刍议曲轴箱强制通风（PCV）系统

王良斌

（焦作大学，河南 焦作 454000）

1 曲轴箱窜气和曲轴箱混合气体的危害

发动机运行中，会有一部分高压高温气体从气缸途经活塞组件与气缸之间的间隙窜入曲轴箱。曲轴箱窜气包括作功行程中完全燃烧和未完全燃烧的气体以及压缩行程的可燃混合气。曲轴箱内的气体，除了主要来源于气缸的窜气外，还有曲轴箱内的机油在车辆颠簸、曲柄搅拌以及高温条件下所形成的油雾和蒸气。这些气体统称为曲轴箱混合气体。曲轴箱混合气体主要成分有：HC、CO、NOx、机油油雾、水蒸气，其中HC占到大约70%。

曲轴箱混合气体对发动机运行危害极大。首先，使曲轴箱内压力和温度升高，加大油底壳密封衬垫和曲轴油封的密封负荷，进而导致机油渗漏；其次，污染机油使其劣化，最终导致发动机润滑效能降低，甚至失效的严重后果。混合气体温度高使机油变稀，其中的未燃燃油不仅稀释机油，同时极大地推进了机油氧化变质的速度和进程。混合气体冷凝后与机油发生化学反应生成油泥，更使机油润滑效能雪上加霜。

发动机运行中，曲轴箱内充满烟雾状的具有正压的高温混合气体，必须及时予以清除，释放曲轴箱压力和降低其温度，净化曲轴箱空间环境。现代汽车发动机均采用曲轴箱强制通风（PCV）技术对曲轴箱混合气体进行清除。

2 曲轴箱强制通风（PCV）系统

PCV系统就是利用通道“强制” 曲轴箱混合气体被真空定向吸入进气歧管并参与燃烧，与此同时，在曲轴箱内建立适度的真空度（大约4 kPa）。空气滤清器与节气门之间的腔体、气门摇臂腔体、曲轴箱腔体、进气歧管这4个腔体，通过管道连通，形成一个两端开口于节气门前后的闭式管路结构。在封闭管路上，设置用于流量调节的单向阀，称为PCV阀，还设置有油气分离装置，即油气分离器。PCV系统按油气分离器形式可分为两类，一级油气分离式PCV系统如图1所示，二级油气分离式PCV系统如图2所示。PCV系统除PCV阀、油气分离器、通气管、真空管外，还包括缸盖和缸体内的机油回流道。

图1 一级油气分离式PCV系统

2.1 一级油气分离式PCV系统

迷宫式油气分离器与气缸盖罩集为一体，位于气缸盖罩内的上方。竖直的迷宫挡板上下交错、左右间隔，形成上下左右、弯曲有致的曲径，如图1所示。

图2 二级油气分离式PCV系统

发动机运行中，真空吸力使PCV阀打开，在真空吸力作用下，新鲜空气经过通气管被吸入气门摇臂腔体并冲入油气分离器。与此同时，曲轴箱混合气体流经机油回流道汇入气门摇臂腔体，被新鲜空气流裹卷着一并冲入油气分离器，通过PCV阀进入进气歧管。合并后的混合气体在油气分离器中，沿着曲径依次高速冲击各迷宫挡板，混合气体中具有较大的机油颗粒被迷宫挡板撞击而停下，集聚于迷宫挡板表面上的机油在重力作用下，落下汇入机油回流道入口，经机油回流道流回油底壳。

一级油气分离式PCV系统强制“通风”效果有限，它没有把新鲜空气直接引入曲轴箱，而是通过新鲜空气流顺势把远道而来的曲轴箱混合气体“拉入”进气歧管，不能很有效地扫除曲轴箱混合气体。有可能使发动机在较宽的工况段（如中等负荷到全负荷）内，曲轴箱不能形成适度的真空度，甚至可能形成正压。不利于发动机的运行。

