曲轴箱通风系统工作原理及失效模式研究

袁 根 黄圣锦 刘 凯 牛 震 李素芳 唐宗春

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315366）

引言

随着国家排放法规要求越来越严格，曲轴箱通风系统对整车排放的影响越来越大，曲轴箱通风系统已经成为车用发动机的重要组成部分[1-2]。曲轴箱通风系统中的主要零部件为PCV 阀和油气分离器，本文以曲通系统工作原理为切入点，对曲通系统主要零部件结构、失效模式进行分析研究。

1 曲轴箱通风系统工作原理及结构

1.1 曲轴箱通风系统工作原理

曲轴箱通风系统包括自然通风系统和强制通风系统，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，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[3]。自然通风系统结构如图1 所示。

图1 曲轴箱自然通风示意图

当增压发动机低负荷工作时，节气门开度较小，增压器未介入工作，进气歧管形成负压，曲轴箱窜气通过进气侧油气分离器上的PCV 阀进入进气歧管，最终到燃烧室内参与燃烧。新鲜空气通过补气管进入到曲轴箱内进行补气，并与曲轴箱窜气混合最终被抽入燃烧室。此时，曲轴箱内新鲜空气与窜气形成一个流动的循环，如图2 所示。

图2 低负荷下曲轴箱强制通风示意图

当增压发动机处于全负荷工况时，节气门全开，增压器介入，进气歧管压力剧增，最高可达0.25 MPa，超过曲轴箱内压力，由于PCV阀为单向结构，此时PCV 阀被关闭。由于压差，曲轴箱窜气从排气侧补气管被抽出来，与经过空滤后的新鲜空气混合进入整车进气系统，最终进入发动机进行燃烧。发动机全负荷工况下曲轴箱压力较高，不进行补气，如图3 所示。

图3 全负荷下曲轴箱强制通风示意图

1.2 曲轴箱通风系统结构

1.2.1 油气分离器

由于曲轴箱窜气中含有大量的机油，如果不将窜气中的机油进行分离，将会导致机油耗异常、严重积碳、早燃等故障。油气分离器的作用就是将窜气中的机油分离出来，使其流回曲轴箱。

油气分离的方式主要有迷宫式、旋风式、纤维分离、离心式和静电分离等，其中迷宫式分离结构在油气分离过程中，混合气体的压力损失较小，因此被广泛使用[4]。迷宫式油气分离结构的原理是在混合气体行进路线上，垂直于行进方向设置隔板，混合气通过撞击隔板，使其中的油液黏附在隔板上并且在重力作用下向下聚集并被收集起来，分离后相对洁净的空气从通风管排向进气歧管[4]，如图4 所示。

图4 某型发动机油气分离器爆炸图

1.2.2 PCV 阀

PCV 阀一般由柱塞式阀芯、回位弹簧、阀座、阀体等组成，详细结构如图5 所示。

图5 PCV 阀结构图

当发动机不运转时，在回位弹簧的作用下，阀芯回位将阀关闭；在低负荷情况下，进气歧管为负压状态，阀芯被真空吸引，阀被打开，曲轴箱窜气被抽入进气歧管；在高负荷情况下，增压器介入工作，进气歧管压力增大，将阀芯顶回初始位置，阀被关闭。

2 曲轴箱通风系统失效分析

2.1 PCV 阀失效

某型搭载直喷涡轮增压发动机的车辆在重庆进行城市耐久试验时发现车辆机油耗异常，经过机油耗试验，机燃比达到0.75%，远超国标要求的0.3%。经过现场排查，初步判定为PCV 阀失效导致机油耗异常。将换下的PCV 阀安装在台架发动机上，在曲通管上串联烧瓶，模拟重庆工况运行15 min，烧瓶内机油增加了96 g，更换新PCV 阀重试，烧瓶内无机油，恢复原机PCV 阀烧瓶内机油增加了90 g。如图6所示。

图6 曲通管路串联烧瓶

2.2 PCV 阀流量测试

对失效PCV 阀流量进行测试，如图7 所示。从图中可以看出，失效件的流量远超上限。

图7 PCV 阀流量测试

2.3 阀芯磨损原因分析

将PCV 阀拆解，发现阀芯磨损严重。重庆城市耐久试验工况相对于其他整车耐久工况，PCV 阀的运行工况占总工况的96.6%，在此种工况下，PCV 阀阀芯由于压差变化频繁及在回位弹簧的作用下来回窜动。在同样里程的试验工况下，重庆工况对PCV阀的考验更为苛刻。阀芯动作情况如图8 所示。

图8 PCV 阀阀芯动作情况

2.4 改善优化

原PCV 阀阀芯及挡圈材质为PPS+GF40，是PPS塑料添加40%的玻璃纤维制成，是一种高韧性、耐高温、耐水解、耐化学的工程塑料。为验证不同材质的阀芯及挡圈的磨损情况，按如下表1 的方案进行单体耐久验证。

表1 验证方案

方案一（原始方案）经过单体耐久验证，塑料阀芯在运动3.1×107次后，流量已超过安全线，证明阀芯已存在磨损，如图9 所示。

图9 原始方案阀芯流量测试

方案二在更换为PPS+GF30（PPS 塑料添加30%的玻璃纤维）材质后，经过单体耐久验证，塑料阀芯在运动2.1×107次后，流量已超过安全线，证明阀芯已存在磨损，如图10 所示。

图10 PPS+GF30 材质阀芯流量测试

方案三将阀芯改为PPS+GF30，挡圈改为PPS+GF40 后，经过单体耐久验证，阀芯在运动2.65×107次后，流量已超过安全线，证明阀芯已存在磨损，如图11 所示。

图11 方案三流量测试

方案四将阀芯改为Q235B（碳素钢），挡圈改为ST12（普通冷轧钢，与Q235 机械性能相近）后，经过单体耐久验证，阀芯在运动2.65×107次后，流量依然稳定在上限以下，证明阀芯无明显磨损，如图12所示。

图12 金属材质阀芯流量测试

基于以上验证，为规避市场机油消耗异常风险，更改PCV 阀阀芯为金属材料。

3 结论

本文通过对整个曲通系统的结构、原理及作用进行了详细阐述，并结合实际案例深入浅出地对曲通系统进行了剖析。探讨了PCV 阀的一种失效情况对发动机造成的影响以及这种失效模式的分析、验证和改善。