芻議曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)

王良斌

（焦作大學(xué)，河南 焦作 454000）

1 曲軸箱竄氣和曲軸箱混合氣體的危害

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，會(huì)有一部分高壓高溫氣體從氣缸途經(jīng)活塞組件與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱。曲軸箱竄氣包括作功行程中完全燃燒和未完全燃燒的氣體以及壓縮行程的可燃混合氣。曲軸箱內(nèi)的氣體，除了主要來(lái)源于氣缸的竄氣外，還有曲軸箱內(nèi)的機(jī)油在車(chē)輛顛簸、曲柄攪拌以及高溫條件下所形成的油霧和蒸氣。這些氣體統(tǒng)稱(chēng)為曲軸箱混合氣體。曲軸箱混合氣體主要成分有：HC、CO、NOx、機(jī)油油霧、水蒸氣，其中HC占到大約70%。

曲軸箱混合氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行危害極大。首先，使曲軸箱內(nèi)壓力和溫度升高，加大油底殼密封襯墊和曲軸油封的密封負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)油滲漏；其次，污染機(jī)油使其劣化，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑效能降低，甚至失效的嚴(yán)重后果。混合氣體溫度高使機(jī)油變稀，其中的未燃燃油不僅稀釋機(jī)油，同時(shí)極大地推進(jìn)了機(jī)油氧化變質(zhì)的速度和進(jìn)程?；旌蠚怏w冷凝后與機(jī)油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成油泥，更使機(jī)油潤(rùn)滑效能雪上加霜。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，曲軸箱內(nèi)充滿煙霧狀的具有正壓的高溫混合氣體，必須及時(shí)予以清除，釋放曲軸箱壓力和降低其溫度，凈化曲軸箱空間環(huán)境。現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)均采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）技術(shù)對(duì)曲軸箱混合氣體進(jìn)行清除。

2 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)

PCV系統(tǒng)就是利用通道“強(qiáng)制” 曲軸箱混合氣體被真空定向吸入進(jìn)氣歧管并參與燃燒，與此同時(shí)，在曲軸箱內(nèi)建立適度的真空度（大約4 kPa）。空氣濾清器與節(jié)氣門(mén)之間的腔體、氣門(mén)搖臂腔體、曲軸箱腔體、進(jìn)氣歧管這4個(gè)腔體，通過(guò)管道連通，形成一個(gè)兩端開(kāi)口于節(jié)氣門(mén)前后的閉式管路結(jié)構(gòu)。在封閉管路上，設(shè)置用于流量調(diào)節(jié)的單向閥，稱(chēng)為PCV閥，還設(shè)置有油氣分離裝置，即油氣分離器。PCV系統(tǒng)按油氣分離器形式可分為兩類(lèi)，一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)如圖1所示，二級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)如圖2所示。PCV系統(tǒng)除PCV閥、油氣分離器、通氣管、真空管外，還包括缸蓋和缸體內(nèi)的機(jī)油回流道。

圖1 一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)

2.1 一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)

迷宮式油氣分離器與氣缸蓋罩集為一體，位于氣缸蓋罩內(nèi)的上方。豎直的迷宮擋板上下交錯(cuò)、左右間隔，形成上下左右、彎曲有致的曲徑，如圖1所示。

圖2 二級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，真空吸力使PCV閥打開(kāi)，在真空吸力作用下，新鮮空氣經(jīng)過(guò)通氣管被吸入氣門(mén)搖臂腔體并沖入油氣分離器。與此同時(shí)，曲軸箱混合氣體流經(jīng)機(jī)油回流道匯入氣門(mén)搖臂腔體，被新鮮空氣流裹卷著一并沖入油氣分離器，通過(guò)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管。合并后的混合氣體在油氣分離器中，沿著曲徑依次高速?zèng)_擊各迷宮擋板，混合氣體中具有較大的機(jī)油顆粒被迷宮擋板撞擊而停下，集聚于迷宮擋板表面上的機(jī)油在重力作用下，落下匯入機(jī)油回流道入口，經(jīng)機(jī)油回流道流回油底殼。

