壓力測量在曲軸箱通風系統(tǒng)故障診斷中的應用

0 引言

曲軸箱通風系統(tǒng)是目前在發(fā)動機上廣泛應用的一項技術，其可以防止因竄氣導致的曲軸箱壓力過高，延長機油使用性能和壽命

。隨著現(xiàn)代發(fā)動機技術的不斷進步，越來越多的進排氣技術應用于汽油發(fā)動機上，導致曲軸箱通風系統(tǒng)的故障診斷變得愈發(fā)困難。筆者以寶馬某新款發(fā)動機為例說明曲軸箱通風系統(tǒng)的基本結構及原理并分析常見故障原因，闡述曲軸箱壓力測量方法及應用。

1 曲軸箱通風系統(tǒng)結構及原理

發(fā)動機工作時，燃燒室中一些未燃燒的燃油蒸汽和微粒機油沿著活塞環(huán)與氣缸壁間的空隙進入曲軸空間內，形成有害的竄氣

。曲軸箱內的竄氣量主要由發(fā)動機的負荷和轉速決定，隨著發(fā)動機轉速和負荷的提升，竄氣量逐漸增加，導致曲軸箱壓力升高。嚴重時會使發(fā)動機密封性下降，機油從曲軸油封、曲軸箱襯墊等處滲漏。另外，有害竄氣在曲軸箱內與油霧形式的發(fā)動機油混合，導致機油變質，使用性能和壽命下降，造成發(fā)動機異常磨損。因此現(xiàn)代發(fā)動機中廣泛采用曲軸箱通風裝置阻止這種情況的出現(xiàn)。

在寶馬某新款發(fā)動機中采用了集成式氣缸蓋罩，曲軸箱通風的所有部件以及氣道均采用集成方式。其結構主要包括油氣分離器、調壓閥、集氣室、單向閥等，如圖1所示。由于該款發(fā)動機配備有渦輪增壓器和全可變氣門升程機構(Valvetronic)，發(fā)動機在不同負荷時，進氣道中壓力會隨著渦輪增壓器工作而改變。因此曲軸箱通風系統(tǒng)分為兩部分，不同工況下通過不同通道進行曲軸箱通風，系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，即增壓運行模式和自吸運行模式。

曲軸箱通風系統(tǒng)在自吸模式下，發(fā)動機處于怠速及滑行的低負荷狀態(tài)，節(jié)氣門幾乎處于關閉狀態(tài)，節(jié)氣門后方的進氣歧管產生真空。在該真空作用下，增壓空氣進氣管路通道內的單向閥15關閉，氣缸蓋罩泄露氣體通道內的單向閥18打開并通過調壓閥17抽吸竄氣

，竄氣被直接引導進氣門前，最終進入燃燒室參與燃燒。竄氣在經過油氣分離器3時，可使其分離出機油并以油滴形式通過機油回流管路10流回油底殼內，如圖2所示。

隨著發(fā)動機負荷增加，發(fā)動機的全可變氣門升程機構通過氣門升程角度調節(jié)進氣量，發(fā)動機節(jié)氣門幾乎處于全部打開狀態(tài)(免節(jié)氣門調節(jié))。另外發(fā)動機渦輪增壓器11工作，節(jié)氣門后方進氣歧管2中存在較大過壓，無法將竄氣輸引導至進氣歧管內。為此，氣缸蓋罩氣體通道內的單向閥18在壓力作用下關閉，防止曲軸箱出現(xiàn)過壓

。而此時，渦輪增壓器11與空氣濾清器1之間的增壓空氣進氣管路13存在一定真空度，該真空壓力足以打開單向閥15直接抽吸竄氣，如圖3。渦輪增壓進氣道中只產生較低真空壓力，對曲軸箱內部壓力影響不大，無需進行限制，因此竄氣會繞過調壓閥17，直接進入增壓空氣管路。與自吸模式一樣，竄氣在經過油氣分離器3時，從中分離出機油油霧并使其以油滴形式流回油底殼內。

2 曲軸箱通風系統(tǒng)常見故障分析

2.1 調壓閥機械損壞

由于調壓閥在大多數(shù)工況下一直運行，調壓閥常常會產生機械損壞，如膜片破裂、調壓閥卡滯等。如果膜片出現(xiàn)破損，調壓閥外部空氣通過破損的膜片被抽吸入發(fā)動機，導致在膜片破裂處產生嘯叫聲。嚴重時，伴有混合氣調教故障，發(fā)動機排放故障燈亮。

為了避免曲軸箱中產生過壓，通過調壓閥對曲軸箱內中壓力進行調節(jié)。發(fā)動機在怠速或車輛滑行時，此時發(fā)動機轉速和荷較較小，竄氣量少，因此施加在膜片外側的大氣壓力和進氣歧管內負壓共同克服彈簧力使閥門關閉(圖4a)。隨著發(fā)動機負荷和轉速的逐步提高(此時渦輪增壓器仍未有效工作)，發(fā)動機竄氣增加，曲軸箱內壓力增大，施加在膜片內側的相對真空壓力減小(圖4b)。壓力彈簧克服大氣壓力和進氣歧管內負壓使閥門重新開啟，直至合力重新達到平衡狀態(tài)(圖4c)。在調節(jié)過程中，調壓閥膜片受到大氣壓力，曲軸箱竄氣壓力，進氣歧管真空吸力，以及機械彈簧四者相互作用。竄氣越多，膜片內側承受的相對真空壓力就越小，調壓閥開啟程度就越大，這樣可使曲軸箱內始終保持規(guī)定的真空壓力。

