汽油發(fā)動機部分負(fù)荷工況PCV 閥敲擊噪聲優(yōu)化

周敏瑞 胡 爽 夏志鵬 秦萬里 胡軍峰 鄧曉龍

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們出行方式的不斷優(yōu)化，小型汽車成為人們必備的交通工具。這也推動了汽車工業(yè)的不斷前進(jìn)，但是國家和市場對發(fā)動機油耗、排放要求逐漸加嚴(yán)，以及企業(yè)自身降低成本、輕量化的需求，也使汽車發(fā)動機面臨著高性能質(zhì)量和低成本的雙重挑戰(zhàn)。

發(fā)動機工作時，燃燒室內(nèi)的混合氣和燃燒后的廢氣經(jīng)活塞與氣缸體內(nèi)壁的間隙漏入曲軸箱內(nèi)。若不及時排出，會稀釋和污染機油，造成機油的潤滑性能下降；且曲軸箱內(nèi)壓力的升高也會導(dǎo)致機油從油封或氣缸墊壓出[1]。出于環(huán)保的原因，不能將這些混合氣直接排入大氣，因此現(xiàn)代汽車上一般都采用曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，將這些進(jìn)入曲軸箱的氣體導(dǎo)入缸內(nèi)燃燒，在不影響性能的情況下，處理該氣體[2]。

目前國內(nèi)外對曲軸箱系統(tǒng)功能和設(shè)計方面介紹的文獻(xiàn)較多，但鮮有文獻(xiàn)闡述曲通閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥芯敲擊噪聲的影響，本文就曲通閥敲擊問題對閥本體進(jìn)行優(yōu)化驗證，提升發(fā)動機聲品質(zhì)。

1 曲軸箱系統(tǒng)及PCV 工作原理

1.1 曲通工作原理介紹

曲軸箱通風(fēng)裝置是一種強制通風(fēng)系統(tǒng)，作為曲通系統(tǒng)的重要零部件PCV 閥（Positive Crankcase Ventilation）是一種單向閥，連接曲軸箱與進(jìn)氣管，將燃燒室泄漏氣體送入進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行二次利用，并確保曲軸箱內(nèi)不會產(chǎn)生壓力，如圖1 所示。

圖1 曲通系統(tǒng)工作原理

1.2 PCV 閥分類和結(jié)構(gòu)

根據(jù)PCV 閥結(jié)構(gòu)的不同，分為柱塞式和膜片式。柱塞式PCV 閥承受進(jìn)出氣口兩側(cè)壓差，推動柱塞運動調(diào)節(jié)閥芯與入氣腔閥座底部間隙大小，從而控制氣流量大小，調(diào)節(jié)曲軸箱壓力；膜片式通過膜片感應(yīng)入氣腔與出氣腔兩側(cè)壓差，膜片張角大小控制氣流量的大?。ê訜嵫b置）[3]。本文主要介紹柱塞式PCV 閥結(jié)構(gòu)及工作特點，如圖2 所示。

圖2 柱塞式PCV 閥結(jié)構(gòu)及主要零部件

1.3 不同工況PCV 閥工作特性

根據(jù)發(fā)動機不同運行工況，PCV 閥的工作特性不同，如圖3 所示。

圖3 不同工況PCV 運行特性

1）發(fā)動機不工作時，閥芯在彈簧力的作用下壓在入氣腔的閥座上，關(guān)閉曲通與進(jìn)氣歧管的通道[4]。

2）發(fā)動機怠速時，進(jìn)氣歧管內(nèi)真空度大，閥芯在真空度作用下克服彈簧力向右運動，直至真空度作用力與彈簧力平衡，此時閥芯與閥內(nèi)腔間隙很小，流量較小，保持怠速穩(wěn)定。

3）發(fā)動機運行一定負(fù)荷時，進(jìn)氣管的真空度下降，閥在彈簧力的作用下向左移動，這時通氣量逐漸加大，保證曲軸箱內(nèi)氣體及時抽出和新鮮空氣的進(jìn)入；隨負(fù)荷加大，閥完全打開，通氣量最大。