一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)強(qiáng)制“通風(fēng)”效果有限，它沒(méi)有把新鮮空氣直接引入曲軸箱，而是通過(guò)新鮮空氣流順勢(shì)把遠(yuǎn)道而來(lái)的曲軸箱混合氣體“拉入”進(jìn)氣歧管，不能很有效地掃除曲軸箱混合氣體。有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬的工況段（如中等負(fù)荷到全負(fù)荷）內(nèi)，曲軸箱不能形成適度的真空度，甚至可能形成正壓。不利于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。

迷宮式油氣分離器分離效率相對(duì)較低，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單原理所致，只能分離出較大的機(jī)油顆粒，大量的機(jī)油微顆粒仍彌散于混合氣中而進(jìn)入進(jìn)氣歧管，加劇了機(jī)油污染進(jìn)氣歧管以及氣門(mén)和燃燒室積炭的進(jìn)程，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量增多，嚴(yán)重影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，以致于催生了改裝市場(chǎng)加裝機(jī)油透氣壺的業(yè)務(wù)。實(shí)踐證明，進(jìn)氣歧管由此被機(jī)油污染程度很?chē)?yán)重，造成起動(dòng)困難、起步易熄火、怠速抖動(dòng)等故障，同時(shí)伴隨著燃油消耗量增大、機(jī)油消耗量增大、動(dòng)力性降低等運(yùn)行效能的損失。隨著國(guó)家對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量法規(guī)逐年嚴(yán)苛（乘用車(chē)百公里油耗2015年為6.9L，到2020年要達(dá)到5L），提高PCV系統(tǒng)油氣分離率勢(shì)在必行。

另外，迷宮式油氣分離器設(shè)置于氣缸蓋罩上，會(huì)給特定用戶群帶來(lái)機(jī)油乳化的風(fēng)險(xiǎn)。就發(fā)動(dòng)機(jī)整體而言，氣缸蓋罩的溫度較低，遠(yuǎn)道而來(lái)匯聚于此的曲軸箱混合氣體中的水蒸氣，可能冷凝為水和分離出的機(jī)油一并流回油底殼，導(dǎo)致機(jī)油乳化。冬季低溫用車(chē)以及短距離用車(chē)的用戶此風(fēng)險(xiǎn)為大?，F(xiàn)在多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩上的防塵罩（又稱(chēng)裝飾罩）對(duì)氣缸蓋罩起到保溫作用，極大地降低了由此帶來(lái)的機(jī)油乳化風(fēng)險(xiǎn)。

一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，主要用于價(jià)位較低的乘用車(chē)。

2.2 二級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)

為避免一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)的致命缺陷，二級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。它是在迷宮式油氣分離器對(duì)油氣粗分離之后，又串入稱(chēng)之為旋風(fēng)式油氣分離器對(duì)油氣進(jìn)行二級(jí)細(xì)分離，前者又稱(chēng)油氣粗分離器，后者又稱(chēng)油氣細(xì)分離器。

在圖2中，迷宮式和旋風(fēng)式油氣分離器相串聯(lián)并且集成于一體，新鮮空氣經(jīng)過(guò)通氣管引入氣門(mén)搖臂腔體，通過(guò)機(jī)油回流通道進(jìn)入曲軸箱，從曲軸箱出來(lái)，流經(jīng)二級(jí)油氣分離器和PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管。顯然，新鮮空氣流對(duì)曲軸箱混合氣體的清掃強(qiáng)度，遠(yuǎn)大于一級(jí)油氣分離式PCV系統(tǒng)。但是，這會(huì)導(dǎo)致某些工況（如減速工況）曲軸箱真空度過(guò)高而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。為此，有些發(fā)動(dòng)機(jī)（如大眾汽車(chē)集團(tuán)的EA211和EA888發(fā)動(dòng)機(jī)）的PCV系統(tǒng)設(shè)置壓力調(diào)節(jié)器來(lái)予以解決，此文篇幅所限，不再涉及。

