现代发动机曲轴箱通风系统设计研究

图 9 双旋风油气分离结构的示意图
b、叠片式油气分离结构 图 10 是一款重型柴油机采用叠片式油气分离 结构的示意图，其原理是通过高压机油驱动叠片高 速旋转，当油气进入高速旋转的叠片内部后，质量 较大的液滴因受到巨大的离心力而被甩出，从而实 现油滴与气体的分离。
图 10 叠片式油气分离结构示意图
由于叠片式油气分离结构分离原理主要是依靠 高转速形成的离心力，因此分离效率主要与叠片转 速相关，分离效率与转速的对应关系如图 11 所示， 从图中可以看出随着转速的提升，分离效率逐渐 提高。
同通风通道设计相似，取气口位置选择对于油 气分离装置分离效果有着重要的影响。如果取气口 选择在机油浓度高的区域，大量的液态机油就会随 着曲轴箱气体一同进入到油气分离装置中，此时， 即使油气分离装置分离效率高，也很难满足要求； 反之，如果取气口处于机油浓度低的区域，曲轴箱 气体中的含油量就相对小，能够极大降低油气分离 装置设计难度。 2. 6 防结冰设计
为防止曲轴箱窜气造成曲轴箱内压力异常，影响 整机性能及可靠性，由于曲轴箱内存在大量的机油液 滴，会随着发动机窜气一起排出曲轴箱，从而造成机 油消耗量增加并污染环境，因此必须进行控制。
曲轴箱通风系统主要功能是将曲轴箱混合气中 的油进行分离，分离后的机油回到曲轴箱，同时要 保证曲轴箱压力控制在合理的范围。
曲轴箱通风系统主要结构形式分为开式及闭式 两种。分离后的气体直接排入大气称为开式曲轴箱 通风系统，其优点是结构简单、成本低，但不可避 免的对环境造成一定的污染。目前国家排放标准没 有强制要求压燃式内燃机必须采用闭式曲轴箱通风 系统，出于对整机性能、可靠性及成本的考虑现有 国内柴油发动机多数采用开式系统，典型系统组成 如图 1 所示。
粗分离部分多为迷宫形式 （ 布置在气缸盖罩 盖内） ； 精分离部分多为螺旋或多级旋风形式。但 近几年在现代发动机开发中 Downsize 的趋势对曲 轴箱通风系统提出了巨大的挑战，所以粗、精分离 部分及膜片式压力调节阀集成 （ 模块化） 已是普 遍应用。
2. 2. 1 油气分离技术分类 目前油气分离技术主要分为两类： ① 通过流动能量实现油气分离： 迷宫式、螺 旋式、旋风式、金属丝网、纤维过滤； 这些分离技术在一汽自主发动机上得到了广泛 应用 ② 需要外部辅助动力实现油气分离： 叠片式 分离、静电分离。 2. 2. 2 油气分离装置的评价准则 一般对于油气分离技术主要从分离效率和阻力 两方面进行评价。图 8〔2〕显示的是不同油气分离形 式，分离效率、阻力的对比；
为了满足不同环境使用需求，需要在曲轴箱通 风系统设计过程中考虑防结冰设计。目前主要解决 方案包括使用冷却系统循环水加热以及增加电加热 装置。
2. 6. 1 冷却系统循环水加热 冷却系统循环水加热方案主要优点在于不需要 额外消耗能量，但其管路设计复杂，可靠性差，因 此，通常应用在汽油机上。典型系统构成如图 18 所示。
图 13 PCV 流量特性与漏气量关系
度、曲轴箱压力及弹簧力三者之间的平衡实现压力 控制，计算公式如下：
F弹簧 = F进气管 + F曲轴箱 = P进气管 × A1 + P曲轴箱 × A2
注： A1 － 进气管真空度作用面积 A2 － 曲轴箱 压力作用面积 P 进气管 － 进气管真空度 P 曲轴箱 － 曲轴箱压力 具体如图 14 所示
图 6 纵向通风面积对摩擦功影响
b. 纵向通风通道对机油含量影响 如果曲轴箱内气体流速过高，会将更大直径的 机油液滴带入混合气体中，从而使曲轴箱气体中的 机油浓度增加，因此，曲轴箱内气体流速直接影响 气体内的机油含量，必须保证相邻两缸曲轴箱之间 有足够的流通面积。 2. 1. 2 垂直通风通道 垂直通风通道是指将发动机曲轴箱内的气体输送 到缸盖上部的通风通道，设计时应主要注意曲轴箱通 风通道与机油回油道需要尽量分开，如图 7 所示。
图 8 不同分离形式对比
同时，从上图还可以看出叠片式分离技术效率 高、阻力 小，是 未 来 油 气 分 离 技 术 的 主 要 发 展 方向。