當(dāng)發(fā)動機發(fā)生回火時，火焰?zhèn)鞑サ竭M(jìn)氣管進(jìn)入PCV 閥體內(nèi)，火焰的壓力壓緊PCV 閥使其關(guān)閉，以防止火焰?zhèn)鞯角S箱中，如果系統(tǒng)中沒有PCV 閥，發(fā)動機回火時，曲軸箱中的蒸氣就有可能發(fā)生爆炸。

2 PCV 閥敲擊噪聲及機理

某款三缸發(fā)動機在臺架和整車上中等負(fù)荷運行區(qū)域，主要是低速小負(fù)荷工況，主觀評價存在明顯的敲擊噪聲，敲擊位置來自PCV 閥附近。將PCV 閥連接管路封堵后閥停止工作，敲擊異響消失，由此可判斷異響來源于PCV 閥，而PCV 閥閥芯的運行與閥體兩側(cè)氣流不穩(wěn)定波動相關(guān)。

1）在臺架上進(jìn)行不同工況點掃描，評價測試敲擊情況，如圖4 所示，敲擊問題區(qū)域主要是發(fā)動機運行在1 100～1 700 r/min，負(fù)荷25～75 N·m。

圖4 臺架上PCV 閥敲擊異響區(qū)間

2）整車上進(jìn)行原地加速Tip in/out 和行駛工況加速評價測試PCV 敲擊噪聲，測試PCV 閥附近振動，測點位置如圖5 所示。異響工況在1 300～1 800 r/min，油門開度10%～16%，轉(zhuǎn)矩20～50 N·m 區(qū)域，如圖6所示。藍(lán)色線為PCV 閥附近振動。

圖5 PCV 閥振動測點

3）采集PCV 閥兩側(cè)的壓力信號發(fā)現(xiàn)PCV 閥敲擊時（圖6 粉色線閥附近振動）對應(yīng)的歧管側(cè)壓力波動較?。▓D7 綠色線），發(fā)動機油氣分離器側(cè)壓力對應(yīng)波動明顯（圖中紅色線），壓差15～25 kPa 左右，對應(yīng)PCV 閥工作性能圖里流量最大處，如圖8 所示。對比無敲擊時油氣分離器壓力波動0.7 kPa，敲擊時壓力波動1.13 kPa。

圖6 整車上PCV 閥敲擊問題

圖7 PCV 閥敲擊與閥兩側(cè)壓力

圖8 PCV 閥流量曲線

3 塑料閥體+金屬閥芯PCV 閥噪聲優(yōu)化

某款發(fā)動機在臺架磨合和整車加速評價時，發(fā)現(xiàn)存在明顯的敲擊異響，采用聽診器進(jìn)行主觀評價發(fā)現(xiàn)敲擊來源于PCV 閥處，采集噪聲和振動信號分析異響頻率主要是1 000～3 000 Hz。對PCV 閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：閥體為塑料閥體、閥芯為金屬閥芯，閥體與發(fā)動機進(jìn)氣歧管連接管采用快插結(jié)構(gòu)。對閥體、彈簧和閥芯進(jìn)行優(yōu)化驗證，方案如表1 所示。

表1 塑料閥體PCV 閥敲擊優(yōu)化方案驗證

1）方案二驗證效果

分別對PCV 閥閥體頭部和閥體頭部和徑向位置涂膠增加阻尼驗證閥芯與閥體頭部敲擊改善效果，方案如圖9 所示。

圖9 閥體頭部涂膠增加阻尼驗證

在NVH 臺架上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)1 500 r/min 小負(fù)荷工況運行，采集發(fā)動機頂部30 cm 近場噪聲及閥附近振動，兩種方案均改善明顯，其中頭部和徑向均加阻尼方案更優(yōu)，驗證結(jié)果如圖10 和11 所示。