3.1 廠家長期提供配件或技術，與當?shù)鼐S修網點就定點維修及“三包”售后服務達成代理協(xié)議，三級網點逐步向二級以上綜合維修網點發(fā)展，向專業(yè)技術含量高、專業(yè)性強的方向發(fā)展，向農機4S店方向發(fā)展，形成產、銷、修結合服務一體化。

2.2 油氣分離器堵塞

綜上，在曲軸箱通風系統(tǒng)故障中無論是調壓閥還是油氣分離器故障都會導致曲軸箱中壓力失衡，出現(xiàn)真空度過大或者過壓。因此為曲軸箱內壓力變化，可以用來鑒別曲軸箱通風系統(tǒng)內部故障。

過多的油泥會使油氣分離器中出現(xiàn)堵塞，導致其功能失效，無法徹底分離燃油蒸汽和機油，導致發(fā)動機機油消耗量增加，甚至渦輪增壓器增壓空氣管中會出現(xiàn)機油。堵塞的油氣分離器，由于通氣不暢，同樣也會使曲軸箱內部壓力會上升。

該款發(fā)動機曲軸箱通風系統(tǒng)采用離心式油氣分離器，從曲軸箱抽吸的竄氣以油霧形式在油氣分離器氣旋結構內高速旋轉。由于離心力作用，較重的機油沉積在氣旋壁上并凝結成液滴，沿著回油管滴落至油底殼；而較輕的燃油混合氣則從氣旋中部處吸出，最終進入燃燒室參與燃燒。

3 曲軸箱壓力測量方法及應用

曲軸箱壓力測量中使用到設備及專用工具包括，機油加注口適配器，低耐壓軟管(Φ9.1 mm /Φ4.0 mm )和一臺IMIB(Intergrated Measurement Interface Box，集成式測量接口盒)，見圖5。IMIB具備雙通道萬用表，多通道數(shù)字式存儲示波器、多項激勵功能、計數(shù)器等功能。在壓力測量中使用萬用表DMM功能，該功能中提供2個通道，通道1默認測量電壓(AC/DC)、電流和電阻，通道2默認測量電壓。此外兩個通道均可連接測電鉗、溫度傳感器、壓力傳感器等進行特殊測量。1-適配器，2-低耐壓軟管，3-IMIB

3.1 測試步驟

e.啟動發(fā)動機，暖機至怠速轉速，讀取IMIB讀數(shù)，保存數(shù)據(jù)并打印結果。

b.打開機油加注口蓋，裝上適配器并擰緊；

c.使用低耐壓軟管連接適配器連接與IMIB；

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調壓閥如果機械卡滯于關閉位置，曲軸箱內竄氣無法引導至進氣歧管，曲軸箱內壓力過大，嚴重時可能會導致發(fā)動機前后油封密封性下降，發(fā)生機油泄露 。如果調壓閥卡滯于開啟位置，曲軸箱竄氣通道與進氣歧管一直連通，曲軸箱內壓力下降，嚴重時同樣會導致發(fā)動機前后油封密封性下降。

d.打開IMIB萬用表DMM功能，激活通道DMM1、通道DMM2，傳感器選擇壓力P；

a.檢測機油液位，確保發(fā)動機機油液位正常；

3.2 測量結果分析

IMIB測量讀數(shù)中通道1為曲軸箱內部壓力，通道2為環(huán)境大氣壓力。由于調壓閥的作用，該款發(fā)動機正常情況下，曲軸箱內部壓力略小于環(huán)境大氣壓力，相對真空度約30±10mbar，見圖6。通過將通道1和通道2數(shù)據(jù)流與標準值比較，即可對曲軸箱系統(tǒng)進行故障分析。

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曲軸箱壓力與環(huán)境壓力之間的差值，為曲軸箱系統(tǒng)的相對真空度。當真空度大于技術文件中的標準值時，說明曲軸箱內壓力偏小。故障原因可能是調壓閥機械損害，卡滯于常開位置，曲軸箱與進氣歧管連通。當故障診斷中呈現(xiàn)出類似數(shù)據(jù)流時，應重點觀察曲軸前后油封的密封性，并仔細辨別是否伴有抽吸異響，進而確認故障。

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當曲軸箱壓力大于環(huán)境壓力時，即曲軸箱出現(xiàn)過壓，說明油氣分離器可能堵塞或者調壓閥機械卡滯在關閉位置。油氣分析器堵塞會導致竄氣分離不徹底，可以進一步檢測渦輪增壓器進氣管中是否存在機油進而判斷是否為油氣分離器堵塞。

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曲軸箱壓力測量時，由于氣候及地理位置的改變，環(huán)境氣壓也會發(fā)生變化，因此不能只關注曲軸箱壓力數(shù)據(jù)，應該同時觀察環(huán)境壓力值，以相對真空度作為判斷標準。另外，不同發(fā)動機曲軸箱結構設計不盡相同，曲軸箱通風系統(tǒng)相對真空度標準數(shù)值也略有不同，故障診斷時可以參考維修文件中的標準技術數(shù)據(jù)。

4 結語

曲軸箱通風系統(tǒng)是發(fā)動機進排氣系統(tǒng)中重要的組成部分，由于發(fā)動機使用和保養(yǎng)不當，常常會出現(xiàn)油氣分離器內部通道堵塞、調壓閥橡膠膜片老化、破裂或者彈簧彈性不足等故障。當發(fā)生故障時，均會引起曲軸箱系統(tǒng)內部壓力的變化。使用壓力傳感器進行曲軸箱系統(tǒng)壓力測量，通過IMIB中DMM雙通道功能可以直觀對比曲軸箱壓力和環(huán)境壓力，分析相對真空度數(shù)據(jù)，快速診斷故障原因。避免了繁瑣機械拆裝，提高了工作效率。因此，壓力測量為發(fā)動機曲軸箱通風系統(tǒng)的故障診斷提供以了一種新的診斷方法。

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