發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題的改善方案

田身軍 項(xiàng)大偉 李德銀 徐亞飛

摘 要：發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題只有在特殊環(huán)境條件下才會(huì)出現(xiàn)，所以不易被發(fā)現(xiàn)。隨著國內(nèi)乘用車市場不斷擴(kuò)大，更多品牌的車輛進(jìn)入了東北、內(nèi)蒙、新疆等極寒地區(qū)。隨著售后問題顯現(xiàn)，這個(gè)問題逐漸被國內(nèi)主機(jī)廠重視起來，并投入大量的人力物力加以研究驗(yàn)證。為解決通風(fēng)管路結(jié)冰問題，本文總結(jié)了曲通管結(jié)冰的機(jī)理，對(duì)比分析了目前主流的技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。通過CAE仿真分析及低溫環(huán)境倉試驗(yàn)驗(yàn)證，采用新設(shè)計(jì)的錐形口管接頭結(jié)構(gòu)可有效解決極寒條件下曲通管結(jié)冰堵塞問題，并能大幅降低制造成本。該技術(shù)方案已經(jīng)在多款車型上進(jìn)行了批量生產(chǎn)，售后質(zhì)量數(shù)據(jù)未出現(xiàn)不良故障發(fā)生。取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng);管路結(jié)冰

0 引言

由于設(shè)計(jì)和布置方案的不同，會(huì)使得曲軸箱通風(fēng)管路結(jié)冰問題的發(fā)生。曲軸箱通風(fēng)管一旦結(jié)冰，會(huì)造成曲軸箱壓力升高、油封沖出等，如不及時(shí)處理還可以會(huì)造成安拋類質(zhì)量事故。由于該問題只會(huì)發(fā)生在極寒地區(qū)，所以在2010年之前未引起各主機(jī)廠重視。隨著國內(nèi)乘用車市場突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在冬季部分極寒地區(qū)售后質(zhì)量問題頻發(fā)，國內(nèi)的主機(jī)廠才開始展開這方面的研究與驗(yàn)證工作。

經(jīng)過多年來的分析及實(shí)驗(yàn)總結(jié)，應(yīng)對(duì)曲軸箱通風(fēng)管結(jié)冰問題，目前國內(nèi)主機(jī)廠找到了各自的解決方案。本文闡述了曲軸箱通風(fēng)管結(jié)冰問題的失效機(jī)理，展示了目前比較成熟的應(yīng)對(duì)技術(shù)方案，并分析了優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)闡述了錐形口管接頭技術(shù)方案和驗(yàn)證結(jié)果。

1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的組成、作用及失效機(jī)理

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)腔（由缸體、缸蓋等零部件的內(nèi)腔構(gòu)成）、油氣分離系統(tǒng)（一般集成在氣門室罩蓋中）、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（PCV）、回油腔、呼吸管等組成[1]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃燒室內(nèi)的混合氣和燃燒后的廢氣在爆發(fā)壓力作用下，通過活塞與缸壁之間的間隙和活塞環(huán)開口間隙進(jìn)入曲軸箱內(nèi)[2]。另外，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在增壓器工作時(shí)，也會(huì)有一些漏氣從增壓器中間體竄到回油管路進(jìn)入曲軸箱內(nèi)。這些進(jìn)入曲軸箱的氣體包含燃油、機(jī)油、碳煙顆粒物、CH化合物、CO、CO2和水蒸氣等，如不及時(shí)排出，可能導(dǎo)致：1）曲軸箱壓力升高，曲軸油封、增壓器油封等處密封失效，廢氣進(jìn)入大氣，污染環(huán)境;2）機(jī)油稀釋、機(jī)油乳化，運(yùn)動(dòng)副異常磨損。為此，發(fā)動(dòng)機(jī)需設(shè)置強(qiáng)制閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，將曲軸箱廢氣送回發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)行二次燃燒。

在極寒天氣下，進(jìn)氣軟管或進(jìn)氣歧管壁面溫度較曲軸箱廢氣溫度低30～40℃，曲軸箱廢氣中的水蒸氣遇到冷空氣后，局部氣壓降低，水蒸氣相對(duì)濕度增大，達(dá)到飽和狀態(tài)后，水蒸氣析出。廢氣中的水蒸氣直接在曲軸箱通風(fēng)管與進(jìn)氣軟管接頭位置的冷壁面處凝結(jié)成冰霜，隨著車輛繼續(xù)行駛，冰霜越積越厚，最終結(jié)冰導(dǎo)致堵塞管路，從而使得曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)功能失效[3]。

