某车型PCV阀异响问题分析

摘 要：对某车型发动机PCV阀总成结构及其内部零件受力情况进行分析,计算PCV阀内部气体流速,确定该车型在怠速开空调工况下PCV阀异响的原因,并通过PCV阀改进试验进行问题验证。

引言

自然吸气发动机PCV阀连接发动机曲轴箱与进气歧管,其作用是控制曲轴箱内气体流入进气歧管的流量,保证曲轴箱压力处于设计范围内。如果PCV阀在车辆使用过程中出现故障,无法有效控制曲轴箱内气体流出的流量,将会导致曲轴箱内气体携带大量机油油雾进入进气歧管并与新鲜空气混合后进入气缸中燃烧,发动机机油消耗量大量增加的同时发动机排放大幅超标,严重时甚至会引起发动机异常磨损,所以车辆PCV阀一旦出现异常问题需要及时分析排查并解决。

1 问题概述

某车型发动机使用如图2所示结构的PCV阀,在车辆处于发动机怠速运转并开启空调的工况时,PCV阀处出现“滋滋”摩擦声异响,关闭空调后该异响消失。使用TESTLAB对噪声音频进行分析,音频滤波后的情况如图1所示。

图1 噪声音频滤波处理图示

图2 PCV阀结构示意图

1.1 PCV阀说明

1.1.1 PCV阀结构说明

图2为该车型使用的PCV阀结构示意图,PCV阀下壳体安装在发动机侧,上壳体通过管路与进气歧管连接,PCV阀工作过程中曲轴箱内气体通过阀芯与挡圈之间的间隙流向进气歧管。

1.1.2 PCV阀工作原理说明

发动机在不同工况下运行时,进气歧管与曲轴箱内的压力会随之变化,引起PCV阀阀芯两端吸力发生变化,阀芯会随压力变化运动到不同位置。由于PCV阀阀芯各处的直径不同,PCV阀阀芯和挡圈间的间隙会随着阀芯位置变化而变化,使曲轴箱内的气体通过PCV阀的流量发生变化,最终达到控制曲轴箱压力的目的。PCV阀的流量特性曲线如图3所示。

图3 PCV阀流量特性曲线

2 问题分析

根据PCV阀内部结构及其工作原理,在发动机工作过程中,PCV阀内部可能的运动部件为阀芯、弹簧、缓冲弹簧。

2.1 PCV阀芯受力分析

在发动机工作时,PCV阀阀芯会根据发动机工况的变化运动,该车型PCV阀与水平方向成θ角安装在发动机上。当阀芯未接触缓冲弹簧时,对阀芯的受力情况进行分析,如图4所示。

图4 阀芯受力示意图

由于PCV阀阀芯受力平衡,根据力的平衡方程:

F1=F2+f+mgcosθ

式中:m—PCV阀重量;f—弹簧弹力;F1—进气歧管端负压对阀芯的吸力;F2—曲轴箱内负压对阀芯的吸力。

在发动机试验台架测量发动机在怠速运行时进气歧管压力及曲轴箱压力值变化情况,结果如图5所示。

图5 怠速工况下PCV阀两端压力情况

测量结果表明,发动机在怠速工况运行时,进气歧管压力及曲轴箱压力均处于不断变化的状态,而且进气歧管内压力波动值明显大于曲轴箱内压力值。结合公式(1)可知,在发动机怠速运行时,作用在阀芯上的力F1、F2均在不断变化,为了维持受力平衡,则弹簧弹力f会不断变化,即PCV阀弹簧长度会不断变化,由此证明PCV阀阀芯在发动机怠速工况下会在一定范围内不断运动。

2.2 PCV阀内气体流速分析

由PCV阀的工作原理可知,曲轴箱内气体通过PCV阀芯和挡圈之间的间隙流向进气歧管,考查气体在PCV阀内的流速,使用Hyperworks软件进行CFD分析。根据PCV阀气体流通空间的大小建立计算模型,如图6所示。

图6 PCV阀内部气体流速计算模型

CFD相关计算参数如表1所示,分别计算PCV阀两端压差为50 kPa、55 kPa、60 kPa情况下PCV阀中气体的流速分布情况,结果如图7所示。

表1 CFD计算相关参数

图7 不同压差PCV阀中气体流速分布情况

CFD计算结果表明,当PCV阀两端压差分别为50 kPa、55 kPa、60 kPa时,PCV阀中气体最大流速分别为308.98 m/s、316.8 m/s、343.94 m/s,当压差越大,最大流速越大且最大流速点均处于PCV阀阀芯与挡圈间的间隙处。

