某發(fā)動機怠速不規(guī)則抖動的分析及解決措施*

王偉呂吉平李玉琦金暉陳偉國

（1.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動機工程研究院；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

某發(fā)動機怠速不規(guī)則抖動的分析及解決措施*

王偉1呂吉平2李玉琦1金暉1陳偉國1

（1.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動機工程研究院；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

針對某發(fā)動機怠速時車內(nèi)座椅可測得一種間歇式不規(guī)則抖動的現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)該抖動與發(fā)動機穩(wěn)定性有關(guān)。對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、指示平均有效壓力等參數(shù)進行頻譜分析，識別出發(fā)動機半階幅值與不規(guī)則抖動相關(guān)。通過在現(xiàn)有進氣歧管基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓腔的方式進行優(yōu)化，提高各缸進氣量及缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的均勻性，以提高發(fā)動機穩(wěn)定性。對進氣歧管優(yōu)化后的整車進行試驗表明，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、指示平均有效壓力等參數(shù)的半價幅值顯著降低，怠速時車內(nèi)的不規(guī)則抖動改善。

1 前言

在歐洲行駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）的市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)中，純怠速工況時間占整個循環(huán)工況時間的30.8%。隨著城市交通的日益擁擠，怠速所占比重進一步增加。為提高乘客舒適性，怠速振動成為怠速研究的重點。

從NVH解決途徑來說，可以從傳遞路徑和噪聲振動源兩方面進行研究。從傳遞路徑考慮，可以通過優(yōu)化懸置布置方式，改變懸置特性來達到衰減振動的目的[1]。從噪聲振動源角度考慮，提高發(fā)動機怠速穩(wěn)定性是改善怠速NVH的一種途徑，可以通過優(yōu)化電控系統(tǒng)怠速控制策略來降低怠速抖動[2]。另外，從發(fā)動機進氣特性來說，各缸進氣量以及殘余廢氣系數(shù)不同，在相同的電控條件下，各缸輸出的扭矩存在差異，但這種差異可以通過對各缸點火角進行控制，使各缸輸出的扭矩更接近來實現(xiàn)[3]。

怠速穩(wěn)定性可以在燃燒參數(shù)中選擇指示平均有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP），利用其標準差來反映[4]，也可以利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器信號，計算角加速度的變化趨勢來評價[5]。

本文首先對發(fā)動機和座椅導(dǎo)軌振動信號進行分析，識別出影響怠速抖動的原因并提供解決方法，然后利用轉(zhuǎn)速信號及重組的IMEP信號，來識別發(fā)動機怠速穩(wěn)定性問題。

2 怠速不規(guī)則抖動的原因分析

在某款新車NVH開發(fā)中，優(yōu)化動力總成的懸置系統(tǒng)，加強車身剛度，同時為達到降低油耗的目的，將發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速從800 r/min降低到648 r/min。這些措施降低了怠速噪聲和振動強度，但卻帶來新的問題，即主觀評價時車內(nèi)座椅上能感受到間歇性抖動。

為了查找該不規(guī)則抖動的原因，測量怠速時發(fā)動機與駕駛員座椅導(dǎo)軌上的振動，并對振動信號進行時間-頻率譜分析。通過頻譜分析發(fā)現(xiàn)，在汽車坐標系的X方向（從車前到車后，原點位于車前最前方）上，發(fā)動機和座椅導(dǎo)軌的振動有顯著差異，如圖1和圖2所示。可以看出，發(fā)動機X向2階振動最強，其次是0.5階和1階振動；而座椅導(dǎo)軌處振動最強的是0.5階，其次是1階和2階。說明該車動力懸置系統(tǒng)和車身能衰減1階以上的振動，但對低頻振動衰減能力不足。另外，怠速轉(zhuǎn)速的降低使該問題更為突出。

雖然可以通過提高X向懸置剛度以提高對低頻振動的衰減能力，但也會帶來其它問題。而另一個途徑是從抑制振動源角度出發(fā)，降低發(fā)動機0.5階振動。本文選擇從發(fā)動機角度解決該問題。

3 發(fā)動機0.5階振動的識別方法

雖然通過測量加速度信號可以獲得發(fā)動機的各階振動，但對解決發(fā)動機0.5階振動問題幫助不大。對于4缸發(fā)動機，0.5階振動越顯著，說明各缸間差異越明顯。改善0.5階振動，1階振動問題也會隨之改善。因此，引入發(fā)動機轉(zhuǎn)速和IMEP信號來研究發(fā)動機0.5階振動問題。發(fā)動機轉(zhuǎn)速和IMEP信號采集于該車的1.5L發(fā)動機，其進氣歧管為常見的側(cè)邊進氣布置方式，如圖3所示。

3.1 轉(zhuǎn)速信號

圖4顯示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號由ECU采集而來，采樣時間為10 ms。怠速轉(zhuǎn)速的平均值為648 r/min，轉(zhuǎn)速波動在±20 r/min內(nèi)，滿足電控標定要求。

由于時域信號未能提供更多信息，因此對轉(zhuǎn)速信號進行傅立葉變換，研究其頻譜特性。從圖5的頻譜圖中可以看出，0.5階（5.4 Hz）幅值最大，依次是1.5階和1階，2階未顯現(xiàn)。說明該發(fā)動機缸間差異顯著，利用怠速信號可以識別出該差異。

3.2 IMEP信號

IMEP信號由燃燒分析儀計算得來，是基于循環(huán)輸出的變量，缺少時間信息。將4缸IMEP數(shù)據(jù)按1-3-4-2點火順序重新排列重組，相鄰兩缸時間間隔為0.046296 s（怠速轉(zhuǎn)速為648 r/min），重組的IMEP信號如圖6所示。