旋風(fēng)式油氣分離器原理示意如圖3所示。出氣管置于上部為圓柱形、下部為圓錐形的漏斗狀腔體中間，并且深入圓柱形腔體到一定的深度，進(jìn)氣口靠近圓柱體上端且徑向偏置于最大處，氣體入口處截面如圖4所示。曲軸箱混合氣體沿切向沖入圓柱形腔體形成旋流，氣流沿漏斗狀腔體呈螺旋形邊下行邊收縮，旋入位于中心的氣體出口管而沖出。由于氣流高速旋轉(zhuǎn)，密度大的油滴在離心力作用下被甩向漏斗狀腔體內(nèi)壁，并在重力作用下，沿內(nèi)壁流下匯入錐形排油口流回油底殼。

在實(shí)際運(yùn)用中，旋風(fēng)式油氣分離器又可分為內(nèi)置式和外置式兩種安裝形式。外置式旋風(fēng)油氣分離器給發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行造成了極大的損害，設(shè)計(jì)制造者也始料未及，用戶和廠商都已深受其害。典型的案例就是2013年長(zhǎng)安CS35發(fā)動(dòng)機(jī)（自主研發(fā)的1.6L Blue Core發(fā)動(dòng)機(jī)）出現(xiàn)嚴(yán)重的機(jī)油乳化風(fēng)波，罪魁禍?zhǔn)拙褪峭庵檬叫L(fēng)油氣分離器。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用二級(jí)PCV系統(tǒng)，迷宮式油氣分離器置于氣缸蓋罩內(nèi)，粗分離后的曲軸箱混合氣體經(jīng)軟管導(dǎo)出進(jìn)入外置的旋風(fēng)式油氣分離器，而后通過(guò)PCV閥進(jìn)入進(jìn)氣歧管。癥結(jié)是：曲軸箱混合氣體離開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體后，其溫度極度減低，導(dǎo)致其中的水蒸氣凝結(jié)成水，在溫度同樣低的外置旋風(fēng)式油氣分離器中，水和機(jī)油一并被分離出流回油底殼，導(dǎo)致機(jī)油乳化。最終廠商召回所有缺陷車(chē)輛，別無(wú)選擇地拆掉外置的旋風(fēng)式油氣分離器，變?yōu)橐患?jí)式油氣分離式PCV系統(tǒng)，不完美地平息了機(jī)油乳化風(fēng)波。大眾的EA211和EA888發(fā)動(dòng)機(jī)的粗細(xì)兩級(jí)油氣分離器及其連通的管道都不離發(fā)動(dòng)機(jī)本體，曲軸箱混合氣體中的水蒸氣一路上沒(méi)有冷凝為水的機(jī)會(huì)，完全化解了機(jī)油乳化的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的二級(jí)油氣分離器式PCV系統(tǒng)還增設(shè)了壓力調(diào)節(jié)器，使曲軸箱內(nèi)的真空度適度且穩(wěn)定，是量產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中PCV系統(tǒng)的佼佼者。

圖3 旋風(fēng)式油氣分離器原理示意圖

圖4 氣體入口處截面圖

3 PCV系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不良影響

3.1 對(duì)燃油定量電子控制的影響

從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的角度上看，PCV系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)就是，源自于節(jié)氣門(mén)之前的一部分新鮮空氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，自上而下繞一圈并且攜帶有大量未燃的HC和CO以及機(jī)油霧氣，未經(jīng)節(jié)氣門(mén)控制流入進(jìn)氣歧管。因此，必定會(huì)干擾空燃比的定量控制，對(duì)燃油定量電子控制產(chǎn)生不利影響。好在空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償，消化掉由此引起的燃油定量的偏差。但是，空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力總是有限度的，因此 PCV閥的流量必須是空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)可接受的；空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作是有條件的（如起動(dòng)、暖機(jī)、全負(fù)荷等工況即為空燃比開(kāi)環(huán)控制），因此 PCV閥的開(kāi)啟和關(guān)閉必須與空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作條件相匹配。顯然，基于機(jī)械原理的PCV系統(tǒng)不能完全滿足這些要求，即機(jī)械式PCV系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)全運(yùn)行工況內(nèi)，總會(huì)影響到空燃比的控制精度。只有將PCV系統(tǒng)納入發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)，才能從根本上解決此問(wèn)題。因而，隨著國(guó)家汽車(chē)排放法規(guī)愈加嚴(yán)格，PCV系統(tǒng)的電子化勢(shì)在必行。