以上分析可知,怠速工况下PCV阀两端气体压力差大,气体通过PCV阀与挡圈间的间隙流速大。由于PCV阀安装角度及自身重力等原因,PCV阀阀芯与挡圈间的间隙不均匀,气体流过时会造成该处阀芯两端受力不均匀,在没有限位设计时气流会引起阀芯的摆动,阀芯不断摆动时会与挡圈有接触从而出现异响。

2.3 缓冲弹簧设计分析

如图2所示,该车型PCV阀有缓冲弹簧设计,缓冲弹簧的作用是在怠速或低负荷工况下,在阀芯运动到接近阀顶端时对阀芯产生限位作用,避免PCV阀阀芯受气流作用摆动。根据PCV阀内部零件尺寸,可计算PCV阀接触到缓冲弹簧所需要的压力。

根据压强公式和胡克定律:

F1=P1×S

F2=P2×S

f=-kx

则公式(1)可转换为

P1×S=P2×S+kx+mgcosθ

式中:P1—进气歧管端压力;P2—曲轴箱内压力;S—PCV阀阀芯理论受压力作用面积;k—弹簧弹性系数;x—弹簧压缩量。

对故障车辆PCV阀相关尺寸进行测量,可测出阀芯运动到缓冲弹簧的距离,该距离即为x,将相关测量值代入公式(2)后可知,当PCV阀阀芯与缓冲弹簧接触时, P1为53 kPa。即当进气歧管压力小于或等于-53 kPa时,阀芯与缓冲弹簧接触;当进气歧管压力大于-53 kPa时,阀芯与缓冲弹簧没有接触,缓冲弹簧无法对阀芯起到限位作用。

2.4 进气歧管压力分析

在车辆故障工况下监控发动机进气歧管压力,结果如图8所示,曲线为进气歧管压力曲线,矩形波为空调压缩机启动信号线,其中压力数值为绝对压力。当车辆发动机怠速运行且不开空调时,进气歧管内绝对压力值在39 kPa左右波动,当车辆空调开启后进气歧管内绝对压力在50 kPa左右波动。

图8 故障工况下进气歧管内压力值

将进气歧管压力转换为相对压力,大气压按101 kPa计算,车辆发动机怠速且车辆不开空调时,进气歧管相对压力约为-62 kPa,开空调后进气歧管相对压力约为-51 kPa。

综合以上分析及相关计算结果表明,故障车辆在发动机怠速运行时,PCV阀阀芯与缓冲弹簧接触,此时,PCV阀没有异响,打开空调后PCV阀阀芯脱离了缓冲弹簧,PCV阀出现了异响。

3 分析验证

为了验证PCV阀阀芯接触缓冲弹簧与异响间的关系,在故障车上进行PCV阀改进验证试验。验证方法是在保证PCV阀性能及其他零件尺寸不变的前提下将缓冲弹簧长度加长,并调整缓冲弹簧弹性系数,保证PCV阀的流量特性在设计值范围内。缓冲弹簧加长后,PCV阀阀芯与缓冲弹簧接触的压力由原有的-53 kPa提升为-43 kPa。在PCV阀试验台架上进行声强测试对比,数据如表2所示。

表2 缓冲弹簧改进后声强对比

将改进件装到原故障车上进行验证,车辆怠速开空调时,PCV阀无异响出现。使用TESTLAB对噪声音频进行分析,音频滤波后的情况如图9所示,相对于原噪声音频图有明显改善。

图9 改进件音频滤波处理图示

4 结论

本文对PCV阀阀芯在发动机怠速运行过程中受力及运动等情况进行分析,指出该PCV阀异响问题产生的原因,并通过改进PCV阀进行了实车验证。相关结论如下:

1)怠速工况下,该车型PCV阀两端压力差不断变化;

2)怠速工况下,该车型曲轴箱内气体在PCV阀芯与挡圈间的流速高;

3)该车型在怠速开空调工况下PCV阀缓冲弹簧与阀芯没有接触;

4)该车PCV阀异响来源于阀芯与挡圈间的碰撞摩擦;

5)通过PCV阀缓冲弹簧设计优化可以消除该异响。

作者：黄定雄,周朝军

上汽通用五菱汽车股份有限公司