2 曲通結(jié)冰試驗(yàn)驗(yàn)證方法

為規(guī)避曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)冰問題，主機(jī)廠在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，會(huì)進(jìn)行極寒環(huán)境試驗(yàn)。試驗(yàn)主要選擇寒冬季節(jié)在東北部地區(qū)進(jìn)行用戶模擬道路試驗(yàn)，例如：漠河、黑河、海拉爾等地。由于環(huán)境道路試驗(yàn)受地域和時(shí)間的約束，近年來部分主機(jī)廠逐步通過在環(huán)境倉內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，低溫環(huán)境倉可以提供-40℃環(huán)境溫度條件，發(fā)動(dòng)機(jī)按規(guī)定工況運(yùn)行，通過監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力和關(guān)鍵位置的實(shí)時(shí)影像，可以監(jiān)控曲通管路結(jié)冰程度。與冬季的道路試驗(yàn)相比，環(huán)境倉驗(yàn)證試驗(yàn)受到駕駛?cè)藛T和環(huán)境（溫度、路況）的影響更小，試驗(yàn)過程可控，試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，效率更高。

3 傳統(tǒng)曲通管路結(jié)冰防護(hù)方案

從發(fā)動(dòng)機(jī)曲通系統(tǒng)原理來說，對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，只要保證任一路曲軸箱通風(fēng)管通暢即可保障發(fā)動(dòng)機(jī)長期在極寒條件下正常運(yùn)行;而對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷工況下，進(jìn)氣歧管內(nèi)形成最大可以達(dá)到100 kPa以上的正壓，部分負(fù)荷一路的PCV閥或單向閥關(guān)閉，曲軸箱廢氣僅能通過大負(fù)荷管路通往燃燒室，因此必須保證大負(fù)荷管路的通暢[4]。

現(xiàn)有的曲軸箱通風(fēng)管路防結(jié)冰技術(shù)方案，部分負(fù)荷通風(fēng)管一般布置在缸體[5]、缸蓋本體和歧管之間，利用發(fā)動(dòng)機(jī)本體的熱輻射[6]來保證部分負(fù)荷通風(fēng)管不會(huì)結(jié)冰堵死。近些年，由于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成度越來越高，部分負(fù)荷曲通管已被集成到氣門室罩蓋、缸蓋、進(jìn)氣歧管等零部件的內(nèi)部，內(nèi)部通道壁面溫度較高，該方案可以徹底規(guī)避部分負(fù)荷管路結(jié)冰問題。

大負(fù)荷通風(fēng)管防結(jié)冰技術(shù)方案比較成熟的應(yīng)用，有以下幾種：

暖風(fēng)水循環(huán)加熱方案[7]。代表性的有豐田、本田和廣汽、長安等品牌的部分車型。該方案是通過從冷卻系統(tǒng)引出一路水源，對(duì)容易結(jié)冰的節(jié)流閥體和大負(fù)荷軸箱通風(fēng)管進(jìn)行加熱，再返回到冷卻系統(tǒng)的技術(shù)方案。該方案防結(jié)冰效果較好，但需新增復(fù)雜的并聯(lián)金屬管路，成本高;零件焊接難度大，易出現(xiàn)漏水失效;另外，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前倉空間影響較大，不利于發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊性布置。

PTC電加熱方案[5，9]，代表性的有上汽、一汽、PSA、奇瑞、寶馬等品牌的部分車型。電加熱的早期還有電阻絲的結(jié)構(gòu)[9，10]，目前已經(jīng)被淘汰。該方案結(jié)構(gòu)簡單，只要將現(xiàn)有管路上集成一個(gè)PTC加熱單元，在特定條件下通電后對(duì)曲軸箱通風(fēng)管口進(jìn)行加熱。該方案防結(jié)冰效果較好，對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和布置影響小，成本適中。

壓力、流量傳感器控制方案，代表性的有上汽、雪佛蘭等品牌的部分車型。該方案利用曲軸箱通風(fēng)管或進(jìn)氣軟管上的壓力傳感器和空氣流量計(jì)，通過電控策略診斷曲軸箱通風(fēng)管的壓力或者發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量是否存在異常變化。ECU發(fā)現(xiàn)異常變化將控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷降低，直至壓力或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量恢復(fù)正常。該方案能有效預(yù)防曲通結(jié)冰發(fā)生堵死導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生，但是存在誤診斷，影響客戶的用車體驗(yàn)，容易造成抱怨，且成本較高。