2. 2. 3 典型油气分离结构设计 a、双旋风油气分离结构 图 9 是一款 V6 发动机采用双旋风油气分离结 构的示意图，其原理是： 曲轴箱气体切向进入旋风 式分离腔并在其内高速旋转，由于离心力的作用使 油滴分离并回流到机油盘。
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现代发动机曲轴箱通风系统设计研究
Design and Ｒesearch of Cranleshaft Box System
柳国立 刘正勇 韩俊楠 张 蒙 吴贵荣
（ 中国第一汽车集团公司）
〔摘要〕 近年来，随着排放法规的升级以及发动机可靠性能力提高，对曲轴箱通风系统设 计提出巨大的挑战，主要表现为： ①对于柴油机，为了降低曲轴箱排放物对环境的污染，闭式曲 轴箱通风系统成为必然趋势； ②对于汽油机，随着发动机强化程度提高 （ 尤其是增压直喷发动 机） ，同排量发动机漏气量急剧增加，但对曲轴箱通风系统机油携出量、曲轴箱压力都提出了更 加严格的要求，从而造成系统设计难度大幅提升。
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垂直通风通道设计同样影响到气体中的机油含 量，如果回油与通风通道没有分开，就会导致气体 中含油量增加，加剧油气分离器的负担； 相反，如 果回油与通风通道彻底分开，气体中含油量会由于 重力作用一定程度减少，有利于油气分离。 2. 2 油气分离装置
油气分离装置是曲轴箱通风系统重要组成部 分，主要有粗分离、精分离两部分组成。
图 4 纵向通风通道
a. 纵向通风通道对整机摩擦功影响 由于活塞在曲轴箱内的往返运动造成各缸纵向 通风通道空间在不断的变化，在活塞下行过程中会 不断压缩曲轴箱内的气体，进而受到压缩的气体推 动油底壳内的机油液面释放能量，导致机油液面波
图 7 垂直通风通道
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内燃机与配件
2014 年第 12 期
① 曲轴箱内气体流速过快，造成油气分离及 回油系统失效，机油消耗量异常；
② 机油标尺及油封等密封部位漏气，造成发 动机性能下降，甚至引起发动机早磨。
因此，合理的设计压力调节阀对于整个闭式曲 轴箱通风系统与整机的匹配有着重要的意义。
压力调节阀主要应用于闭式曲轴箱通风系统。 按结构形式划分主要有柱塞式及膜片式两种形式。
2. 1. 1 纵向通风通道 纵向通风通道是指相邻两缸之间用于气体流动 的空间，如图 4 所示。纵向通风通道设计直接影响 到整机摩擦功以及曲轴箱气体内的机油含量。
图 5 曲轴箱压力波动
为了减低活塞下行过程中，各缸纵向通风面积 减小对摩擦功的影响，需要增加各缸之间的纵向通 风通道，其主要作用是平衡各缸之间曲轴箱内部压 力，防止在某一缸下行过程中对曲轴箱内部气体的 压缩，降低由于曲轴箱通风所造成的摩擦损失，不 同转速下，各缸之间的纵向通风面积与摩擦损失关 系如图 6〔1〕。
会导致油气分离装置分离出的机油无法回到曲轴箱 内，随着运转时间的增加，机油积累到一定程度就 会从出油口喷出，导致曲轴箱通风系统失效，因此 回油高度设计是曲轴箱通风系统设计的核心内容。
为了满足回油功能，通常的设计方案包括： ① 单独设计回油通道，将回油出口直接设计 到机油液面以下； ② 根据虹吸原理，设计 “J” 型管结构，具体 结构如图 15 所示。
wk.baidu.com由于曲轴箱气体中含有大量的水蒸气成分，因 此在寒区存在曲轴箱通风系统结冰的问题，如图 17 所示。
2 曲轴箱通风系统设计
为保证曲轴箱通风系统能够满足整机要求，设 计过程中主要应该考虑曲轴箱通风通道设计 （ 纵 向、垂直…） 、油气分离装置设计、压力调节装置 设计、回油系统设计、取气口位置设计以及防结冰 功能设计等六方面因素。 2. 1 曲轴箱通风通道设计
曲轴箱通风通道主要由纵向通风通道以及垂直 通风通道两部分组成。
图 1 开式曲轴箱通风系统示意图
图 2 闭式曲轴箱通风系统示意图
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内燃机与配件
2014 年第 12 期
