Система вентиляции картера двигателя внутреннего сгорания

Введение

Система для снижения давления в картере двигателя внутреннего сгорания. Система вентиляции картера (CVS) удаляет нежелательные газы из картера двигателя внутреннего сгорания. Система обычно состоит из трубки, обратного клапана и источника вакуума (например, впускного коллектора). Нежелательные газы, называемые "прорывом", – это газы из камеры сгорания, которые просочились мимо поршневых колец. В ранних двигателях эти газы выпускались в атмосферу, просто просачиваясь через уплотнения картера. Первой специализированной системой вентиляции картера была "трубка принудительной вентиляции", которая использовала частичный вакуум для отвода газов через трубку и выброса их в атмосферу. Системы положительной вентиляции картера (PCV) – впервые применённые во время Второй мировой войны и присутствующие на большинстве современных двигателей – направляют газы картера обратно в камеру сгорания в рамках системы контроля выбросов транспортных средств для снижения загрязнения воздуха. Двухтактные двигатели с компрессией в картере не нуждаются в системе вентиляции картера, поскольку в процессе нормальной работы двигателя газы из картера направляются в камеру сгорания.

Источник газов картерного корпуса

Продувка, как её часто называют, является результатом попадания продуктов сгорания из камеры сгорания мимо поршневых колец в картер. Эти газы, если их не отводить, неизбежно конденсируются и смешиваются с содержащимися в картере парами масла, образуя масляный шлам или разбавляя масло несгоревшим топливом. Кроме того, избыточное давление в картере может привести к утечкам моторного масла через сальники коленчатого вала и другие уплотнения и прокладки двигателя. Поэтому использование системы вентиляции картера является обязательным.

Атмосферная вентиляция

До начала 20-го века отработанные газы выходили из картера, просачиваясь через сальники и прокладки. Утечка масла из двигателя и его капание на землю считались нормальным явлением, как это было и с паровыми двигателями в предшествующие десятилетия. Прокладки и уплотнения вала предназначались для ограничения утечки масла, но обычно не предполагалось, что они полностью ее предотвращают. Отработанные газы диффундировали через масло, а затем просачивались через сальники и прокладки в атмосферу, вызывая загрязнение воздуха и неприятные запахи. Первым усовершенствованием в системе вентиляции картера стала дорожная трубка. Это труба, идущая от картера (или крышки клапанов в двигателях с верхним расположением клапанов) вниз к открытому концу, направленному вниз, расположенному в воздушном потоке транспортного средства. При движении автомобиля воздушный поток, обтекающий открытый конец трубки, создает разрежение ("тягу"), которое вытягивает газы из картера. Чтобы не допустить чрезмерного вакуума, отработанные газы заменяются свежим воздухом с помощью устройства, называемого клапаном-дыхателем. На медленно движущихся грузовиках и лодках часто отсутствовал подходящий воздушный поток для дорожной трубки. В таких ситуациях двигатели использовали избыточное давление в трубке дыхателя для выталкивания отработанных газов из картера. Поэтому воздухозаборник клапана-дыхателя часто располагался в воздушном потоке за охлаждающим вентилятором двигателя. В начале 1950-х годов профессор Ари Ян Хааген Смит установил, что загрязнение от автомобильных двигателей является основной причиной смога, наблюдаемого в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. В 1960 году был создан Совет по контролю за загрязнением автотранспорта штата Калифорния (предшественник Совета по воздушным ресурсам штата Калифорния), который начал исследования по предотвращению выброса отработанных газов непосредственно в атмосферу. Система PCV была разработана для рециркуляции газов во впускной коллектор, чтобы они смешивались со свежим воздухом/топливом и более полно сгорали. В 1961 году законодательство Калифорнии требовало, чтобы все новые автомобили оснащались системой PCV, что стало первым применением устройства контроля выбросов транспортных средств. Начиная с 1963 модельного года, большинство новых автомобилей, продаваемых в США, были оснащены такой системой по инициативе производителей, чтобы избежать необходимости выпускать различные версии автомобилей для каждого штата. Система PCV быстро стала стандартным оборудованием на всех транспортных средствах во всем мире благодаря своим преимуществам не только в снижении выбросов, но и в поддержании чистоты двигателя и увеличении срока службы масла. В 1967 году, спустя несколько лет после начала серийного производства, система PCV стала предметом расследования федерального жюри присяжных в США, когда некоторые критики отрасли утверждали, что Ассоциация производителей автомобилей (AMA) сговорилась держать на складе несколько устройств для снижения смога, чтобы отсрочить внедрение дополнительных мер по борьбе с ним. После восемнадцати месяцев расследования жюри присяжных вынесло решение "отклонить обвинение", оправдав AMA, но в результате было заключено соглашение, согласно которому все американские автомобильные компании согласились не сотрудничать в течение десяти лет в области контроля смога. В последующие десятилетия законодательство и регулирование выбросов транспортных средств значительно ужесточились. Большинство современных бензиновых двигателей по-прежнему используют системы PCV.

