压力测量在曲轴箱通风系统故障诊断中的应用

0 引言

曲轴箱通风系统是目前在发动机上广泛应用的一项技术，其可以防止因窜气导致的曲轴箱压力过高，延长机油使用性能和寿命

。随着现代发动机技术的不断进步，越来越多的进排气技术应用于汽油发动机上，导致曲轴箱通风系统的故障诊断变得愈发困难。笔者以宝马某新款发动机为例说明曲轴箱通风系统的基本结构及原理并分析常见故障原因，阐述曲轴箱压力测量方法及应用。

1 曲轴箱通风系统结构及原理

发动机工作时，燃烧室中一些未燃烧的燃油蒸汽和微粒机油沿着活塞环与气缸壁间的空隙进入曲轴空间内，形成有害的窜气

。曲轴箱内的窜气量主要由发动机的负荷和转速决定，随着发动机转速和负荷的提升，窜气量逐渐增加，导致曲轴箱压力升高。严重时会使发动机密封性下降，机油从曲轴油封、曲轴箱衬垫等处渗漏。另外，有害窜气在曲轴箱内与油雾形式的发动机油混合，导致机油变质，使用性能和寿命下降，造成发动机异常磨损。因此现代发动机中广泛采用曲轴箱通风装置阻止这种情况的出现。

在宝马某新款发动机中采用了集成式气缸盖罩，曲轴箱通风的所有部件以及气道均采用集成方式。其结构主要包括油气分离器、调压阀、集气室、单向阀等，如图1所示。由于该款发动机配备有涡轮增压器和全可变气门升程机构(Valvetronic)，发动机在不同负荷时，进气道中压力会随着涡轮增压器工作而改变。因此曲轴箱通风系统分为两部分，不同工况下通过不同通道进行曲轴箱通风，系统有两种工作状态，即增压运行模式和自吸运行模式。

曲轴箱通风系统在自吸模式下，发动机处于怠速及滑行的低负荷状态，节气门几乎处于关闭状态，节气门后方的进气歧管产生真空。在该真空作用下，增压空气进气管路通道内的单向阀15关闭，气缸盖罩泄露气体通道内的单向阀18打开并通过调压阀17抽吸窜气

，窜气被直接引导进气门前，最终进入燃烧室参与燃烧。窜气在经过油气分离器3时，可使其分离出机油并以油滴形式通过机油回流管路10流回油底壳内，如图2所示。

随着发动机负荷增加，发动机的全可变气门升程机构通过气门升程角度调节进气量，发动机节气门几乎处于全部打开状态(免节气门调节)。另外发动机涡轮增压器11工作，节气门后方进气歧管2中存在较大过压，无法将窜气输引导至进气歧管内。为此，气缸盖罩气体通道内的单向阀18在压力作用下关闭，防止曲轴箱出现过压

。而此时，涡轮增压器11与空气滤清器1之间的增压空气进气管路13存在一定真空度，该真空压力足以打开单向阀15直接抽吸窜气，如图3。涡轮增压进气道中只产生较低真空压力，对曲轴箱内部压力影响不大，无需进行限制，因此窜气会绕过调压阀17，直接进入增压空气管路。与自吸模式一样，窜气在经过油气分离器3时，从中分离出机油油雾并使其以油滴形式流回油底壳内。

2 曲轴箱通风系统常见故障分析

2.1 调压阀机械损坏

由于调压阀在大多数工况下一直运行，调压阀常常会产生机械损坏，如膜片破裂、调压阀卡滞等。如果膜片出现破损，调压阀外部空气通过破损的膜片被抽吸入发动机，导致在膜片破裂处产生啸叫声。严重时，伴有混合气调教故障，发动机排放故障灯亮。

为了避免曲轴箱中产生过压，通过调压阀对曲轴箱内中压力进行调节。发动机在怠速或车辆滑行时，此时发动机转速和荷较较小，窜气量少，因此施加在膜片外侧的大气压力和进气歧管内负压共同克服弹簧力使阀门关闭(图4a)。随着发动机负荷和转速的逐步提高(此时涡轮增压器仍未有效工作)，发动机窜气增加，曲轴箱内压力增大，施加在膜片内侧的相对真空压力减小(图4b)。压力弹簧克服大气压力和进气歧管内负压使阀门重新开启，直至合力重新达到平衡状态(图4c)。在调节过程中，调压阀膜片受到大气压力，曲轴箱窜气压力，进气歧管真空吸力，以及机械弹簧四者相互作用。窜气越多，膜片内侧承受的相对真空压力就越小，调压阀开启程度就越大，这样可使曲轴箱内始终保持规定的真空压力。