动，整机摩擦功增大，与此同时，曲轴箱箱内部压 力波动剧烈，如图 5〔1〕所示，根据不同发动机设计 水平，该波动值最大能够超过 ± 0. 1bar。
图 3 故障模式
为了应对排放法规以及新型发动机开发对曲轴 箱通风系统设计带来的挑战，近年来越来越多的学 者加 入 到 了 曲 轴 箱 通 风 系 统 的 研 究 中 来，系 统 CAE 仿真及新型高效油气分离技术的研究取得到 了长足的进步，为进一步完善曲轴箱通风系统设计 提供了支撑。
在进行回油系统设计时，主要考虑回油高度与 系统阻力之间的平衡，具体计算公式如下：
Lmin = ΔP / （ ρxg）
注： Lmin － 最小回油高度 ΔP － 系统阻力 ρ － 机 油密度 g － 重力加速度
为了能够保证回油顺畅，在发动机不同工况下 回油高度 L 必须大于 Lmin。当回油高度小于 Lmin时，
图 16 单向阀及储油腔结构
此外，在回油系统设计过程中还需要注意以下 方面：
① 回油系统应该保证足够大的流通面积，使 分离出的机油及时回到曲轴箱；
② 考虑不同车型发动机的安装位置 （ 纵置、 横置…） ；
③ 考虑整车允许的最大倾斜角度对回油高度 的影响。 2. 5 取气口设计
缸体、罩盖上曲轴箱通风出口的位置，应当设 计在气体流动速度低而且油气已被预分离的区域。
A1 面积决定最大漏气量时压力调节阀的阻力， A1、A2 面积比决定曲轴箱压力的变化范围。
现代发动机通用化、集成化程度越来越高，柱 塞式压力调节阀属于流量控制，对发动机漏气量比 较敏感，通用化率低，逐渐被膜片式压力调节阀 取代。 2. 4 回油系统设计
回油系统主要功能是将油气分离器分离出的油 滴返回到曲轴箱内。为了保证上述功能的实现，首 先需要明确回油高度的概念。回油高度是指在发动 机运行工况下，油滴能够充满回油通道的垂直距离。
分离后的气体进入进气系统重新参加燃烧称为 闭式曲轴箱通风系统，系统简图如图 2 所示。其优 点是能实现曲轴箱污染物零排放，但结构复杂、成
本高，如果曲轴箱通风系统与整机不匹配，导致机 油消耗量增加 （ 活塞、喷油器及火花塞积碳，严 重时造成发动机爆震） ； 增 压 器、中 冷 器 性 能 下 降，故障模式如图 3 所示。
本文基于一汽自主发动机开发过程中积累的大量经验，对曲轴箱通风系统设计过程中所采用 的通风通道设计技术、油气分离及回油技术、曲轴箱压力控制技术及 CAE 模拟分析技术等进行 了详细论述。
〔关键词〕 发动机 曲轴箱通风系统 设计研究
1 概述
发动机在工作过程中燃烧室内气体不可避免的 要从活塞环窜入曲轴箱，其主要成分包括已燃烧的 气体、未燃烧的气体及水蒸气等。
图 11 分离效率与转速关系
2. 3 压力调节阀设计 开式曲轴箱通风系统，曲轴箱压力主要取决于
通风系统阻力，通过优化系统阻力即能实现曲轴箱 压力设计目标，无需额外的压力调节装置。但闭式 曲轴箱通风系统由于发动机负荷不同，导致进气管 真空度变化范围大，此时如果不进行压力调节，曲 轴箱压力会随进气管真空度剧烈变化。虽然曲轴箱 负压可以减小活塞下行阻力，对发动机摩擦功有一 定好处，但曲轴箱压力过低会导致：
图 14 膜片式压力调节阀
2. 3. 2 膜片式压力调节阀 膜片式压力调节阀广泛应用于汽油机及柴油机 闭式曲轴箱通风系统，由膜片、膜片衬板、弹簧以 及壳体四部分组成，其工作原理是通过进气管真空
图 15 “J” 型管结构
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③ 受空间限值，回油高度无法满足要求时， 在回油系统中增加单向阀及储油腔结构，具体结构 如图 16 所示。
2. 3. 1 柱塞式压力调节阀 柱塞式压力调节阀主要应用于早期汽油机闭式 曲轴箱通风系统，由弹簧、节流板、柱塞以及壳体 四部分组成，见图 12。
图 12 柱塞式压力调节阀
由于进气管真空度的作用，柱塞压缩弹簧改变 节流板流通面积实现压力调节，也就是在不同进气 管真空度作用下，通过柱塞式压力调节装置控制曲 轴箱窜气进入进气系统的流量实现压力控制，如图 13 所示。所以柱塞式压力调节阀的流量特性与发 动机窜气量对应关系决定曲轴箱压力的控制水平。