Система вентиляции картера ( CVS ) удаляет нежелательные газы из картера двигателя внутреннего сгорания . Система обычно состоит из трубки, одностороннего клапана и источника вакуума (например, впускного коллектора ).
Нежелательные газы, называемые «прорывными», — это газы из камеры сгорания, которые просочились через поршневые кольца . Ранние двигатели выпускали эти газы в атмосферу просто путем утечки их через уплотнения картера. Первой специальной системой вентиляции картера была «дорожная тяговая труба», которая использовала частичный вакуум для втягивания газов через трубу и выпуска их в атмосферу. Системы принудительной вентиляции картера (PCV) — впервые использованные во Второй мировой войне и присутствующие в большинстве современных двигателей — отправляют картерные газы обратно в камеру сгорания в рамках контроля выбросов транспортного средства , чтобы уменьшить загрязнение воздуха.
Двухтактные двигатели с компрессионной конструкцией картера не нуждаются в системе вентиляции картера, поскольку нормальная работа двигателя подразумевает направление картерных газов в камеру сгорания.
Прорыв картера, как его часто называют, является результатом сгорания материала из камеры сгорания "продува" мимо поршневых колец в картер. Эти прорывные газы, если их не вентилировать, неизбежно конденсируются и соединяются с парами масла, присутствующими в картере, образуя масляный шлам . Избыточное давление в картере может также привести к утечкам моторного масла через уплотнения коленчатого вала и другие уплотнения и прокладки двигателя. Поэтому становится обязательным использование системы вентиляции картера.
До начала 20 века картерные газы выходили из картера через уплотнения и прокладки. Считалось нормальным, что масло вытекало из двигателя и капало на землю, как это было и с паровыми двигателями за десятилетия до этого. Прокладки и уплотнения вала были предназначены для ограничения утечки масла, но обычно не ожидалось, что они полностью ее предотвратят. Картерные газы диффундировали через масло, а затем просачивались через уплотнения и прокладки в атмосферу, вызывая загрязнение воздуха и запахи.
Первым усовершенствованием вентиляции картера стала трубка дорожной тяги . Это трубка, идущая от картера (или крышки клапана на двигателе с верхним расположением клапанов) вниз к обращенному вниз открытому концу, расположенному в воздушном потоке транспортного средства . Когда транспортное средство движется, поток воздуха через открытый конец трубки создает всасывание («тягу» или тягу), которое вытягивает газы из картера. Чтобы предотвратить создание слишком большого вакуума, картерные газы заменяются свежим воздухом с помощью устройства, называемого сапуном . [ 1] Сапун часто располагается в масляной крышке. Многие сапуны имели чашку или черпак и располагались в воздушном потоке вентилятора радиатора двигателя. Этот тип системы называется типом «давление-всасывание», и воздух нагнетается в черпак сапуна и под действием вакуума вытягивается трубкой дорожной тяги. Другой тип, используемый в качестве всасывающего типа, использовался в двигателях VW Porsche с воздушным охлаждением, в которых передний шкив картера имеет встроенный обратный винт, который подает воздух в двигатель, а воздух выходит из картера через дорожную вытяжную трубу. Эта система очень хорошо работает, избавляясь от паров картера, которые вредны для двигателя. Как и в более ранних двигателях, система дорожной вытяжной трубы также создавала загрязнение и неприятные запахи. [1] Тяговая труба могла засориться снегом или льдом, в этом случае давление в картере увеличивалось и приводило к утечкам масла и выходу из строя прокладки. [2]
На медленно движущихся транспортных средствах доставки и лодках часто не было подходящего воздушного потока для дорожной тяговой трубы. В таких ситуациях двигатели использовали положительное давление в дыхательной трубе для выталкивания картерных газов из картера. Поэтому воздухозаборник дыхательной трубы часто располагался в воздушном потоке позади вентилятора охлаждения двигателя. [1] Картерные газы выходили в атмосферу через тяговую трубу.
