Environment on Crankcase Ventilation%高寒环境对曲轴通风的影响[J].专用汽车，2013， 000（008）：92-93.

[5] 简辉，张弘，朱戈，等.曲轴箱通风呼吸管结冰问题解决方案[J].上海汽车，2014（12）：53-55.

[6] 王建秋，张建川，李剑，et al.柴油机进气胶管结冰问题的分析与改进[J].内燃机与配件，2018，000（006）：51-53.