Until the early 20th century, blow by gases escaped from the crankcase by leaking through seals and gaskets. It was considered normal for oil to leak from an engine and drip onto the ground, as this had also been the case for steam engines in the decades before. Gaskets and shaft seals were intended to limit the leakage of oil, but they were usually not expected to entirely prevent it. The blow by gases would diffuse through the oil and then leak through the seals and gaskets into the atmosphere, causing air pollution and odors. The first refinement in crankcase ventilation was the road draught tube. This is a pipe running from the crankcase (or the valve cover on an overhead valve engine) down to a downwards facing open end located in the vehicle's slipstream. When the vehicle is moving, airflow across the open end of the tube creates suction (a "draught" or draft) that pulls gases out of the crankcase. To prevent too much vacuum being created, the blow by gases are replaced by fresh air using a device called a breather. On slow moving delivery vehicles and boats, there was often no suitable air slipstream for the road draught tube. In these situations, the engines used positive pressure at the breather tube to push blow by gases from the crankcase. Therefore, the breather air intake was often located in the airflow behind the engine's cooling fan. In the early 1950s, Professor Arie Jan Haagen Smit established that pollution from automobile engines was a major cause of the smog crisis being experienced in Los Angeles, California. The California Motor Vehicle Pollution Control Board (a precursor to the California Air Resources Board) was established in 1960 and began researching how to prevent blow by gases from being released directly into the atmosphere. The PCV system was designed to re circulate the gases into the air intake so that they could be combined with the fresh air/fuel and get more completely combusted. In 1961, California regulations required that all new cars be sold with a PCV system, therefore representing the first implementation of a vehicle emissions control device. Starting with the 1963 model year, most new cars sold in the U. S. were so equipped by voluntary industry action so as to avoid having to make multiple state specific versions of vehicles. PCV quickly became standard equipment on all vehicles worldwide because of its benefits not only in emissions reduction but also in engine internal cleanliness and oil lifespan. In 1967, several years after its introduction into production, the PCV system became the subject of a U. S. federal grand jury investigation, when it was alleged by some industry critics that the Automobile Manufacturers Association (AMA) was conspiring to keep several such smog reduction devices on the shelf to delay additional smog control. After eighteen months of investigation, the grand jury returned a "no bill" decision, clearing the AMA, but resulting in a consent decree that all U. S. automobile companies agreed not to work jointly on smog control activities for a period of ten years. In the decades since, legislation and regulation of vehicular emissions has tightened substantially. Most of today's gasoline engines continue to use PCV systems.

Дыхатель

Для того чтобы система рециркуляции картерных газов (PCV) отводила пары из картера, системе необходим источник свежего воздуха. Этот источник свежего воздуха – "вентиляция картера", которая обычно подсоединяется к воздушному фильтру двигателя или впускному коллектору. Вентиляция обычно оснащается лабиринтами и фильтрами для предотвращения попадания масляного тумана и паров на воздушный фильтр. Это явление можно дополнительно уменьшить, установив дополнительные маслоотделители или отстойники, как их часто называют, для извлечения масляного тумана из воздушного потока и сбора его в резервуар до того, как он достигнет впускного тракта. Правильно спроектированная вентиляция картера также должна быть сконструирована таким образом, чтобы способствовать эффекту продувки, то есть созданию разрежения внутри вентиляции картера для более эффективного удаления прорывных газов. Именно этот эффект поддерживает небольшое отрицательное давление в картере при исправной работе системы PCV.

Клапан PCV

Вакуум во впускном коллекторе подается в картер через клапан PCV. Поток воздуха через картер и внутреннюю полость двигателя удаляет газы, образующиеся в результате сгорания. Эта смесь воздуха и картерных газов затем выходит, часто через дополнительную простую перегородку, сетку или фильтр для исключения масляного тумана, через клапан PCV и попадает во впускной коллектор. В некоторых системах PCV эта масляная сепарация происходит в отдельной заменяемой детали, называемой «маслоотделителем». Продукты вторичного рынка, предназначенные для добавления внешней системы отвода масла в автомобили, которые изначально не были с ней оснащены, обычно известны как «масляные ловушки» или «отделители масла». Клапан PCV регулирует поток картерных газов, поступающих во впускную систему. На холостом ходу, при почти закрытой дроссельной заслонке, вакуум во впускном коллекторе высок, что может привести к всасыванию большого количества картерных газов и обеднению топливной смеси. Клапан PCV закрывается при высоком вакууме во впускном коллекторе, ограничивая количество картерных газов, поступающих во впускную систему. Когда двигатель работает под нагрузкой или на более высоких оборотах, образуется большее количество прорывных газов. В этих условиях вакуум во впускном коллекторе при полностью открытой дроссельной заслонке ниже, что приводит к открытию клапана PCV и потоку картерных газов во впускную систему. Более высокая скорость потока воздуха во впускном коллекторе в этих условиях позволяет добавлять большее количество прорывных газов во впускную систему без ухудшения работы двигателя. Открытие клапана PCV в этих условиях также компенсирует снижение эффективности всасывания картерных газов во впускную систему. Вторая функция клапана PCV – выступать в качестве искрогасителя и предотвращать попадание избыточного давления из впускной системы в картер. Это может произойти на турбированных двигателях или при обратном зажигании, и избыточное давление может повредить сальники и прокладки картера или даже вызвать взрыв картера. Поэтому клапан PCV закрывается при наличии избыточного давления, чтобы предотвратить его попадание в картер. Выход картерной вентиляции, где расположен клапан PCV, обычно размещается как можно дальше от картерного отверстия. Например, вентиляционное отверстие и выход часто находятся на противоположных крышках клапанов в V-образном двигателе или на противоположных концах крышки клапанов в рядном двигателе. Клапан PCV часто, но не всегда, устанавливается на крышке клапана; он может быть расположен в любом месте между выходом картерной вентиляции и впускным коллектором.