Хотя современная цель системы принудительной вентиляции картера ( PCV ) заключается в снижении загрязнения воздуха, изначально ее целью было обеспечить работу двигателя под водой без попадания воды. Первые системы PCV были построены во время Второй мировой войны, чтобы обеспечить работу танковых двигателей во время глубоких бродов , где обычный вентилятор с вытяжной трубой позволил бы воде попасть в картер и разрушить двигатель. [3]
В начале 1950-х годов профессор Ари Ян Хааген-Смит установил, что загрязнение от автомобильных двигателей было основной причиной смогового кризиса, который испытывал Лос-Анджелес, Калифорния. [4] Калифорнийский совет по контролю за загрязнением автотранспортных средств (предшественник Калифорнийского совета по воздушным ресурсам ) был создан в 1960 году и начал исследовать, как предотвратить выброс картерных газов непосредственно в атмосферу. [5] Система PCV была разработана для рециркуляции газов в воздухозаборник, чтобы они могли смешиваться со свежим воздухом/топливом и более полно сгорать. В 1961 году калифорнийские правила потребовали, чтобы все новые автомобили продавались с системой PCV, таким образом представляя собой первую реализацию устройства контроля выбросов транспортного средства . [6]
Начиная с 1963 модельного года, большинство новых автомобилей, продаваемых в США, были оснащены таким образом в результате добровольных действий промышленности, чтобы избежать необходимости выпускать несколько версий транспортных средств для конкретных штатов. PCV быстро стала стандартным оборудованием на всех транспортных средствах по всему миру из-за своих преимуществ не только в снижении выбросов, но и в чистоте двигателя и сроке службы масла. [1] [7]
В 1967 году, через несколько лет после внедрения в производство, система PCV стала предметом расследования большого жюри присяжных США, когда некоторые критики отрасли заявили, что Ассоциация производителей автомобилей (AMA) сговаривалась держать несколько таких устройств по снижению смога на полке, чтобы отсрочить дополнительный контроль над смогом. После восемнадцати месяцев расследования большое жюри вынесло решение «без законопроекта», оправдав AMA, но в результате вынесло постановление о согласии , что все автомобильные компании США согласились не работать совместно над мероприятиями по контролю над смогом в течение десяти лет. [8]
В последующие десятилетия законодательство и регулирование выбросов транспортных средств существенно ужесточилось. Большинство современных бензиновых двигателей продолжают использовать системы PCV.
Для того чтобы система PCV могла вытягивать пары из картера, в системе должен быть источник свежего воздуха. Источником этого свежего воздуха является «сапун картера», который обычно выводится из воздушного фильтра или впускного коллектора двигателя. Сапун обычно снабжен перегородками и фильтрами для предотвращения загрязнения воздушного фильтра масляным туманом и паром. Это явление можно еще больше уменьшить, установив масляные сепараторы или улавливающие банки , как их называют в просторечии, для извлечения масляного тумана из суспензии и сбора его в резервуаре до того, как он достигнет впуска. Правильно спроектированный сапун картера также будет спроектирован таким образом, чтобы способствовать эффекту продувки или созданию всасывания внутри сапуна картера для дальнейшего удаления картерных газов. Именно этот эффект поддерживает картер при слегка отрицательном давлении, когда правильно функционирует система PCV. [9]
Вакуум впускного коллектора подается на картер через клапан PCV. Воздушный поток через картер и внутреннюю часть двигателя уносит побочные газы сгорания. Затем эта смесь воздуха и картерных газов выходит, часто через другой простой дефлектор, экран или сетку, чтобы исключить масляный туман , через клапан PCV и во впускной коллектор. В некоторых системах PCV это масляное дефлекторирование происходит в дискретной сменной части, называемой «масляным сепаратором». Продукты вторичного рынка, продаваемые для добавления внешней системы масляного дефлектора к транспортным средствам, которые изначально не были установлены с ними, обычно известны как « масляные ловушки ».
Клапан PCV контролирует поток картерных газов, поступающих в систему впуска. На холостом ходу, при почти закрытой дроссельной заслонке, вакуум в коллекторе высок, что может втянуть большое количество картерных газов, заставляя двигатель работать на слишком бедной смеси. Клапан PCV закрывается, когда вакуум в коллекторе высок, ограничивая количество картерных газов, поступающих в систему впуска. [12]
Когда двигатель находится под нагрузкой или работает на более высоких оборотах, образуется большее количество картерных газов. Вакуум во впускном коллекторе при широко открытой дроссельной заслонке в этих условиях ниже, что приводит к открытию клапана PCV и потоку картерных газов во впускную систему. [13] Более высокий расход всасываемого воздуха в этих условиях означает, что большее количество картерных газов может быть добавлено в впускную систему без ущерба для работы двигателя. Открытие клапана PCV в этих условиях также компенсирует меньшую эффективность впускной системы при втягивании картерных газов во впускную систему.