迷宫式油气分离器分离效率相对较低，其结构简单原理所致，只能分离出较大的机油颗粒，大量的机油微颗粒仍弥散于混合气中而进入进气歧管，加剧了机油污染进气歧管以及气门和燃烧室积炭的进程，导致发动机机油消耗量增多，严重影响到发动机的正常运行，以致于催生了改装市场加装机油透气壶的业务。实践证明，进气歧管由此被机油污染程度很严重，造成起动困难、起步易熄火、怠速抖动等故障，同时伴随着燃油消耗量增大、机油消耗量增大、动力性降低等运行效能的损失。随着国家对汽车发动机燃油消耗量法规逐年严苛（乘用车百公里油耗2015年为6.9L，到2020年要达到5L），提高PCV系统油气分离率势在必行。

另外，迷宫式油气分离器设置于气缸盖罩上，会给特定用户群带来机油乳化的风险。就发动机整体而言，气缸盖罩的温度较低，远道而来汇聚于此的曲轴箱混合气体中的水蒸气，可能冷凝为水和分离出的机油一并流回油底壳，导致机油乳化。冬季低温用车以及短距离用车的用户此风险为大。现在多数发动机气缸盖罩上的防尘罩（又称装饰罩）对气缸盖罩起到保温作用，极大地降低了由此带来的机油乳化风险。

一级油气分离式PCV系统结构简单，生产成本低，主要用于价位较低的乘用车。

2.2 二级油气分离式PCV系统

为避免一级油气分离式PCV系统的致命缺陷，二级油气分离式PCV系统便应运而生。它是在迷宫式油气分离器对油气粗分离之后，又串入称之为旋风式油气分离器对油气进行二级细分离，前者又称油气粗分离器，后者又称油气细分离器。

在图2中，迷宫式和旋风式油气分离器相串联并且集成于一体，新鲜空气经过通气管引入气门摇臂腔体，通过机油回流通道进入曲轴箱，从曲轴箱出来，流经二级油气分离器和PCV阀进入进气歧管。显然，新鲜空气流对曲轴箱混合气体的清扫强度，远大于一级油气分离式PCV系统。但是，这会导致某些工况（如减速工况）曲轴箱真空度过高而影响发动机的运行。为此，有些发动机（如大众汽车集团的EA211和EA888发动机）的PCV系统设置压力调节器来予以解决，此文篇幅所限，不再涉及。

旋风式油气分离器原理示意如图3所示。出气管置于上部为圆柱形、下部为圆锥形的漏斗状腔体中间，并且深入圆柱形腔体到一定的深度，进气口靠近圆柱体上端且径向偏置于最大处，气体入口处截面如图4所示。曲轴箱混合气体沿切向冲入圆柱形腔体形成旋流，气流沿漏斗状腔体呈螺旋形边下行边收缩，旋入位于中心的气体出口管而冲出。由于气流高速旋转，密度大的油滴在离心力作用下被甩向漏斗状腔体内壁，并在重力作用下，沿内壁流下汇入锥形排油口流回油底壳。

在实际运用中，旋风式油气分离器又可分为内置式和外置式两种安装形式。外置式旋风油气分离器给发动机运行造成了极大的损害，设计制造者也始料未及，用户和厂商都已深受其害。典型的案例就是2013年长安CS35发动机（自主研发的1.6L Blue Core发动机）出现严重的机油乳化风波，罪魁祸首就是外置式旋风油气分离器。该发动机采用二级PCV系统，迷宫式油气分离器置于气缸盖罩内，粗分离后的曲轴箱混合气体经软管导出进入外置的旋风式油气分离器，而后通过PCV阀进入进气歧管。症结是：曲轴箱混合气体离开了发动机机体后，其温度极度减低，导致其中的水蒸气凝结成水，在温度同样低的外置旋风式油气分离器中，水和机油一并被分离出流回油底壳，导致机油乳化。最终厂商召回所有缺陷车辆，别无选择地拆掉外置的旋风式油气分离器，变为一级式油气分离式PCV系统，不完美地平息了机油乳化风波。大众的EA211和EA888发动机的粗细两级油气分离器及其连通的管道都不离发动机本体，曲轴箱混合气体中的水蒸气一路上没有冷凝为水的机会，完全化解了机油乳化的风险。同时这两款发动机的二级油气分离器式PCV系统还增设了压力调节器，使曲轴箱内的真空度适度且稳定，是量产汽车发动机中PCV系统的佼佼者。