Intake manifold vacuum is applied to the crankcase via the PCV valve. The airflow through the crankcase and engine interior sweeps away combustion byproduct gases. This mixture of air and crankcase gases then exits, often via another simple baffle, screen, or mesh to exclude oil mist, through the PCV valve and into the intake manifold. On some PCV systems, this oil baffling takes place in a discrete replaceable part called the 'oil separator'. Aftermarket products sold to add an external oil baffling system to vehicles, which were not originally installed with them, are commonly known as "oil catch tanks". The PCV valve controls the flow of crankcase gases entering the intake system. At idle, with almost closed throttle, the manifold vacuum is high, which would draw in a large quantity of crankcase gases, causing the engine to run too lean. The PCV valve closes when the manifold vacuum is high, restricting the quantity of crankcase gases entering the intake system. When the engine is under load or operating at higher RPM, a higher quantity of blow by gases are produced. The intake manifold vacuum, with wide open throttle, is lower in these conditions, which causes the PCV valve to open and the crankcase gases flow to the intake system. The greater flow rate of intake air during these conditions means that a greater quantity of blow by gases can be added to the intake system without compromising the operation of the engine. The opening of the PCV valve during these conditions also compensates for the intake system being less effective at drawing crankcase gases into the intake system. A second function of the PCV valve is to act as a flame arrester and to prevent positive pressure from the intake system from entering the crankcase. This can happen on turbocharged engines or when a backfire takes place, and the positive pressure could damage the crankcase seals and gaskets, or even cause a crankcase explosion. The PCV valve therefore closes when positive pressure is present, to prevent it from reaching the crankcase. The crankcase air outlet, where the PCV valve is located, is generally placed as far as possible from the crankcase breather. For example, the breather and outlet are frequently on opposite valve covers on a V engine, or on opposite ends of the valve cover on an inline engine. The PCV valve is often, but not always, placed at the valve cover; it may be located anywhere between the crankcase air outlet and the inlet manifold.

Применение принудительной индукции

Клапан PCV приобретает еще более важную функцию в все более популярных приложениях с наддувом. Избыточное давление в картере возникает не только из-за прорыва газов мимо поршневых колец, но также может возникать, когда положительное давление из впускного коллектора попадает в картер. Как уже упоминалось, в транспортных средствах с системами наддува, такими как турбокомпрессоры или механические нагнетатели, впускной коллектор двигателя испытывает положительное давление под нагрузкой. Это отличается от атмосферных двигателей, где впускной коллектор остается в разрежении под нагрузкой. Таким образом, когда двигатель с наддувом находится под нагрузкой, впускной коллектор больше не может использоваться для отвода прорывных газов из картера, а вместо этого начинает усугублять проблему, повышая давление в картере. В этом случае задача клапана PCV – изолировать впускной коллектор и картер, когда впускной коллектор находится под давлением, и обеспечивать отвод прорывных газов из картера, когда впускной коллектор находится в разрежении. Помимо этой дополнительной роли, в двигателях с наддувом давление в цилиндрах значительно выше, а следовательно, больше прорывных газов попадает в картер, что делает полностью исправную систему PCV еще более важной.

Накопление углерода в системах всасывания

Накопление углерода во впускном коллекторе происходит, когда прорывающиеся газы постоянно загрязняют воздух, поступающий во впускной канал, из-за неисправности системы PCV.

Альтернативы

Двухтактные двигатели, использующие компрессию в картере, не нуждаются в системе вентиляции картера, поскольку все газы, находящиеся в картере, затем подаются в камеру сгорания. Многие небольшие четырехтактные двигатели, такие как двигатели для газонокосилок и электрогенераторов, просто используют трубку выпуска, подключенную к впускной системе. Эта трубка направляет все прорывающиеся газы обратно во впускную смесь и обычно располагается между воздушным фильтром и карбюратором. Двигатели с сухой системой смазки, используемые в некоторых драг-рейсинговых автомобилях, применяют откачивающие насосы для удаления масла и газов из картера. Сепаратор отделяет масло, после чего газы подаются в выхлопную систему через вентилейную трубку. Эта система поддерживает небольшое разрежение в картере и минимизирует количество масла в двигателе, которое потенциально может вытечь на гоночную трассу.