发动机曲轴箱通风管路结冰问题的改善方案

田身军 项大伟 李德银 徐亚飞

摘 要：发动机曲轴箱通风管路结冰问题只有在特殊环境条件下才会出现，所以不易被发现。随着国内乘用车市场不断扩大，更多品牌的车辆进入了东北、内蒙、新疆等极寒地区。随着售后问题显现，这个问题逐渐被国内主机厂重视起来，并投入大量的人力物力加以研究验证。为解决通风管路结冰问题，本文总结了曲通管结冰的机理，对比分析了目前主流的技术方案的优缺点。通过CAE仿真分析及低温环境仓试验验证，采用新设计的锥形口管接头结构可有效解决极寒条件下曲通管结冰堵塞问题，并能大幅降低制造成本。该技术方案已经在多款车型上进行了批量生产，售后质量数据未出现不良故障发生。取得了较好的经济效益。

关键词：发动机;曲轴箱通风系统;管路结冰

0 引言

由于设计和布置方案的不同，会使得曲轴箱通风管路结冰问题的发生。曲轴箱通风管一旦结冰，会造成曲轴箱压力升高、油封冲出等，如不及时处理还可以会造成安抛类质量事故。由于该问题只会发生在极寒地区，所以在2010年之前未引起各主机厂重视。随着国内乘用车市场突飞猛进的发展，在冬季部分极寒地区售后质量问题频发，国内的主机厂才开始展开这方面的研究与验证工作。

经过多年来的分析及实验总结，应对曲轴箱通风管结冰问题，目前国内主机厂找到了各自的解决方案。本文阐述了曲轴箱通风管结冰问题的失效机理，展示了目前比较成熟的应对技术方案，并分析了优缺点。重点阐述了锥形口管接头技术方案和验证结果。

1 曲轴箱通风系统的组成、作用及失效机理

曲轴箱通风系统主要由通风腔（由缸体、缸盖等零部件的内腔构成）、油气分离系统（一般集成在气门室罩盖中）、压力调节系统（PCV）、回油腔、呼吸管等组成[1]。

在发动机工作时，燃烧室内的混合气和燃烧后的废气在爆发压力作用下，通过活塞与缸壁之间的间隙和活塞环开口间隙进入曲轴箱内[2]。另外，增压发动机在增压器工作时，也会有一些漏气从增压器中间体窜到回油管路进入曲轴箱内。这些进入曲轴箱的气体包含燃油、机油、碳烟颗粒物、CH化合物、CO、CO2和水蒸气等，如不及时排出，可能导致：1）曲轴箱压力升高，曲轴油封、增压器油封等处密封失效，废气进入大气，污染环境;2）机油稀释、机油乳化，运动副异常磨损。为此，发动机需设置强制闭式曲轴箱通风系统，将曲轴箱废气送回发动机燃烧室进行二次燃烧。

在极寒天气下，进气软管或进气歧管壁面温度较曲轴箱废气温度低30～40℃，曲轴箱废气中的水蒸气遇到冷空气后，局部气压降低，水蒸气相对湿度增大，达到饱和状态后，水蒸气析出。废气中的水蒸气直接在曲轴箱通风管与进气软管接头位置的冷壁面处凝结成冰霜，随着车辆继续行驶，冰霜越积越厚，最终结冰导致堵塞管路，从而使得曲轴箱通风系统功能失效[3]。

2 曲通结冰试验验证方法

为规避曲轴箱通风系统管路结冰问题，主机厂在发动机开发过程中，会进行极寒环境试验。试验主要选择寒冬季节在东北部地区进行用户模拟道路试验，例如：漠河、黑河、海拉尔等地。由于环境道路试验受地域和时间的约束，近年来部分主机厂逐步通过在环境仓内进行试验验证，低温环境仓可以提供-40℃环境温度条件，发动机按规定工况运行，通过监控发动机曲轴箱压力和关键位置的实时影像，可以监控曲通管路结冰程度。与冬季的道路试验相比，环境仓验证试验受到驾驶人员和环境（温度、路况）的影响更小，试验过程可控，试验结果更准确，效率更高。

3 传统曲通管路结冰防护方案

从发动机曲通系统原理来说，对于自然吸气发动机，只要保证任一路曲轴箱通风管通畅即可保障发动机长期在极寒条件下正常运行;而对于增压发动机，发动机在大负荷工况下，进气歧管内形成最大可以达到100 kPa以上的正压，部分负荷一路的PCV阀或单向阀关闭，曲轴箱废气仅能通过大负荷管路通往燃烧室，因此必须保证大负荷管路的通畅[4]。

现有的曲轴箱通风管路防结冰技术方案，部分负荷通风管一般布置在缸体[5]、缸盖本体和歧管之间，利用发动机本体的热辐射[6]来保证部分负荷通风管不会结冰堵死。近些年，由于发动机系统集成度越来越高，部分负荷曲通管已被集成到气门室罩盖、缸盖、进气歧管等零部件的内部，内部通道壁面温度较高，该方案可以彻底规避部分负荷管路结冰问题。

大负荷通风管防结冰技术方案比较成熟的应用，有以下几种：

暖风水循环加热方案[7]。代表性的有丰田、本田和广汽、长安等品牌的部分车型。该方案是通过从冷却系统引出一路水源，对容易结冰的节流阀体和大负荷轴箱通风管进行加热，再返回到冷却系统的技术方案。该方案防结冰效果较好，但需新增复杂的并联金属管路，成本高;零件焊接难度大，易出现漏水失效;另外，对发动机前仓空间影响较大，不利于发动机紧凑性布置。