圖10 閥體頭部加阻尼方案驗證效果-頂部近場噪聲

圖11 閥體頭部加阻尼方案驗證效果-閥振動

2）方案五驗證效果

對閥芯材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化驗證，將閥芯由金屬更改為塑料材質(zhì)閥芯，結(jié)構(gòu)對比如圖12 所示。在NVH 臺架和整車上進(jìn)行評價測試驗證，驗證結(jié)果如圖13 所示。

圖12 閥芯材質(zhì)優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)對比

圖13 閥芯材質(zhì)優(yōu)化驗證結(jié)果-閥振動對比

4 金屬閥體+金屬閥芯PCV 閥噪聲優(yōu)化

4.1 金屬閥優(yōu)化方案

另一款發(fā)動機在PCV 閥的開發(fā)過程中，同樣采用柱塞式閥結(jié)構(gòu)，閥座和閥芯均采用金屬結(jié)構(gòu)，在臺架及整車上評價PCV 閥敲擊問題明顯。

對閥本體進(jìn)行優(yōu)化方案驗證，如表2 所示（注：主觀評價6.5 分可接受，7 分為無異響狀態(tài)）。

表2 金屬閥體PCV 閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對PCV 閥閥體材質(zhì)、閥芯材質(zhì)，閥芯加導(dǎo)向、閥芯加長/直徑增大、閥芯打孔減重、小彈簧參數(shù)優(yōu)化方案進(jìn)行實車評價測試。閥芯加導(dǎo)向方案優(yōu)化效果最佳，從而證明閥芯敲擊閥體為在流量最大時閥芯開關(guān)過程中側(cè)向撞擊閥體壁導(dǎo)致的敲擊聲，但該方案需要增加成本，且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要增加各項試驗驗證。閥芯材質(zhì)優(yōu)化，塑料/鋁閥芯較易磨損，影響耐久。最終采用閥芯打孔輕量化閥芯方案，PCV 閥附近振動較優(yōu)化前減小50%，發(fā)動機帶裝飾罩整車評價敲擊聲可接受。不同方案結(jié)構(gòu)對比如圖14 所示，采集閥附近油氣分離器位置單向振動時域信號對比如圖15 所示。

圖14 不同方案閥體閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

圖15 不同閥芯優(yōu)化方案油氣分離器振動

4.2 金屬閥優(yōu)化方案效果驗證

對塑料閥體和金屬閥座+金屬閥芯結(jié)構(gòu)PCV閥，采用閥芯打孔減重優(yōu)化方案進(jìn)行整車上加速小批量評價驗證，敲擊聲均可接受，客戶無抱怨，驗證結(jié)果如圖16 所示。

圖16 整車優(yōu)化方案驗證結(jié)果

在性能臺架上對曲通箱MAP 曲線進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，曲通的性能與樣件優(yōu)化前無差異。

5 PCV 閥敲擊問題標(biāo)準(zhǔn)制定

根據(jù)整車上轉(zhuǎn)速1 300～1 800 r/min，負(fù)荷20～50 N·m 工況區(qū)域不同方案PCV 閥敲擊情況主觀評價和驗證結(jié)果，針對本款發(fā)動機性能和曲通設(shè)計方案，對油氣分離器上法向振動限制設(shè)置在70 g 以內(nèi)，車內(nèi)敲擊聲為可接受狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文通過對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)重要零部件PCV閥，主要是柱塞式PCV 閥，進(jìn)行了工作原理的闡述，重點研究了中小負(fù)荷運行工況出現(xiàn)的閥芯敲擊閥座、閥芯敲擊閥體側(cè)壁的噪聲問題。在不影響曲軸箱性能的情況下，通過在閥體入氣腔底座增加阻尼，閥芯材質(zhì)優(yōu)化，閥芯打孔減重等優(yōu)化方案進(jìn)行了試驗驗證，改善了敲擊異響問題。