摘 要：對(duì)某車型發(fā)動(dòng)機(jī)PCV閥總成結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部零件受力情況進(jìn)行分析,計(jì)算PCV閥內(nèi)部氣體流速,確定該車型在怠速開空調(diào)工況下PCV閥異響的原因,并通過PCV閥改進(jìn)試驗(yàn)進(jìn)行問題驗(yàn)證。

引言

自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)PCV閥連接發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱與進(jìn)氣歧管,其作用是控制曲軸箱內(nèi)氣體流入進(jìn)氣歧管的流量,保證曲軸箱壓力處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。如果PCV閥在車輛使用過程中出現(xiàn)故障,無法有效控制曲軸箱內(nèi)氣體流出的流量,將會(huì)導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)氣體攜帶大量機(jī)油油霧進(jìn)入進(jìn)氣歧管并與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸中燃燒,發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量大量增加的同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排放大幅超標(biāo),嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸢l(fā)動(dòng)機(jī)異常磨損,所以車輛PCV閥一旦出現(xiàn)異常問題需要及時(shí)分析排查并解決。

1 問題概述

某車型發(fā)動(dòng)機(jī)使用如圖2所示結(jié)構(gòu)的PCV閥,在車輛處于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)并開啟空調(diào)的工況時(shí),PCV閥處出現(xiàn)“滋滋”摩擦聲異響,關(guān)閉空調(diào)后該異響消失。使用TESTLAB對(duì)噪聲音頻進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖

1.1 PCV閥說明

1.1.1 PCV閥結(jié)構(gòu)說明

圖2為該車型使用的PCV閥結(jié)構(gòu)示意圖,PCV閥下殼體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè),上殼體通過管路與進(jìn)氣歧管連接,PCV閥工作過程中曲軸箱內(nèi)氣體通過閥芯與擋圈之間的間隙流向進(jìn)氣歧管。

1.1.2 PCV閥工作原理說明

發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣歧管與曲軸箱內(nèi)的壓力會(huì)隨之變化,引起PCV閥閥芯兩端吸力發(fā)生變化,閥芯會(huì)隨壓力變化運(yùn)動(dòng)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(huì)隨著閥芯位置變化而變化,使曲軸箱內(nèi)的氣體通過PCV閥的流量發(fā)生變化,最終達(dá)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(jù)PCV閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,PCV閥內(nèi)部可能的運(yùn)動(dòng)部件為閥芯、彈簧、緩沖彈簧。

2.1 PCV閥芯受力分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),PCV閥閥芯會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化運(yùn)動(dòng),該車型PCV閥與水平方向成θ角安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。當(dāng)閥芯未接觸緩沖彈簧時(shí),對(duì)閥芯的受力情況進(jìn)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(jù)力的平衡方程:

F1=F2+f+mgcosθ

式中:m—PCV閥重量;f—彈簧彈力;F1—進(jìn)氣歧管端負(fù)壓對(duì)閥芯的吸力;F2—曲軸箱內(nèi)負(fù)壓對(duì)閥芯的吸力。

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣歧管壓力及曲軸箱壓力值變化情況,結(jié)果如圖5所示。

圖5 怠速工況下PCV閥兩端壓力情況

測(cè)量結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況運(yùn)行時(shí),進(jìn)氣歧管壓力及曲軸箱壓力均處于不斷變化的狀態(tài),而且進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力波動(dòng)值明顯大于曲軸箱內(nèi)壓力值。結(jié)合公式(1)可知,在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí),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(huì)不斷變化,即PCV閥彈簧長(zhǎng)度會(huì)不斷變化,由此證明PCV閥閥芯在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下會(huì)在一定范圍內(nèi)不斷運(yùn)動(dòng)。

2.2 PCV閥內(nèi)氣體流速分析

由PCV閥的工作原理可知,曲軸箱內(nèi)氣體通過PCV閥芯和擋圈之間的間隙流向進(jìn)氣歧管,考查氣體在PCV閥內(nèi)的流速,使用Hyperworks軟件進(jìn)行CFD分析。根據(jù)PCV閥氣體流通空間的大小建立計(jì)算模型,如圖6所示。

圖6 PCV閥內(nèi)部氣體流速計(jì)算模型

CFD相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示,分別計(jì)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(jié)果如圖7所示。

表1 CFD計(jì)算相關(guān)參數(shù)