PTC电加热方案[5，9]，代表性的有上汽、一汽、PSA、奇瑞、宝马等品牌的部分车型。电加热的早期还有电阻丝的结构[9，10]，目前已经被淘汰。该方案结构简单，只要将现有管路上集成一个PTC加热单元，在特定条件下通电后对曲轴箱通风管口进行加热。该方案防结冰效果较好，对现有的设计和布置影响小，成本适中。

压力、流量传感器控制方案，代表性的有上汽、雪佛兰等品牌的部分车型。该方案利用曲轴箱通风管或进气软管上的压力传感器和空气流量计，通过电控策略诊断曲轴箱通风管的压力或者发动机进气量是否存在异常变化。ECU发现异常变化将控制发动机转速和负荷降低，直至压力或发动机进气量恢复正常。该方案能有效预防曲通结冰发生堵死导致发动机故障发生，但是存在误诊断，影响客户的用车体验，容易造成抱怨，且成本较高。

增压器取气方案，代表性的有奇瑞、上汽通用、上汽大众、长安、奥迪等品牌的部分车型。该方案是将在曲轴箱通风管出口布置在增壓器压壳上，利用增压器蜗端对压端本体的传热来提升接头处的壁面温度，进而防止结冰。该方案防结冰效果较好，成本较低，但是对曲轴箱通风系统压力系统调节有较高的设计要求，特别在低速大负荷或全速全负荷区域。

除此之外，还有电子进气格栅、PUR隔音包裹，缩短管路的长度[11]、增加保温护套[12]、增加直径[12]等技术方案的应用。

以上技术方案都有成熟的应用案例，但是都存在一些缺点。对已经出现售后结冰的机型，设计变更的工作量较大，改造成本高。基于这些需求，设计团队提出新的设计方案，既能解决结冰问题，又具有良好的成本优势。

4 优化方案及验证结果

基于以上设计需求，对原有进气软管接口处的结构进行优化调整，将原有的圆柱结构接口改为“锥形口”结构的接口，如图-1所示。“锥形口”结构设计原理是利用废气自身的温度对结冰处进行加热，在相交处形成大于冰点的温度场来避免结冰的发生。在长时间极寒天气高速行驶条件下，即使产生结冰接近堵死后，由于局部的温度、重力和曲轴箱压力共同作用下可以使得冰体自动脱落。

经过CAE仿真分析，优化设计的锥形口结构，在-35℃环境温度下，仍有3/4面积管壁温度保持在0℃以上，如图-2。

在上述环境仓试验中，对曲通管结冰处进行影像记录。如图-3，试验进行10 min后，在锥形孔内壁出现薄薄的冰霜;当运行60 min后，锥形孔内壁冰霜变厚，并在一侧形成了积冰。当运行120 min后，錐形孔内壁被冰层覆盖，并逐渐增厚;当运行180 min后，结冰面积增大后，曲轴箱压力升高到+0.7 kPa时，冰层在重力、废气热量的作用下，从壁面掉落，曲压恢复正常。

在近两年的极寒环境道路试验中，该方案搭载多台试验车进行了结冰试验的验证，未出现曲通管路结冰堵死现象。因此，锥形口的方案能有效防止曲轴箱通风管结冰堵死的问题。

5 结论

本文介绍了曲轴箱通风系统的作用、曲轴箱通风管结冰的原理、危害及验证方法。总结了主要的解决方案及优缺点，通过优化改进现有设计方案，将圆柱孔改为锥形孔结构。该方案能有效避免曲轴箱通风管路的结冰问题。

锥形孔方案满足环境仓实验和冬季道路试验验证规范标准。该方案具有成本低、设计改动量少，能耗低，防结冰效果好等优点，但与电加热、水循环加热相比，防结冰的能力稍弱。综合评价，该技术方案的性价比较高，故已经大量应用于批产车型中，统计近年来在极寒地区的售后数据，未出现结冰问题，获得了较好的经济效益。

参考文献：

[1]李建国.车用发动机曲轴箱通风系统构成及常见故障分析[J].内燃机与配件，2014年第5期.

[2]蒋德明.高等内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社：2002.

[3]简辉，等.曲轴箱通风呼吸管结冰问题解决方案[J].上海汽车，2014年12月.

[4]张育春，等.增压发动机高寒试验故障分析与改进[J].内燃机与配件，2015年第2期.

[5]韩小伟，等.某汽车曲轴箱通风低温问题分析[J].河南科技，2018年5月.

[6]乔华.高寒环境对曲轴通风的影响[J].专用汽车，2013年第8期.

[7]寇文能，等.曲轴箱通风管结冰工况研究及改善措施分析[J].环境技术，2019年10月.

[8]李建国，等.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年第8期.

[9]唐绪华.一种防止发动机曲轴箱通风管路结冰方法[J].上海汽车，2014年第1期.

[10]袁海马.汽油机曲轴箱通风系统加热结构[J].内燃机，2014年第5期.

[11]杜柏超，等.某柴油机曲轴箱通风系统优化设计[J].内燃机，2018年第3期.

[12]王新，等.曲轴箱通风系统结冰失效浅析[J].科学技术创新，2014（11）：35.

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）

作者简介：田身军（1981-），男，山东枣庄人，工学学士，工程师，主要研究方向：汽车发动机缸盖及曲通系统的设计与开发。