Вторая функция клапана PCV — действовать как пламегаситель и предотвращать попадание положительного давления из впускной системы в картер. Это может произойти на двигателях с турбонаддувом или при обратном ударе , а положительное давление может повредить уплотнения и прокладки картера или даже вызвать взрыв картера. Поэтому клапан PCV закрывается при наличии положительного давления, чтобы не допустить его попадания в картер.
Выпускное отверстие картера, где расположен клапан PCV, обычно размещается как можно дальше от сапуна картера. Например, сапун и выпускное отверстие часто находятся на противоположных крышках клапанов на V-образном двигателе или на противоположных концах крышки клапанов на рядном двигателе . Клапан PCV часто, но не всегда, размещается на крышке клапанов; он может располагаться в любом месте между выпускным отверстием картера и впускным коллектором.
Клапан PCV приобретает еще более важную функцию в более популярных приложениях с принудительной индукцией. Избыточное давление в картере будет возникать не только из-за выхода картерных газов через поршневые кольца, но также может быть введено, когда положительное давление из впускного коллектора попадает в картер. Как уже упоминалось ранее, в транспортных средствах с системами принудительной индукции, такими как турбокомпрессоры или нагнетатели , впускной коллектор двигателя испытывает положительное давление под нагрузкой. Это отличается от приложений с естественным всасыванием, где впускной коллектор будет оставаться в вакууме под нагрузкой. Таким образом, когда двигатель с принудительной индукцией находится под нагрузкой, впускной коллектор больше не может использоваться для отвода картерных газов из картера и вместо этого начнет усугублять проблему, увеличивая давление в картере. Затем задача клапана PCV заключается в том, чтобы изолировать впускной коллектор и картер, когда впускной коллектор находится под давлением, и обеспечить поток картерных газов из картера, когда впускной коллектор находится под вакуумом. В дополнение к этой дополнительной роли, в наддувных системах давление в цилиндрах намного выше, и, следовательно, больше картерных газов выталкивается в картер, что делает полностью функциональную систему PCV еще более важной. [14] [15] [16]
Накопление углерода во впускном коллекторе происходит, когда картерные газы постоянно загрязняют всасываемый воздух из-за неисправности системы PCV. [12]
Накопление углерода или масляный шлам от картерных газов на впускных клапанах обычно не являются проблемой в двигателях с впрыском во впускные каналы. Это связано с тем, что топливо попадает на впускные клапаны по пути в камеру сгорания, позволяя моющим средствам в топливе поддерживать их в чистоте. Однако накопление углерода на впускных клапанах является проблемой только для двигателей с непосредственным впрыском, поскольку топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Из-за этого очистители топливной системы или топливные присадки, добавляемые в бак, не помогут очистить эти отложения. Методы очистки этих отложений включают распыление очистителя через впуск или прямую очистку впускных клапанов. [17]
Двухтактные двигатели, использующие сжатие картера , не нуждаются в системе вентиляции картера, поскольку все газы внутри картера затем подаются в камеру сгорания.
Многие небольшие четырехтактные двигатели, такие как двигатели газонокосилок и электрогенераторы, просто используют вытяжную трубу, соединенную с системой впуска. Вытяжная труба направляет все картерные газы обратно во впускную смесь и обычно расположена между воздушным фильтром и карбюратором .
Двигатели с сухим картером в некоторых гоночных автомобилях используют продувочные насосы для извлечения масла и газов из картера. [18] Сепаратор удаляет масло, затем газы подаются в выхлопную систему через трубку Вентури . [ требуется цитата ] . Эта система поддерживает небольшое количество вакуума в картере и сводит к минимуму количество масла в двигателе, которое потенциально может пролиться на гоночную трассу. [19]