图3 旋风式油气分离器原理示意图

图4 气体入口处截面图

3 PCV系统对发动机的不良影响

3.1 对燃油定量电子控制的影响

从发动机进气系统的角度上看，PCV系统的实质就是，源自于节气门之前的一部分新鲜空气引入发动机内，自上而下绕一圈并且携带有大量未燃的HC和CO以及机油雾气，未经节气门控制流入进气歧管。因此，必定会干扰空燃比的定量控制，对燃油定量电子控制产生不利影响。好在空燃比闭环控制系统对其进行调节补偿，消化掉由此引起的燃油定量的偏差。但是，空燃比闭环控制系统的调节能力总是有限度的，因此 PCV阀的流量必须是空燃比闭环控制系统可接受的；空燃比闭环控制系统的工作是有条件的（如起动、暖机、全负荷等工况即为空燃比开环控制），因此 PCV阀的开启和关闭必须与空燃比闭环控制系统的工作条件相匹配。显然，基于机械原理的PCV系统不能完全满足这些要求，即机械式PCV系统，在发动机全运行工况内，总会影响到空燃比的控制精度。只有将PCV系统纳入发动机电子控制系统，才能从根本上解决此问题。因而，随着国家汽车排放法规愈加严格，PCV系统的电子化势在必行。

3.2 对进气系统的影响

迷宫式和旋风式油气分离器使用机械原理对油气进行分离，做不到完全分离。机油污染进气系统，造成进气歧管、气门和燃烧室积炭，进而影响到发动机的运行，这是不可避免的，只是严重程度不同而已。

目前，在汽车维护保养市场，对进气系统积炭的免拆清洗，还没有行之有效的办法。常见的吊瓶怠速免拆清洗法，只能清洗气门和燃烧室的积炭，不能清洗进气歧管积炭。进气歧管积炭只能拆下靠手工清洗。由于进气歧管腔体深而不规则，手工清洗费时又难度大。另外，吊瓶怠速免拆清洗需要较长的时间（约40～45 min），清除掉的积炭会阻塞三元催化转换装置，对三元催化转换装置的损伤程度也不得而知。在汽车实际运用中，对进气系统积炭的清洗大多数用户是被动的，当用户觉察到车辆行驶异常时，积炭就已经很严重了，不得不去清洗，此时清洗对三元催化转换装置的损伤是最大的。因此，除了需要更加行之有效的清洗方法外，制订推行科学合理的清洗周期也是必要的。

3.3 对发动机机油消耗量的影响

GB/T19055—2003《汽车发动机性能试验方法》是通过经济手段或市场调节而自愿采用的推荐性国家标准，其中关于发动机机油消耗量的规定是：额定转速、全负荷时，机油和燃料消耗比不得超过0.3%，即1辆百公里油耗为10L的乘用车，其发动机机油消耗量须少于0.3 L/1 000 km。发动机机油消耗量只要不超出国家标准或厂商规定值，都为正常。

在汽车实际运用中，并不关注发动机机油消耗量的具体多少，而是以机油尺上下刻度为依据，在一个保养周期内是否需要补充机油。通常，机油加到上下刻度的3/4处，在一个保养周期内，不补充机油者为正常，补充者为烧机油。机油消耗量是发动机设计制造过程中重要的控制指标，它是人为可控的。发动机机油消耗量与气缸的润滑是一对矛盾，各厂商对这对矛盾拿捏的侧重面可能不同，得失相伴，不同厂商发动机机油消耗量存在差异是正常的。论坛里有用户讲严重到后备厢不能离机油壶，我认为这一定是另有原因所致的个案，不能说明问题。只要发动机运行就会有机油消耗。机油消耗量与使用和发动机技术状况有直接关系。

机油消耗就是在燃烧室被烧掉而排出的。在发动机运行中，机油进入燃烧室有3条途径，PCV系统就是其中之一。PCV系统产生的机油消耗量，首先是曲轴箱产生的机油蒸汽量增多所致，这和发动机运行温度过高和机油品质问题相关；其次是PCV阀的卡滞（正巧卡在最大开度处）所致。因而，避免发动机长期高温运行、定期检查或清洗PCV阀，是减少发动机机油消耗量的重要途径。