某車型PCV閥異響問題分析

黃定雄,周朝軍

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545000)

0 引言

自然吸氣發動機PCV閥連接發動機曲軸箱與進氣歧管,其作用是控制曲軸箱內氣體流入進氣歧管的流量,保證曲軸箱壓力處于設計范圍內。如果PCV閥在車輛使用過程中出現故障,無法有效控制曲軸箱內氣體流出的流量,將會導致曲軸箱內氣體攜帶大量機油油霧進入進氣歧管并與新鮮空氣混合后進入氣缸中燃燒,發動機機油消耗量大量增加的同時發動機排放大幅超標,嚴重時甚至會引起發動機異常磨損,所以車輛PCV閥一旦出現異常問題需要及時分析排查并解決。

1 問題概述

某車型發動機使用如圖2所示結構的PCV閥,在車輛處于發動機怠速運轉并開啟空調的工況時,PCV閥處出現“滋滋”摩擦聲異響,關閉空調后該異響消失。使用TESTLAB對噪聲音頻進行分析,音頻濾波后的情況如圖1所示。

圖1 噪聲音頻濾波處理圖示

圖2 PCV閥結構示意圖

1.1 PCV閥說明

1.1.1 PCV閥結構說明

圖2為該車型使用的PCV閥結構示意圖,PCV閥下殼體安裝在發動機側,上殼體通過管路與進氣歧管連接,PCV閥工作過程中曲軸箱內氣體通過閥芯與擋圈之間的間隙流向進氣歧管。

1.1.2 PCV閥工作原理說明

發動機在不同工況下運行時,進氣歧管與曲軸箱內的壓力會隨之變化,引起PCV閥閥芯兩端吸力發生變化,閥芯會隨壓力變化運動到不同位置。由于PCV閥閥芯各處的直徑不同,PCV閥閥芯和擋圈間的間隙會隨著閥芯位置變化而變化,使曲軸箱內的氣體通過PCV閥的流量發生變化,最終達到控制曲軸箱壓力的目的。PCV閥的流量特性曲線如圖3所示。

圖3 PCV閥流量特性曲線

2 問題分析

根據PCV閥內部結構及其工作原理,在發動機工作過程中,PCV閥內部可能的運動部件為閥芯、彈簧、緩沖彈簧。

2.1 PCV閥芯受力分析

在發動機工作時,PCV閥閥芯會根據發動機工況的變化運動,該車型PCV閥與水平方向成θ角安裝在發動機上。當閥芯未接觸緩沖彈簧時,對閥芯的受力情況進行分析,如圖4所示。

圖4 閥芯受力示意圖

由于PCV閥閥芯受力平衡,根據力的平衡方程:

F1=F2+f+mgcosθ

(1)

式中:m—PCV閥重量;f—彈簧彈力;F1—進氣歧管端負壓對閥芯的吸力;F2—曲軸箱內負壓對閥芯的吸力。

在發動機試驗臺架測量發動機在怠速運行時進氣歧管壓力及曲軸箱壓力值變化情況,結果如圖5所示。

圖5 怠速工況下PCV閥兩端壓力情況

測量結果表明,發動機在怠速工況運行時,進氣歧管壓力及曲軸箱壓力均處于不斷變化的狀態,而且進氣歧管內壓力波動值明顯大于曲軸箱內壓力值。結合公式(1)可知,在發動機怠速運行時,作用在閥芯上的力F1、F2均在不斷變化,為了維持受力平衡,則彈簧彈力f會不斷變化,即PCV閥彈簧長度會不斷變化,由此證明PCV閥閥芯在發動機怠速工況下會在一定范圍內不斷運動。

2.2 PCV閥內氣體流速分析

由PCV閥的工作原理可知,曲軸箱內氣體通過PCV閥芯和擋圈之間的間隙流向進氣歧管,

考查氣體在PCV閥內的流速,使用Hyperworks軟件進行CFD分析。根據PCV閥氣體流通空間的大小建立計算模型,如圖6所示。

圖6 PCV閥內部氣體流速計算模型

CFD相關計算參數如表1所示,分別計算PCV閥兩端壓差為50 kPa、55 kPa、60 kPa情況下PCV閥中氣體的流速分布情況,結果如圖7所示。

圖7 不同壓差PCV閥中氣體流速分布情況

CFD計算結果表明,當PCV閥兩端壓差分別為50 kPa、55 kPa、60 kPa時,PCV閥中氣體最大流速分別為308.98 m/s、316.8 m/s、343.94 m/s,當壓差越大,最大流速越大且最大流速點均處于PCV閥閥芯與擋圈間的間隙處。