3.2 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響

迷宮式和旋風(fēng)式油氣分離器使用機(jī)械原理對(duì)油氣進(jìn)行分離，做不到完全分離。機(jī)油污染進(jìn)氣系統(tǒng)，造成進(jìn)氣歧管、氣門(mén)和燃燒室積炭，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，這是不可避免的，只是嚴(yán)重程度不同而已。

目前，在汽車(chē)維護(hù)保養(yǎng)市場(chǎng)，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)積炭的免拆清洗，還沒(méi)有行之有效的辦法。常見(jiàn)的吊瓶怠速免拆清洗法，只能清洗氣門(mén)和燃燒室的積炭，不能清洗進(jìn)氣歧管積炭。進(jìn)氣歧管積炭只能拆下靠手工清洗。由于進(jìn)氣歧管腔體深而不規(guī)則，手工清洗費(fèi)時(shí)又難度大。另外，吊瓶怠速免拆清洗需要較長(zhǎng)的時(shí)間（約40～45 min），清除掉的積炭會(huì)阻塞三元催化轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)三元催化轉(zhuǎn)換裝置的損傷程度也不得而知。在汽車(chē)實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)積炭的清洗大多數(shù)用戶是被動(dòng)的，當(dāng)用戶覺(jué)察到車(chē)輛行駛異常時(shí)，積炭就已經(jīng)很?chē)?yán)重了，不得不去清洗，此時(shí)清洗對(duì)三元催化轉(zhuǎn)換裝置的損傷是最大的。因此，除了需要更加行之有效的清洗方法外，制訂推行科學(xué)合理的清洗周期也是必要的。

3.3 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的影響

GB/T19055—2003《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》是通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段或市場(chǎng)調(diào)節(jié)而自愿采用的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的規(guī)定是：額定轉(zhuǎn)速、全負(fù)荷時(shí)，機(jī)油和燃料消耗比不得超過(guò)0.3%，即1輛百公里油耗為10L的乘用車(chē)，其發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量須少于0.3 L/1 000 km。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量只要不超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或廠商規(guī)定值，都為正常。

在汽車(chē)實(shí)際運(yùn)用中，并不關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的具體多少，而是以機(jī)油尺上下刻度為依據(jù)，在一個(gè)保養(yǎng)周期內(nèi)是否需要補(bǔ)充機(jī)油。通常，機(jī)油加到上下刻度的3/4處，在一個(gè)保養(yǎng)周期內(nèi)，不補(bǔ)充機(jī)油者為正常，補(bǔ)充者為燒機(jī)油。機(jī)油消耗量是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中重要的控制指標(biāo)，它是人為可控的。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量與氣缸的潤(rùn)滑是一對(duì)矛盾，各廠商對(duì)這對(duì)矛盾拿捏的側(cè)重面可能不同，得失相伴，不同廠商發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量存在差異是正常的。論壇里有用戶講嚴(yán)重到后備廂不能離機(jī)油壺，我認(rèn)為這一定是另有原因所致的個(gè)案，不能說(shuō)明問(wèn)題。只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行就會(huì)有機(jī)油消耗。機(jī)油消耗量與使用和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀況有直接關(guān)系。

機(jī)油消耗就是在燃燒室被燒掉而排出的。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，機(jī)油進(jìn)入燃燒室有3條途徑，PCV系統(tǒng)就是其中之一。PCV系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)油消耗量，首先是曲軸箱產(chǎn)生的機(jī)油蒸汽量增多所致，這和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度過(guò)高和機(jī)油品質(zhì)問(wèn)題相關(guān)；其次是PCV閥的卡滯（正巧卡在最大開(kāi)度處）所致。因而，避免發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行、定期檢查或清洗PCV閥，是減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的重要途徑。