曲軸箱通風系統(tǒng)工作原理及失效模式研究

袁 根 黃圣錦 劉 凱 牛 震 李素芳 唐宗春

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315366）

引言

隨著國家排放法規(guī)要求越來越嚴格，曲軸箱通風系統(tǒng)對整車排放的影響越來越大，曲軸箱通風系統(tǒng)已經(jīng)成為車用發(fā)動機的重要組成部分[1-2]。曲軸箱通風系統(tǒng)中的主要零部件為PCV 閥和油氣分離器，本文以曲通系統(tǒng)工作原理為切入點，對曲通系統(tǒng)主要零部件結構、失效模式進行分析研究。

1 曲軸箱通風系統(tǒng)工作原理及結構

1.1 曲軸箱通風系統(tǒng)工作原理

曲軸箱通風系統(tǒng)包括自然通風系統(tǒng)和強制通風系統(tǒng)，自然通風系統(tǒng)僅含有通風管及廢氣濾網(wǎng)，當曲軸箱內(nèi)氣壓增大時，“竄氣”自然排出，目前國家排放法規(guī)禁止曲軸箱竄氣不經(jīng)過凈化裝置直接排入大氣[3]。自然通風系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 曲軸箱自然通風示意圖

當增壓發(fā)動機低負荷工作時，節(jié)氣門開度較小，增壓器未介入工作，進氣歧管形成負壓，曲軸箱竄氣通過進氣側油氣分離器上的PCV 閥進入進氣歧管，最終到燃燒室內(nèi)參與燃燒。新鮮空氣通過補氣管進入到曲軸箱內(nèi)進行補氣，并與曲軸箱竄氣混合最終被抽入燃燒室。此時，曲軸箱內(nèi)新鮮空氣與竄氣形成一個流動的循環(huán)，如圖2 所示。

圖2 低負荷下曲軸箱強制通風示意圖

當增壓發(fā)動機處于全負荷工況時，節(jié)氣門全開，增壓器介入，進氣歧管壓力劇增，最高可達0.25 MPa，超過曲軸箱內(nèi)壓力，由于PCV閥為單向結構，此時PCV 閥被關閉。由于壓差，曲軸箱竄氣從排氣側補氣管被抽出來，與經(jīng)過空濾后的新鮮空氣混合進入整車進氣系統(tǒng)，最終進入發(fā)動機進行燃燒。發(fā)動機全負荷工況下曲軸箱壓力較高，不進行補氣，如圖3 所示。

圖3 全負荷下曲軸箱強制通風示意圖

1.2 曲軸箱通風系統(tǒng)結構

1.2.1 油氣分離器

由于曲軸箱竄氣中含有大量的機油，如果不將竄氣中的機油進行分離，將會導致機油耗異常、嚴重積碳、早燃等故障。油氣分離器的作用就是將竄氣中的機油分離出來，使其流回曲軸箱。

油氣分離的方式主要有迷宮式、旋風式、纖維分離、離心式和靜電分離等，其中迷宮式分離結構在油氣分離過程中，混合氣體的壓力損失較小，因此被廣泛使用[4]。迷宮式油氣分離結構的原理是在混合氣體行進路線上，垂直于行進方向設置隔板，混合氣通過撞擊隔板，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來，分離后相對潔凈的空氣從通風管排向進氣歧管[4]，如圖4 所示。

圖4 某型發(fā)動機油氣分離器爆炸圖

1.2.2 PCV 閥

PCV 閥一般由柱塞式閥芯、回位彈簧、閥座、閥體等組成，詳細結構如圖5 所示。

圖5 PCV 閥結構圖

當發(fā)動機不運轉時，在回位彈簧的作用下，閥芯回位將閥關閉；在低負荷情況下，進氣歧管為負壓狀態(tài)，閥芯被真空吸引，閥被打開，曲軸箱竄氣被抽入進氣歧管；在高負荷情況下，增壓器介入工作，進氣歧管壓力增大，將閥芯頂回初始位置，閥被關閉。

2 曲軸箱通風系統(tǒng)失效分析

2.1 PCV 閥失效

某型搭載直噴渦輪增壓發(fā)動機的車輛在重慶進行城市耐久試驗時發(fā)現(xiàn)車輛機油耗異常，經(jīng)過機油耗試驗，機燃比達到0.75%，遠超國標要求的0.3%。經(jīng)過現(xiàn)場排查，初步判定為PCV 閥失效導致機油耗異常。將換下的PCV 閥安裝在臺架發(fā)動機上，在曲通管上串聯(lián)燒瓶，模擬重慶工況運行15 min，燒瓶內(nèi)機油增加了96 g，更換新PCV 閥重試，燒瓶內(nèi)無機油，恢復原機PCV 閥燒瓶內(nèi)機油增加了90 g。如圖6所示。

圖6 曲通管路串聯(lián)燒瓶

2.2 PCV 閥流量測試

對失效PCV 閥流量進行測試，如圖7 所示。從圖中可以看出，失效件的流量遠超上限。

圖7 PCV 閥流量測試

2.3 閥芯磨損原因分析

將PCV 閥拆解，發(fā)現(xiàn)閥芯磨損嚴重。重慶城市耐久試驗工況相對于其他整車耐久工況，PCV 閥的運行工況占總工況的96.6%，在此種工況下，PCV 閥閥芯由于壓差變化頻繁及在回位彈簧的作用下來回竄動。在同樣里程的試驗工況下，重慶工況對PCV閥的考驗更為苛刻。閥芯動作情況如圖8 所示。

圖8 PCV 閥閥芯動作情況

2.4 改善優(yōu)化

原PCV 閥閥芯及擋圈材質為PPS+GF40，是PPS塑料添加40%的玻璃纖維制成，是一種高韌性、耐高溫、耐水解、耐化學的工程塑料。為驗證不同材質的閥芯及擋圈的磨損情況，按如下表1 的方案進行單體耐久驗證。

表1 驗證方案

方案一（原始方案）經(jīng)過單體耐久驗證，塑料閥芯在運動3.1×107次后，流量已超過安全線，證明閥芯已存在磨損，如圖9 所示。

圖9 原始方案閥芯流量測試

方案二在更換為PPS+GF30（PPS 塑料添加30%的玻璃纖維）材質后，經(jīng)過單體耐久驗證，塑料閥芯在運動2.1×107次后，流量已超過安全線，證明閥芯已存在磨損，如圖10 所示。

圖10 PPS+GF30 材質閥芯流量測試

方案三將閥芯改為PPS+GF30，擋圈改為PPS+GF40 后，經(jīng)過單體耐久驗證，閥芯在運動2.65×107次后，流量已超過安全線，證明閥芯已存在磨損，如圖11 所示。

圖11 方案三流量測試

方案四將閥芯改為Q235B（碳素鋼），擋圈改為ST12（普通冷軋鋼，與Q235 機械性能相近）后，經(jīng)過單體耐久驗證，閥芯在運動2.65×107次后，流量依然穩(wěn)定在上限以下，證明閥芯無明顯磨損，如圖12所示。

圖12 金屬材質閥芯流量測試

基于以上驗證，為規(guī)避市場機油消耗異常風險，更改PCV 閥閥芯為金屬材料。

3 結論

本文通過對整個曲通系統(tǒng)的結構、原理及作用進行了詳細闡述，并結合實際案例深入淺出地對曲通系統(tǒng)進行了剖析。探討了PCV 閥的一種失效情況對發(fā)動機造成的影響以及這種失效模式的分析、驗證和改善。