曲轴箱通风系统结冰问题的解决

发布于 2021-04-01 14:11

近些年来，气候变化较大，上一年还是暖冬，下一年却是寒冬，不少汽车工程师们在黑河或者海拉尔的低温测试中苦苦挣扎，就为解决一个常见的问题——曲轴箱通风管路内或者附近区域有结冰现象。（见图1）

今天，小创为大家介绍一下如何解决这个问题。

图1 结冰现象

结冰现象往往发生在极低气温的环境下，而结冰的部位一般也不外乎这几处：

a. 曲轴箱通风管空滤一侧接头处；

b. 管路中间；

c. 空滤器干净管内壁。

比较严重的情况是，在车辆运行时就会慢慢结冰，并且往往是发动机负荷越大，结冰速度越快；还有部分情况是在车辆停止运行后开始结冰。

结冰后的影响有：发动机效率降低，车辆行驶时动力不足，严重时会有熄火，烧机油的情况；另外，对于涡轮增压的车型，冰渣碎屑脱落后可能会损坏涡轮增压器。

一般我们认为结冰的主要原因有两种：

a. 整车热管理影响——管路处于低温区域

b. 气流影响——冷热气流对冲导致结冰

曲轴箱通风管从缸盖罩通往空滤干净管，由缸盖罩排出的气体饱含水汽和油气。其中水汽内的水呈现气态或雾态，当它经过低温区域时，会冷凝为水滴，而曲通管内的流量不高，水滴很难迅速从低温区域流动到相对高温的区域。因此在低温的持续作用下，又凝固结冰。

因此当管路处于低温区域时，尤其是某一段处于非常低温的环境下，内部的水汽逐渐会结冰而堵住管路。

此外空滤侧进气的温度往往是比较低的，曲轴箱通风管与空滤器干净管的接口部位正是冷热空气交汇的地方，是水汽极易凝结的区域。同时接口部位结构比较复杂，有台阶、毛刺等能够阻碍冷凝水流动的结构，极易受冷结冰，一层一层地结冰。

以前北方的老司机有个土办法：天冷时把曲轴箱通风管拔掉。这样曲轴箱通风系统直接连通机舱内空气，由于出口处温度高于冰点，这就消除了结冰的条件。

但是这样做的话，会造成环境污染，排放超标。在国六排放法规实施以后，车辆诊断系统不允许这种行为的存在，一旦曲轴箱通风管被拔脱，车辆就会报警。

经过对多种案例的研究，我们在解决结冰问题时，一般有如下几种方案：

结冰部件靠近热源.
包裹保温材料.
三通方案.
结冰盒方案.
加热方案.

下面我们就这几种方案的具体应用分别进行阐述：

1. 结冰部件靠近热源

在设计初期，就将容易结冰的部件靠近热源，这样能有效减少结冰。例如图2所示，某款车型的PCV接口，有两款不同设计的干净管，上图种布置在远离发动机的位置，下图有结冰风险的车型，PCV管接头更靠近发动机位置。

这种方法结构简单，成本变化较小，因此得到了普遍运用。缺点是非常受限于布置空间，距离一旦稍远效果就会大打折扣，一般只能解决程度轻微的结冰。

图2 靠近热源案例

2. 在曲轴箱通风管上包裹保温材料

如图3所示，在曲轴箱通风管上包裹保温材料（一般为发泡海绵），也是普遍被采用的方案。通过保温材料，延缓管内水蒸气的冷却速度，既可以降低管内结冰的风险，也对管接头等末端未包覆的部位有所帮助。

当然，保温材料的作用也是有限的，其同样只能解决程度较轻的结冰。

图3 包覆EPDM护套的曲轴箱通风管

3. 结冰盒方案

在空滤干净管上设置一个容器，存储冷凝水/油，并使其在结冰盒内结冰，而非管接头。此方案在国内外很多主机厂已经成为标配，起到了较好的辅助作用。对于解决停车后的结冰效果较好。但同样只能解决程度较轻的结冰问题。结冰盒方案对于空间有一定要求，同时也增加了成本。

结冰盒的设计非常重要，一个好的结冰盒设计首先应该从实际工况出发，拥有足够储存水汽的空间。其次，结冰盒内需要能够引导气流，避免冷热空气的直接对冲，由此通过转移水汽和结冰位置方式改善结冰问题。

此外，结冰盒和管道的连接处，需要避免毛刺出现。

图4 带结冰盒的干净空气管

4. 三通方案

三通方案是在原有曲轴箱通风管基础上增加一个靠近热端（如涡轮增压器）的旁通管路出口（图5）。这个方案的优点在于，即使曲通管的主管路结冰堵住，旁通管路因非常靠近热源，始终保持畅通，因此能解决结冰带来的功率降低，熄火等影响。

图5 三通曲轴箱通风管

这个方案另辟蹊径，虽然没有解决结冰问题但巧妙的绕开了它，解决了结冰引发的发动机熄火烧机油等问题。

不过，这个方案无法避免主管道内结冰，管接头或空滤干净管内脱落的冰渣仍有可能被气流带动后击打到涡轮增压叶片并导致故障。而旁通的管路因过于靠近涡轮增压器，其内部的水汽如果太多，水滴冲击增压器，也会带来损坏增压器的风险。另外，此方案多了一根管路，因此需要更多空间实现车内布置。

总体来说，是一个颇为有效，但比较昂贵，且有一定风险的方案，需要考虑实际情况决定是否选用。

5. 加热方案

即，直接在管接头或管身内部或周围布置热源予以加热。一般有水加热和电加热等形式。

水加热方案见图6，左侧是水路的出入口布置案例，右侧是内部结构示意图。该方案将温度较高的冷却液引导至曲轴箱通风管接头内，能够使管接头迅速升温，有效防止结冰现象。但对于整车布置要求较多，需要增加多根管路，此外，水加热接头必须完全密封，并能耐高温，防水解。对材料要求较高，因此以前使用金属材质较多，近年来随着材料技术的发展，塑料材料性能提高，价格下探，逐渐切换采用塑料材料。

图6 水加热方案结构原理

由于水加热方案需要其他总成件的较多配合，布置上要求较高，比较复杂，因此更多的加热方案选用了电加热。

电加热根据防结冰位置的不同，一般分为管接头加热和管体加热两种。

管接头加热方案（图7）运用较多，它一般利用了PTC热敏电阻的特性。

图7 管接头热方案

PTC（Positive Temperature Coefficient）热敏电阻是一种正温度系数热敏电阻，随着它本身温度的升高，其电阻值呈现出阶跃性的增加，温度越高，电阻值越大（图8）。因此热敏电阻通电后产生热量，但随着温度升高电阻增大，电流变小，因此功率变小，电阻产生的热量变少，反之而随着电阻因散热而温度下降，使得电流变大，功率变大，产生热量又增多。最终散热和加热达到平衡，稳定在一个预设的温度范围内。