2.8 曲轴箱通风系统

2.8.1 设计策略与原则

汽油机在运行过程中，气缸中的少量混合气（燃烧废气、未燃气体、机油、水蒸气等混合物）通过活塞环与缸孔间隙、活塞环环槽间隙、气门与气门导管间隙等位置漏入曲轴箱内形成混合气体。曲轴箱通风系统（简称曲通系统）是发动机呼吸系统的组成部分，负责调节曲轴箱内压力，确保满足法规要求，也负责将上述窜气从曲轴箱通过通气管路等引入进气系统，重新参与燃烧，防止其直接排入大气污染环境；也可避免窜气中的碳氢化合物与机油反应产生变质和沉淀，影响机油的润滑性能；同时，分离窜气中的机油颗粒使其回流到曲轴箱内，避免机油过度消耗。

汽油机曲通系统按照结构来说，一般由压力调节阀、油气分离腔/装置、加热/保温装置和连接管路四部分组成。

曲通系统主要应遵从以下设计原则：

1）控制曲轴箱压力在合理范围内。随着目前排放法规越来越严格，曲通系统不能将活塞窜气直接排入大气。需保证曲轴箱压力保持在略低于大气压的水平，以满足排放法规要求。压力过高还会造成油封等密封结构失效、机油泄漏等问题。

2）控制窜气在油气分离后的机油携带量在合理范围内。曲通系统的油气分离装置在设计时，要求分离效率高，确保经过分离后的窜气中机油含量极低，甚至在1.5倍活塞漏气量工况下也不出现异常。

3）控制曲轴箱白色泡沫，避免寒冷季节出现白色泡沫。一般要求发动机在设定的低温环境试验工况下，发动机内曲轴箱壁面及曲通管路上的白色泡沫处于合理范围。

4）避免管路结冰导致系统故障。保持结冰量处于合理范围，不能堵塞管路引起发动机故障。

结合上述设计原则，曲通系统可按照表2-18的需求与策略进行设计。

2.8.2 基于属性需求的设计

现代高效率、大功率发动机在设计曲通系统时应着重考虑满足排放要求，一方面系统设计需保证发动机工作过程中曲轴箱压力保持在非正压，避免窜气排入大气影响排放，另一方面从提高曲通系统的油气分离效率着手，避免引入过多的机油成分参与燃烧、影响排放。曲通系统设计还要考虑规避极端环境下内部出现过多白色泡沫和曲通管路结冰问题。

随着乘用车节能环保要求的不断提高、油耗排放法规的加严，对曲通系统有严格的排放法规要求。表2-19展示了GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中曲轴箱污染物排放试验（Ⅲ型试验）要求的测试工况。

上述工况法规要求曲轴箱压力不能出现正压。

对于曲轴箱压力的控制，首先考虑压力源的选择和调整。一般选择空滤器管作为压力源，通过空滤器管流动阻力分析，在空滤器管上选择合适的曲通管连接位置，来获取合适的真空度，该位置应具有压力波动小，不易污染其他管路及连接管路的优点。其次考虑选用合适的压力调节阀，压力调节阀的形式分为柱塞式阀和膜片式阀，它们可根据阀前后压力差，动态调节通气量，尤其是膜片阀具有调压后压力稳定和系统布置简单的特点。图2-67为膜片式压力调节阀的特性曲线图。

油气分离腔/装置有多种结构形式，汽油发动机常见的有旋风式油气分离器和挡板式油气分离器，其他诸如碟式、电动分离器等运用较少。图2-68是常见的旋风式和挡板式分离器，它们虽然分离效率不高，但由于结构简单、可靠性高，可小型化地串联或并联放置在气缸体或缸盖罩等部件中。

为了提高曲通系统的油气分离效率，需开展油气分离腔/装置CFD分析，得到油气分离腔/装置的流动阻力，以及气体运动规律和各进口的流量分配、油滴分布情况，由此调整油气分离腔/装置结构（包括进气口面积和朝向、回油孔位置和大小、分离挡板的位置和孔参数等），使得流动阻力更小、分离效率更高。

随着增压机型的广泛运用，活塞漏气量增大，这对分离能力提出了更高的要求。在设计分离器时，更注重它们的灵活运用，图2-69所示是挡板式分离的组合应用，由金属板组装或塑料件注塑而成。在左侧的入口处设置了条状和单层多孔挡板，吸附较大机油油滴，在中部设置了错开的双层多孔挡板，吸附较小的机油油滴，在出口设置了较大的沉淀腔，利用气流减速沉降机油油滴，所有油滴通过底板上开槽流入回油槽，回流到曲轴箱。该方式结构简单，可靠性高，成本低，具有阻力小、分离效率较高的优点。

为适应发动机新技术、新能源汽车带来的新挑战，极端场景下的应用也越来越多，在冬季极冷环境下，以及混合动力汽车发动机长时间在低温工况下运行时，内部出现白色泡沫和曲通管路结冰的风险在增加。曲通系统合理设计对于防止这些风险的产生很重要，特别是针对环境温度低于-35°C的地区。通过曲通管路和油气分离系统的温度场分析，能详细直观地得到低温情况下，曲通管路和曲通系统内的温度变化情况，判断其结冰和乳化等问题出现的可能性，确定是否需要对曲通管路设置辅助加热装置或者优化布置采用机体内部管路等措施。如判断有结冰风险，可设计加热装置，通过电加热或水加热方式对通气管与空滤器接口部位进行加热，如图2-70所示。