增壓器取氣方案，代表性的有奇瑞、上汽通用、上汽大眾、長安、奧迪等品牌的部分車型。該方案是將在曲軸箱通風(fēng)管出口布置在增壓器壓殼上，利用增壓器蝸端對(duì)壓端本體的傳熱來提升接頭處的壁面溫度，進(jìn)而防止結(jié)冰。該方案防結(jié)冰效果較好，成本較低，但是對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)壓力系統(tǒng)調(diào)節(jié)有較高的設(shè)計(jì)要求，特別在低速大負(fù)荷或全速全負(fù)荷區(qū)域。

除此之外，還有電子進(jìn)氣格柵、PUR隔音包裹，縮短管路的長度[11]、增加保溫護(hù)套[12]、增加直徑[12]等技術(shù)方案的應(yīng)用。

以上技術(shù)方案都有成熟的應(yīng)用案例，但是都存在一些缺點(diǎn)。對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)售后結(jié)冰的機(jī)型，設(shè)計(jì)變更的工作量較大，改造成本高?；谶@些需求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出新的設(shè)計(jì)方案，既能解決結(jié)冰問題，又具有良好的成本優(yōu)勢。

4 優(yōu)化方案及驗(yàn)證結(jié)果

基于以上設(shè)計(jì)需求，對(duì)原有進(jìn)氣軟管接口處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將原有的圓柱結(jié)構(gòu)接口改為“錐形口”結(jié)構(gòu)的接口，如圖-1所示。“錐形口”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是利用廢氣自身的溫度對(duì)結(jié)冰處進(jìn)行加熱，在相交處形成大于冰點(diǎn)的溫度場來避免結(jié)冰的發(fā)生。在長時(shí)間極寒天氣高速行駛條件下，即使產(chǎn)生結(jié)冰接近堵死后，由于局部的溫度、重力和曲軸箱壓力共同作用下可以使得冰體自動(dòng)脫落。

經(jīng)過CAE仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)的錐形口結(jié)構(gòu)，在-35℃環(huán)境溫度下，仍有3/4面積管壁溫度保持在0℃以上，如圖-2。

在上述環(huán)境倉試驗(yàn)中，對(duì)曲通管結(jié)冰處進(jìn)行影像記錄。如圖-3，試驗(yàn)進(jìn)行10 min后，在錐形孔內(nèi)壁出現(xiàn)薄薄的冰霜;當(dāng)運(yùn)行60 min后，錐形孔內(nèi)壁冰霜變厚，并在一側(cè)形成了積冰。當(dāng)運(yùn)行120 min后，錐形孔內(nèi)壁被冰層覆蓋，并逐漸增厚;當(dāng)運(yùn)行180 min后，結(jié)冰面積增大后，曲軸箱壓力升高到+0.7 kPa時(shí)，冰層在重力、廢氣熱量的作用下，從壁面掉落，曲壓恢復(fù)正常。

在近兩年的極寒環(huán)境道路試驗(yàn)中，該方案搭載多臺(tái)試驗(yàn)車進(jìn)行了結(jié)冰試驗(yàn)的驗(yàn)證，未出現(xiàn)曲通管路結(jié)冰堵死現(xiàn)象。因此，錐形口的方案能有效防止曲軸箱通風(fēng)管結(jié)冰堵死的問題。

5 結(jié)論

本文介紹了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的作用、曲軸箱通風(fēng)管結(jié)冰的原理、危害及驗(yàn)證方法。總結(jié)了主要的解決方案及優(yōu)缺點(diǎn)，通過優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，將圓柱孔改為錐形孔結(jié)構(gòu)。該方案能有效避免曲軸箱通風(fēng)管路的結(jié)冰問題。

錐形孔方案滿足環(huán)境倉實(shí)驗(yàn)和冬季道路試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。該方案具有成本低、設(shè)計(jì)改動(dòng)量少，能耗低，防結(jié)冰效果好等優(yōu)點(diǎn)，但與電加熱、水循環(huán)加熱相比，防結(jié)冰的能力稍弱。綜合評(píng)價(jià)，該技術(shù)方案的性價(jià)比較高，故已經(jīng)大量應(yīng)用于批產(chǎn)車型中，統(tǒng)計(jì)近年來在極寒地區(qū)的售后數(shù)據(jù)，未出現(xiàn)結(jié)冰問題，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）

作者簡介：田身軍（1981-），男，山東棗莊人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要研究方向：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋及曲通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。