淺談曲軸箱通風(fēng)管路的技術(shù)方案選型

趙俊男　朱云波　羅慶東　李永純　郭夢夢

摘 要：為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)能夠滿足法規(guī)要求，通過對排放法規(guī)的解讀，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，為每個曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線。在平衡相沖突的整車目標(biāo)與成本后，確定每個曲軸箱通風(fēng)管路的最優(yōu)設(shè)計方案，同時為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計也奠定了扎實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：國六排放法規(guī) 曲軸箱通風(fēng)管路 OBD監(jiān)測 方案選型

Technical Scheme Selection of Crankcase Ventilation Pipeline

Zhao Junnan，Zhu Yunbo，Luo Qingdong，Li Yongchun，Guo Mengmeng

Abstract：In order to ensure that the crankcase ventilation system can meet the regulatory requirements， through the interpretation of emission regulations and combined with the working principle of crankcase ventilation system， the corresponding technical route is selected for each crankcase ventilation pipeline. After balancing the conflicting vehicle objectives and costs， the optimal design scheme of each crankcase ventilation pipeline is determined， which also lays a solid foundation for the subsequent detailed design.

Key words：national six emission regulations， crankcase ventilation pipeline， OBD monitoring， scheme selection

1 引言

隨著國內(nèi)排放法規(guī)的升級，國六階段標(biāo)準(zhǔn)要求對曲軸箱通風(fēng)（PCV）系統(tǒng)進行監(jiān)控。對于曲軸箱通風(fēng)管路來說，作為發(fā)動機曲軸箱與進氣系統(tǒng)之間的連接通道，不僅保證氣體流通順暢，而且必須保證連接可靠，監(jiān)測管路斷開故障，避免造成油氣污染。

2 法規(guī)解讀

國六階段排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016自2020年7月1日起正式實施，相比于國五階段增加對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)測要求。在標(biāo)準(zhǔn)中J.4.9.2.2規(guī)定：如果曲軸箱與PCV閥，或者PCV閥與進氣歧管之間斷開連接，OBD系統(tǒng)應(yīng)檢測出故障。同時，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定以下幾種情況，經(jīng)主管機構(gòu)同意，可以申請法規(guī)豁免，允許生產(chǎn)企業(yè)不檢測PCV與曲軸箱的連接斷開故障。

（1）自然吸氣發(fā)動機的新鮮空氣補氣管;（2）PCV閥用專用工具才能拆卸的螺栓固定在曲軸箱上的方案;（3）增壓發(fā)動機新鮮空氣補氣管，如果采用單向閥，并且單向閥直接固定在曲軸箱上，且不易拆卸（參照PCV閥要求）;（4）在考慮老化影響的情況下，整個系統(tǒng)拆卸更為困難，除了要有特殊連接設(shè)計外，大力無法斷開;（5）為了安全設(shè)計的過壓保護閥;（6）在怠速時斷開PCV閥，車輛立即熄火;（7）PCV閥和進氣歧管之間的連接不會斷開，采用發(fā)動機內(nèi)部通道方式。

法規(guī)的初衷是避免售后更換、維修時，漏裝曲軸箱通風(fēng)管管路及其連接接頭，造成油氣污染。

3 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)主要由發(fā)動機、油氣分離器和通風(fēng)管路等部件組成，對于自然吸氣式和增壓式發(fā)動機而言，由于進氣結(jié)構(gòu)和壓力的不同，所以曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的原理也有所區(qū)別。

3.1 自然吸氣式發(fā)動機

整車進氣系統(tǒng)空濾后壓力>發(fā)動機曲軸箱壓力>進氣歧管壓力，PCV閥受進氣歧管負(fù)壓抽吸開啟，曲軸箱竄氣通過進氣側(cè)管路進入燃燒室，重新參與燃燒，新鮮空氣通過排氣側(cè)管路向曲軸箱內(nèi)補氣，如圖1所示。

3.2 增壓式發(fā)動機

曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)分為兩種結(jié)構(gòu)，其中一種是曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）既是通風(fēng)通道，又是補氣通道;另一種是曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）只是通風(fēng)通道，系統(tǒng)有單獨的補氣通道。

對于第一種曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)來說，在部分負(fù)荷工況時，此時空濾后壓力>曲軸箱壓力>進氣歧管壓力，PCV閥受進氣歧管負(fù)壓抽吸開啟，曲軸箱竄氣通過進氣側(cè)管路進入燃燒室重新參與燃燒，新鮮空氣通過排氣側(cè)管路向曲軸箱內(nèi)補氣。