圖7 不同壓差PCV閥中氣體流速分布情況

CFD計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)PCV閥兩端壓差分別為50 kPa、55 kPa、60 kPa時(shí),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(dāng)壓差越大,最大流速越大且最大流速點(diǎn)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(shí)會(huì)造成該處閥芯兩端受力不均勻,在沒有限位設(shè)計(jì)時(shí)氣流會(huì)引起閥芯的擺動(dòng),閥芯不斷擺動(dòng)時(shí)會(huì)與擋圈有接觸從而出現(xiàn)異響。

2.3 緩沖彈簧設(shè)計(jì)分析

如圖2所示,該車型PCV閥有緩沖彈簧設(shè)計(jì),緩沖彈簧的作用是在怠速或低負(fù)荷工況下,在閥芯運(yùn)動(dòng)到接近閥頂端時(shí)對(duì)閥芯產(chǎn)生限位作用,避免PCV閥閥芯受氣流作用擺動(dòng)。根據(jù)PCV閥內(nèi)部零件尺寸,可計(jì)算PCV閥接觸到緩沖彈簧所需要的壓力。

根據(jù)壓強(qiáng)公式和胡克定律:

F1=P1×S

F2=P2×S

f=-kx

則公式(1)可轉(zhuǎn)換為

P1×S=P2×S+kx+mgcosθ

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

對(duì)故障車輛PCV閥相關(guān)尺寸進(jìn)行測(cè)量,可測(cè)出閥芯運(yùn)動(dòng)到緩沖彈簧的距離,該距離即為x,將相關(guān)測(cè)量值代入公式(2)后可知,當(dāng)PCV閥閥芯與緩沖彈簧接觸時(shí), P1為53 kPa。即當(dāng)進(jìn)氣歧管壓力小于或等于-53 kPa時(shí),閥芯與緩沖彈簧接觸;當(dāng)進(jìn)氣歧管壓力大于-53 kPa時(shí),閥芯與緩沖彈簧沒有接觸,緩沖彈簧無法對(duì)閥芯起到限位作用。

2.4 進(jìn)氣歧管壓力分析

在車輛故障工況下監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力,結(jié)果如圖8所示,曲線為進(jìn)氣歧管壓力曲線,矩形波為空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)信號(hào)線,其中壓力數(shù)值為絕對(duì)壓力。當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行且不開空調(diào)時(shí),進(jìn)氣歧管內(nèi)絕對(duì)壓力值在39 kPa左右波動(dòng),當(dāng)車輛空調(diào)開啟后進(jìn)氣歧管內(nèi)絕對(duì)壓力在50 kPa左右波動(dòng)。

圖8 故障工況下進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力值

將進(jìn)氣歧管壓力轉(zhuǎn)換為相對(duì)壓力,大氣壓按101 kPa計(jì)算,車輛發(fā)動(dòng)機(jī)怠速且車輛不開空調(diào)時(shí),進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力約為-62 kPa,開空調(diào)后進(jìn)氣歧管相對(duì)壓力約為-51 kPa。

綜合以上分析及相關(guān)計(jì)算結(jié)果表明,故障車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí),PCV閥閥芯與緩沖彈簧接觸,此時(shí),PCV閥沒有異響,打開空調(diào)后PCV閥閥芯脫離了緩沖彈簧,PCV閥出現(xiàn)了異響。

3 分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PCV閥閥芯接觸緩沖彈簧與異響間的關(guān)系,在故障車上進(jìn)行PCV閥改進(jìn)驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)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(zhǎng)度加長(zhǎng),并調(diào)整緩沖彈簧彈性系數(shù),保證PCV閥的流量特性在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。緩沖彈簧加長(zhǎng)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(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)試對(duì)比,數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 緩沖彈簧改進(jìn)后聲強(qiáng)對(duì)比

將改進(jìn)件裝到原故障車上進(jìn)行驗(yàn)證,車輛怠速開空調(diào)時(shí),PCV閥無異響出現(xiàn)。使用TESTLAB對(duì)噪聲音頻進(jìn)行分析,音頻濾波后的情況如圖9所示,相對(duì)于原噪聲音頻圖有明顯改善。

圖9 改進(jìn)件音頻濾波處理圖示

4 結(jié)論

本文對(duì)PCV閥閥芯在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行過程中受力及運(yùn)動(dòng)等情況進(jìn)行分析,指出該P(yáng)CV閥異響問題產(chǎn)生的原因,并通過改進(jìn)PCV閥進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證。相關(guān)結(jié)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(nèi)氣體在PCV閥芯與擋圈間的流速高;

3)該車型在怠速開空調(diào)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(shè)計(jì)優(yōu)化可以消除該異響。

作者：黃定雄,周朝軍

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