以上分析可知,怠速工況下PCV閥兩端氣體壓力差大,氣體通過PCV閥與擋圈間的間隙流速大。由于PCV閥安裝角度及自身重力等原因,PCV閥閥芯與擋圈間的間隙不均勻,氣體流過時會造成該處閥芯兩端受力不均勻,在沒有限位設計時氣流會引起閥芯的擺動,閥芯不斷擺動時會與擋圈有接觸從而出現異響。

2.3 緩沖彈簧設計分析

如圖2所示,該車型PCV閥有緩沖彈簧設計,緩沖彈簧的作用是在怠速或低負荷工況下,在閥芯運動到接近閥頂端時對閥芯產生限位作用,避免PCV閥閥芯受氣流作用擺動。根據PCV閥內部零件尺寸,可計算PCV閥接觸到緩沖彈簧所需要的壓力。

根據壓強公式和胡克定律:

F1=P1×S

F2=P2×S

f=-kx

則公式(1)可轉換為

P1×S=P2×S+kx+mgcosθ

(2)

式中:P1—進氣歧管端壓力;P2—曲軸箱內壓力;S—PCV閥閥芯理論受壓力作用面積;k—彈簧彈性系數;x—彈簧壓縮量。

對故障車輛PCV閥相關尺寸進行測量,可測出閥芯運動到緩沖彈簧的距離,該距離即為x,將相關測量值代入公式(2)后可知,當PCV閥閥芯與緩沖彈簧接觸時,P1為53 kPa。即當進氣歧管壓力小于或等于-53 kPa時,閥芯與緩沖彈簧接觸;當進氣歧管壓力大于-53 kPa時,閥芯與緩沖彈簧沒有接觸,緩沖彈簧無法對閥芯起到限位作用。

2.4 進氣歧管壓力分析

在車輛故障工況下監控發動機進氣歧管壓力,結果如圖8所示,曲線為進氣歧管壓力曲線,矩形波為空調壓縮機啟動信號線,其中壓力數值為絕對壓力。當車輛發動機怠速運行且不開空調時,進氣歧管內絕對壓力值在39 kPa左右波動,當車輛空調開啟后進氣歧管內絕對壓力在50 kPa左右波動。

圖8 故障工況下進氣歧管內壓力值

將進氣歧管壓力轉換為相對壓力,大氣壓按101 kPa計算,車輛發動機怠速且車輛不開空調時,進氣歧管相對壓力約為-62 kPa,開空調后進氣歧管相對壓力約為-51 kPa。

綜合以上分析及相關計算結果表明,故障車輛在發動機怠速運行時,PCV閥閥芯與緩沖彈簧接觸,此時,PCV閥沒有異響,打開空調后PCV閥閥芯脫離了緩沖彈簧,PCV閥出現了異響。

3 分析驗證

為了驗證PCV閥閥芯接觸緩沖彈簧與異響間的關系,在故障車上進行PCV閥改進驗證試驗。驗證方法是在保證PCV閥性能及其他零件尺寸不變的前提下將緩沖彈簧長度加長,并調整緩沖彈簧彈性系數,保證PCV閥的流量特性在設計值范圍內。緩沖彈簧加長后,PCV閥閥芯與緩沖彈簧接觸的壓力由原有的-53 kPa提升為-43 kPa。在PCV閥試驗臺架上進行聲強測試對比,數據如表2所示。

表2 緩沖彈簧改進后聲強對比

將改進件裝到原故障車上進行驗證,車輛怠速開空調時,PCV閥無異響出現。使用TESTLAB對噪聲音頻進行分析,音頻濾波后的情況如圖9所示,相對于原噪聲音頻圖有明顯改善。

圖9 改進件音頻濾波處理圖示

4 結論

本文對PCV閥閥芯在發動機怠速運行過程中受力及運動等情況進行分析,指出該PCV閥異響問題產生的原因,并通過改進PCV閥進行了實車驗證。相關結論如下:

1)怠速工況下,該車型PCV閥兩端壓力差不斷變化;

2)怠速工況下,該車型曲軸箱內氣體在PCV閥芯與擋圈間的流速高;

3)該車型在怠速開空調工況下PCV閥緩沖彈簧與閥芯沒有接觸;

4)該車PCV閥異響來源于閥芯與擋圈間的碰撞摩擦;

5)通過PCV閥緩沖彈簧設計優化可以消除該異響。