在高負(fù)荷工況時，此時增壓器介入工作，進氣歧管內(nèi)為正壓，PCV閥反向止通，曲軸箱壓力>整車空濾后壓力，曲軸箱竄氣通過排氣側(cè)管路進入整車空濾后進氣管路，最終進入燃燒室參與燃燒，如圖2所示。

對于第二種曲軸箱通風(fēng)管系統(tǒng)來說，在小負(fù)荷工況：當(dāng)進氣歧管在負(fù)壓時，空濾后壓力接近大氣壓，此時：空濾后壓力>曲軸箱壓力>進氣歧管壓力，曲軸箱內(nèi)廢氣通過缸蓋內(nèi)部通道進入燃燒室?？諡V后管路上曲軸箱通風(fēng)管連接位置有單向閥，氣流無法通過曲軸箱通風(fēng)管進入曲軸箱內(nèi)，只能通過空濾后管路上補氣管連接位置，經(jīng)過補氣管和發(fā)動機氣門室罩蓋上的單向閥進入曲軸箱內(nèi)進行補氣。

在大負(fù)荷工況：進氣歧管在正壓時（增壓器啟動），此時壓力為：進氣歧管壓力>曲軸箱壓力>空濾后壓力，曲軸箱內(nèi)廢氣通過曲軸箱通風(fēng)管進入空濾后管路，最終進入燃燒室。由于曲軸箱壓力大于空濾后壓力，此時無法對曲軸箱進行補氣，但是發(fā)動機氣門室罩蓋上有單向閥，氣體也無法逆流通過補氣管進入空濾后管路。同時，油氣分離器上有單向閥，進氣歧管氣體不能進入曲軸箱內(nèi)，如圖3所示。

4 曲軸箱通風(fēng)管路的技術(shù)方案選型

4.1 技術(shù)路線

為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)滿足國六法規(guī)OBD監(jiān)測策略，曲軸箱通風(fēng)管路主要分為兩種技術(shù)路線：

（1）診斷法式結(jié)構(gòu)：為曲軸箱通風(fēng)管路增加在線診斷斷開故障的裝置;（2）豁免式結(jié)構(gòu)：設(shè)計符合法規(guī)豁免情況的曲軸箱通風(fēng)管路。

根據(jù)我司已量產(chǎn)的曲軸箱通風(fēng)管路設(shè)計方案，診斷法式結(jié)構(gòu)主要分為空氣流量傳感器式診斷法、壓力傳感器式診斷法和導(dǎo)電管式診斷法。

空氣流量傳感器式診斷法是在怠速工況時，當(dāng)斷開曲軸箱通風(fēng)管路的任意一端時，測得的空氣質(zhì)量流量與估算的空氣質(zhì)量流量之間的差值，大于故障限值，此時可報出空氣流量傳感器故障，從而監(jiān)測管路故障，如圖4所示。

壓力傳感器式診斷法是在怠速工況時，當(dāng)斷開曲軸箱通風(fēng)管路的任意一端時，怠速實際轉(zhuǎn)速會高于目標(biāo)轉(zhuǎn)速+200rpm/min，或進氣壓力超過模型上限D(zhuǎn)PTPSRMX（可標(biāo)定），此時可報出高怠速故障LLRmax或進氣壓力不合理故障PRSPmax，從而監(jiān)測管路故障，如圖5所示。

導(dǎo)電管式診斷法的診斷原理如下：在曲軸箱通風(fēng)管路外部增加金屬導(dǎo)線，連接固定在通風(fēng)管上的配對端接頭，并從接頭處引出導(dǎo)線進入ECU。當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路中的任何地方發(fā)生斷開（包括管路兩端接插件），則會造成該電路斷路，從而被EMS 系統(tǒng)檢測出故障，并報出故障碼，圖6分別表示導(dǎo)電管式診斷法電路原理圖。

如圖6所示，RECU為ECU內(nèi)部上拉電阻;Rpipe為導(dǎo)線內(nèi)阻。當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路未發(fā)生斷開故障時，整個電路導(dǎo)通。此時，ECU回讀到Rpipe的電壓值2.5V;當(dāng)曲軸箱通風(fēng)管路發(fā)生斷開故障時，將會導(dǎo)致導(dǎo)線回路斷開。此時，ECU回讀到的電壓值為5V。因此，根據(jù)ECU回讀到的電壓值即可診斷出高負(fù)荷通風(fēng)管路是否斷開。如果ECU回讀到的電壓值大于診斷閾值，經(jīng)過一定時間的延時，則診斷出曲軸箱通風(fēng)管路斷開故障，如圖7所示。