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2.2 油气分离器堵塞

综上，在曲轴箱通风系统故障中无论是调压阀还是油气分离器故障都会导致曲轴箱中压力失衡，出现真空度过大或者过压。因此为曲轴箱内压力变化，可以用来鉴别曲轴箱通风系统内部故障。

过多的油泥会使油气分离器中出现堵塞，导致其功能失效，无法彻底分离燃油蒸汽和机油，导致发动机机油消耗量增加，甚至涡轮增压器增压空气管中会出现机油。堵塞的油气分离器，由于通气不畅，同样也会使曲轴箱内部压力会上升。

该款发动机曲轴箱通风系统采用离心式油气分离器，从曲轴箱抽吸的窜气以油雾形式在油气分离器气旋结构内高速旋转。由于离心力作用，较重的机油沉积在气旋壁上并凝结成液滴，沿着回油管滴落至油底壳；而较轻的燃油混合气则从气旋中部处吸出，最终进入燃烧室参与燃烧。

3 曲轴箱压力测量方法及应用

曲轴箱压力测量中使用到设备及专用工具包括，机油加注口适配器，低耐压软管(Φ9.1 mm /Φ4.0 mm )和一台IMIB(Intergrated Measurement Interface Box，集成式测量接口盒)，见图5。IMIB具备双通道万用表，多通道数字式存储示波器、多项激励功能、计数器等功能。在压力测量中使用万用表DMM功能，该功能中提供2个通道，通道1默认测量电压(AC/DC)、电流和电阻，通道2默认测量电压。此外两个通道均可连接测电钳、温度传感器、压力传感器等进行特殊测量。1-适配器，2-低耐压软管，3-IMIB

3.1 测试步骤

e.启动发动机，暖机至怠速转速，读取IMIB读数，保存数据并打印结果。

b.打开机油加注口盖，装上适配器并拧紧；

c.使用低耐压软管连接适配器连接与IMIB；

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调压阀如果机械卡滞于关闭位置，曲轴箱内窜气无法引导至进气歧管，曲轴箱内压力过大，严重时可能会导致发动机前后油封密封性下降，发生机油泄露 。如果调压阀卡滞于开启位置，曲轴箱窜气通道与进气歧管一直连通，曲轴箱内压力下降，严重时同样会导致发动机前后油封密封性下降。

d.打开IMIB万用表DMM功能，激活通道DMM1、通道DMM2，传感器选择压力P；

a.检测机油液位，确保发动机机油液位正常；

3.2 测量结果分析

IMIB测量读数中通道1为曲轴箱内部压力，通道2为环境大气压力。由于调压阀的作用，该款发动机正常情况下，曲轴箱内部压力略小于环境大气压力，相对真空度约30±10mbar，见图6。通过将通道1和通道2数据流与标准值比较，即可对曲轴箱系统进行故障分析。

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曲轴箱压力与环境压力之间的差值，为曲轴箱系统的相对真空度。当真空度大于技术文件中的标准值时，说明曲轴箱内压力偏小。故障原因可能是调压阀机械损害，卡滞于常开位置，曲轴箱与进气歧管连通。当故障诊断中呈现出类似数据流时，应重点观察曲轴前后油封的密封性，并仔细辨别是否伴有抽吸异响，进而确认故障。

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当曲轴箱压力大于环境压力时，即曲轴箱出现过压，说明油气分离器可能堵塞或者调压阀机械卡滞在关闭位置。油气分析器堵塞会导致窜气分离不彻底，可以进一步检测涡轮增压器进气管中是否存在机油进而判断是否为油气分离器堵塞。

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曲轴箱压力测量时，由于气候及地理位置的改变，环境气压也会发生变化，因此不能只关注曲轴箱压力数据，应该同时观察环境压力值，以相对真空度作为判断标准。另外，不同发动机曲轴箱结构设计不尽相同，曲轴箱通风系统相对真空度标准数值也略有不同，故障诊断时可以参考维修文件中的标准技术数据。

4 结语

曲轴箱通风系统是发动机进排气系统中重要的组成部分，由于发动机使用和保养不当，常常会出现油气分离器内部通道堵塞、调压阀橡胶膜片老化、破裂或者弹簧弹性不足等故障。当发生故障时，均会引起曲轴箱系统内部压力的变化。使用压力传感器进行曲轴箱系统压力测量，通过IMIB中DMM双通道功能可以直观对比曲轴箱压力和环境压力，分析相对真空度数据，快速诊断故障原因。避免了繁琐机械拆装，提高了工作效率。因此，压力测量为发动机曲轴箱通风系统的故障诊断提供以了一种新的诊断方法。

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