发动机曲轴箱通风管道集油原因分析及改进

李 文，张国勇，周 晶

（四川化工职业技术学院机械工程系，四川泸州 646005）

0 引言

发动机在压缩行程中，气缸中的少量混合气通过活塞环与缸孔间隙、活塞环切口间隙、气门与气门导管间隙等漏入曲轴箱，再加上高温情况下的发动机机油蒸汽形成混合气体。根据国家法规要求，该混合气不能排入大气，若不处理，易使机油发生老化和变质，影响机油润滑性能，大量混合气聚集还会使曲轴箱内压力升高，发动机油封漏油。为处理形成的混合气体，发动机曲轴箱设计有通风系统，在不影响发动机性能的前提下将曲轴箱内的混合气适量地导入气缸燃烧，处理该混合气，达到排放环保要求；同时新鲜空气从通气管道进入曲轴箱，减少机油变质，调节曲轴箱内压力，防止压力过高导致油封漏油。

1 问题描述

在对某发动机进行可靠性试验过程中，24 h 例行保养时发现曲轴箱通风管道集油，出现油滴现象，如图1 所示。搭载 该发动机的 试验车在进行可靠性试验中，也发现曲轴箱通风管道同样现象，同时出现发动机机油消耗量和积碳增加。

图1 曲轴箱通气管道集油

2 原因分析

曲轴箱通风系统的原理是利用发动机缸盖罩的迷宫结构让混合气体在气缸罩内经过油气分离后，让机油流回油底壳。混合气体通过PCV 阀管道和PCV 阀进入进气歧管，再进入发动机气缸燃烧，同时让新鲜空气从空滤器后管，经过通气管道进入气缸罩及曲轴箱，达到油气分离、处理混合气体、引入新鲜空气调节曲轴箱压力的作用，如图2 所示。曲轴箱通风管道是连接汽油发动机曲轴箱、进气歧管及空滤器后管的管道，包括PCV 阀管道和通气管道。PCV 阀管道将曲轴箱与进气歧管相连，通气管道将曲轴箱与空滤器后管相连，形成闭式曲轴箱通风系统。

根据曲轴箱通风系统的原理，造成曲轴箱通风管道集油现象可能有以下原因。

（1）缸盖罩迷宫结构不能进行有效的油气分离。

（2）曲轴箱压力大于空滤器内气体压力，使得大量曲轴箱气体通过通气管进入空滤器后管，造成曲轴箱通气管道集油。

鱼骨刺图如图3 所示。

图2 气缸罩

图3 鱼骨刺图

2.1 缸盖罩结构分析

对比实际缸盖罩与参考样机的缸盖罩的结构，如图4 所示。可以看出两者没有差异，该发动机缸盖罩按照参考样机测绘开发，故认为实际缸盖罩的结构合理。

2.2 PCV 阀分析

PCV 阀如图5 所示。如果流量不能满足要求，使活塞漏入曲轴箱内的气体不能及时通过其流出，会使气体在曲轴箱积聚，使曲轴箱内压力高于空滤器后管压力，大量的混合气体通过曲轴箱通气管道流出，造成通风管道集油，有机油油滴。根据文献资料，一般PCV 阀在其B 端真空度为20 kPa、35 kPa 和55 kPa 时的节流量Q 与对应型号新发动机的最大曲轴箱“窜气”量Qc存在近似关系：①20 kPa，Q=2.0～2.3Qc；②35 kPa，Q=1.1～1.3Qc；③55 kPa，Q=0.6～0.8Qc。

图4 缸盖罩结构对比

图5 PCV 阀

根据上述公式计算得出现装的PCV 阀流量（表1）。

表1 现装的PCV 阀流量

进行曲轴箱通风系统试验，发动机在全负荷工况下，测试曲轴箱压力，结果见表2。

表2 曲轴箱压力

通过表1 和表2 分析得出，现装的PCV 阀流量小于该发动机匹配的PCV 阀流量，同时低速全负荷时曲轴箱压力为正压，是造成曲轴箱通风管道内集油，出现有机油油滴的原因。

3 改进措施

3.1 加大PCV 阀的流量

基于上述原因，按照该发动机的工作状况，调整PCV 阀的流量曲线，加大PCV 阀在各真空度下的流量，使曲轴箱内气体能及时排出。

（1）在试验中心台架上进行试验，试验工况为令热冲击工况，得出PCV 阀流量曲线。

（2）如图6 所示，分别在曲轴箱通风管道出口和PCV 阀出口接油气分离器，称量分离出的机油量。使用现有PCV 阀（小流量）运行178 h，从曲轴箱通风管道处分离了36 g 机油（0.2 g/h）。使用试制的PCV 阀（大流量）运行53.5 h，从曲轴箱通风管道处分离了4 g 机油（0.075 g/h）。

图6 在曲轴箱通风管道出口接油气分离器

（3）在试验过程中测量曲轴箱压力及进气歧管压力，数据见表3。

表3 曲轴箱压力及进气歧管压力

（4）由于加大PCV 阀流量可能造成发动机怠速不稳，因此还要进行怠速测试。将发动机怠速一段时间，没有发现异常。

试验结果表明，试制的PCV 阀对曲轴箱通风管道处集油情况有很大改善。但在发动机低速全负荷时曲轴箱压力为正压。

根据国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局发布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》规定：汽车在行驶速度为50±2 km/h 时曲轴箱压力应为负压。根据该发动机所搭配的车型，车速为50±2 km/h 时的发动机转速，其换算公式n=50×100×i3×i0/60×π×d，其中，d 是滚动直径，m；n 是车速，n/min；i0和i3是传动比。对于本机，i0=4.3125，i3=1.31，π=3.14，d=0.294×2=0.558 m，得出n=2550 r/min。从检测结果可知，在2500 r/min 全负荷时，曲轴箱压力为正压，不符合国家法规要求，同时低速全负荷时曲轴箱压力为正压，也会造成了曲轴箱通风管内集油，故还要再改进。

3.2 调整PCV 阀的流量曲线

根据第一批PCV 阀的试验结果，进一步调整PCV 阀的流量曲线，加大真空度低时的流量，同时将最大流量峰值前移，使低速全负荷时曲轴箱内的压力为负压，进行装机试验验证。

对第二批PCV 阀进行试验，在全负荷工况下测试曲轴箱压力，数据见表4。

测试发动机在2550 r/min 时，各负荷特性下曲轴箱压力及进气歧管压力，试验数据见表5。

从试验结果看，第二批样件的PCV 阀在发动机低速全负荷时曲轴箱压力为负压，怠速正常。在2550 r/min 时各负荷工况下的曲轴箱压力为负压，符合国家法规要求，将此PCV 阀装在该发动机可靠性试验机上，24 h 例行保养时观察曲轴箱通风管，没有发现机油油滴。

表4 曲轴箱压力

表5 曲轴箱压力及进气歧管压力

3.3 改进效果

经过两次调整PCV 阀流量特性，试验结果表明，发动机在各转速全负荷时曲轴箱压力为负压，怠速正常。曲轴箱通风管内集油的情况得到改善，达到了改进效果。

4 结论

原PCV 阀的流量特性不符合某发动机的需要，使曲轴箱内的气体不能通过PCV 阀及时排出，造成大量气体在曲轴箱内积聚，曲轴箱内压力成为正压，导致曲轴箱内气体通过通风管道进入空滤器后端，致使曲轴箱通气管道内集油，出现有机油油滴。经过改进后的PCV 阀，在发动机2550 r/min 时各负荷工况下的曲轴箱压力为负压，符合国家法规要求，达到改进效果。