豁免式結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)路線是采用不可拆卸式的快插接頭來實現(xiàn)豁免，簡稱不可拆卸式結(jié)構(gòu)。以我司某款不可拆卸式曲軸箱通風(fēng)管為例，采用尼龍管+兩端不可拆卸式快插接頭結(jié)構(gòu)。不可拆卸的結(jié)構(gòu)原理是快插接頭通過焊接蓋帽封堵主體窗口，不設(shè)置解鎖按鈕，防止裝配后可以解鎖，在焊接蓋帽四側(cè)留有割槽，用于方便螺絲刀伸入，撬開蓋帽，形成簡易破壞性拆卸，拆卸后蓋帽無法再裝配到主體窗口上，如圖9所示。尼龍管與快插接頭采用過盈壓裝方式裝配，接頭上的反倒刺結(jié)構(gòu)增加兩者之間的拔脫力，無法大力斷開。

綜上所述，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，分別為每個曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線，如表1所示。

4.2 方案選型

對于自然吸氣式發(fā)動機來說，根據(jù)所選的技術(shù)路線，曲軸箱通風(fēng)管管路通常有橡膠管+卡箍和尼龍管+快插接頭兩種方案，在滿足系統(tǒng)目標(biāo)前提下，選擇一種成本最優(yōu)的方案。

對于增壓式發(fā)動機來說，曲軸箱通風(fēng)管（進氣歧管側(cè)）和曲軸箱補氣管選型方案，與自然吸氣式發(fā)動機的管路方案一致，選擇一種目標(biāo)與成本相平衡的方案。而曲軸箱通風(fēng)管（空濾側(cè)）主要采用空氣流量傳感器式診斷法、壓力傳感器式診斷法、導(dǎo)電管式診斷法和不可拆卸式結(jié)構(gòu)四種技術(shù)路線，下面分別介紹每一種技術(shù)路線具體實施方案：

（1）空氣流量傳感器式診斷法：如果進氣系統(tǒng)有空氣流量傳感器，只需要進行與發(fā)動機參數(shù)相關(guān)的ECU標(biāo)定工作，否則需要增加空氣流量傳感器，該技術(shù)路線的管路通常有橡膠管+卡箍和尼龍管+快插接頭兩種方案。此方案診斷精確，管路成本低，ECU標(biāo)定工作量大，與發(fā)動機參數(shù)強相關(guān)。

（2）壓力傳感器式診斷法：需要在曲軸箱通風(fēng)管管路上增加壓力傳感器，再進行與發(fā)動機參數(shù)相關(guān)的ECU標(biāo)定工作，而管路通常選擇尼龍管+快插接頭方案。該方案診斷精確，管路成本略高，布置要求復(fù)雜，ECU標(biāo)定工作量大。

（3）導(dǎo)電管式診斷法：采用導(dǎo)電診斷式快插接頭+尼龍管/橡膠管方案，再進行簡單地ECU標(biāo)定工作，此方案管路組成復(fù)雜，單件成本較高，不依賴于發(fā)動機具體參數(shù)，ECU標(biāo)定內(nèi)容少，存在誤診斷現(xiàn)象。

（4）不可拆卸式結(jié)構(gòu)：采用不可拆卸式快插接頭+尼龍管/橡膠管方案，不需ECU標(biāo)定工作，該方案管路結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)和單價成本低，不涉及ECU標(biāo)定，與發(fā)動機參數(shù)無關(guān)，但需破壞性拆卸，維修成本高。

在方案選型流程中，應(yīng)該盡早確定技術(shù)路線，盡可能的實現(xiàn)滿足法規(guī)豁免情況，從整車屬性、功能和成本等領(lǐng)域獲得目標(biāo)和功能需求，在平衡相沖突的目標(biāo)與成本后，提出可行的解決方案，所選擇的方案能夠?qū)崿F(xiàn)平衡的整車目標(biāo)，并代表客戶期望的需求。

5 結(jié)語

本文通過對排放法規(guī)國六階段的解讀，結(jié)合曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作原理，為每個曲軸箱通風(fēng)管路選擇相應(yīng)的技術(shù)路線。在平衡相沖突的目標(biāo)與成本后，可以根據(jù)實際需求和每個方案的特點來選擇每個曲軸箱通風(fēng)管路的最優(yōu)設(shè)計方案，不僅保證為了保證曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)滿足國六法規(guī)OBD監(jiān)測策略，而且為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計奠定了扎實的基礎(chǔ)。

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