對重組的IMEP信號進行傅立葉頻譜分析，如圖7所示?？芍?，在5.4 Hz頻率處幅值最大，此頻率正好對應(yīng)怠速648 r/min的0.5階頻率；0.5階頻率的幅值遠高于其它頻率，說明IMEP也可以識別0.5階缸間差異。

4 優(yōu)化進氣歧管

采用優(yōu)化進氣歧管的方式提高缸間進氣量和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)（Residual Gas Fraction，RGF）的均勻性，從而提高發(fā)動機怠速穩(wěn)定性，降低怠速抖動。

4.1 副腔方案

受發(fā)動機艙空間的限制，進氣歧管一般采用側(cè)面進氣方式，則進氣歧管穩(wěn)壓腔入口到各缸間的支管不等長（圖3）。這種不等長設(shè)計會導(dǎo)致各缸進氣量和RGF存在差異。為進一步降低這種差異，在原進氣歧管基礎(chǔ)上，靠近法蘭面處增加一個小的穩(wěn)壓腔（圖8），以達到使各缸進氣量和RGF均勻的目的。

4.2 模擬結(jié)果

為了使模擬結(jié)果更精確，采用一維、三維相結(jié)合的方法來進行仿真。發(fā)動機一維模型由Boost軟件創(chuàng)建，進氣歧管三維模型由Fire軟件創(chuàng)建并計算。

經(jīng)過模擬計算，加副腔后的進氣歧管其各缸進氣量和RGF波動范圍均明顯小于原歧管方案，如圖9所示。可知，原歧管RGF的相對偏差為6%，新歧管降低到2.2%；原歧管進氣量的相對偏差為6%，新歧管降低到3%。

配置副腔雖然會改善怠速時的均勻性，但是也會對外特性產(chǎn)生影響。圖10對比了兩種進氣歧管對外特性充氣效率的影響，新歧管起到了削峰填谷的作用，對加速平順性有一定改善，但新歧管也增加了高速時的流動阻力，降低高速進氣量，但這種變化在可接受的范圍內(nèi)（±3%）。

5 試驗驗證

在原有進氣歧管基礎(chǔ)上手工增加副腔，以此作為新歧管樣件，如圖11所示。試驗測試在整車上進行，利用Inca軟件采集發(fā)動機ECU數(shù)據(jù)，利用AVL indicom系統(tǒng)采集燃燒數(shù)據(jù)。

對采用新歧管的發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速進行頻譜分析。新歧管與原歧管頻譜對比如圖12所示?？梢钥闯觯缕绻?.5階幅值顯著降低，同時1階和1.5階幅值也比原歧管低。

采用新歧管方案后，對4缸IMEP按時間重組后進行頻譜分析。新歧管與原歧管IMEP的頻譜對比如圖13所示?？芍?，新歧管0.5階幅值仍比較突出，但與原方案相比，幅值降低約1倍。

在缸體上測量振動信號并進行時頻分析，其0.5階振動信號能反映振動水平。圖14為原歧管和新歧管兩種不同方案0.5階的振動水平對比?？梢钥闯觯缕绻芊桨傅恼駝泳导罢駝訕O差都低于原歧管方案，有利于提高怠速時的穩(wěn)定性和舒適性。

6 結(jié)束語

通過對發(fā)動機和座椅振動信號的對比分析，發(fā)現(xiàn)0.5階振動是導(dǎo)致怠速不規(guī)則抖動的主要原因。研究還發(fā)現(xiàn)，利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速和IMEP信號的傅立葉頻譜可以識別發(fā)動機的0.5階振動問題。在原有歧管基礎(chǔ)上增加副腔，提高了各缸進氣和RGF的均勻性，降低了轉(zhuǎn)速和IMEP 0.5階的幅值，進而降低發(fā)動機0.5階振動，改善了怠速抖動。

1 Ganesh I,Prasanth B,Sachin W,et al.Idle vibrations refine?ment of a passenger car.SAE Paper，2011-26-0069.

2 姚棟偉,等.基于增量式數(shù)字PID的汽油機怠速控制研究.浙江大學(xué)學(xué)報，2010（44）:1122～1126.

3 Jinil P,Kyoung SP,Jong HL,et al.Adaptive Control of Indi?vidual Cylinder Ignition Timing for Improvement of Idle Sta?bility.SAE Paper，930315.

4 John Hoard,Larry Rehagen.Relating Subjective Idle Quali?ty to Engine combustion.SAE Paper，970035.

5 Charlie Teng.Evaluation of Idle Combustion Stablility Us?ing Flywheel Acceleration.SAE paper，2003-01-1673.

（責任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2014年9月1日。

Analysis of Irregular Idle Jittering of an Engine and Solution

Wang Wei1,Lv Jiping2,Li Yuqi1,Jin Hui1,Chen Weiguo1
（1.Engine Engineering Research Institute,Chery Automobile Co.,Ltd;2.Qingdao Vocational and Technical College of Hotel Management）

An intermittent irregular jittering is observed by the seats during engine idling,it is found that such jittering is related with engine stability.Spectral analysis is made to engine speed,IMEP,etc.,and it is found that engine half-order amplitude is related to such irregular jittering.Optimization is made by adding a pressure stabilizing cavity to the existing intake manifold,to increase air intake of the cylinders and uniformity of residual waste gas coefficient inside cylinders,thus to improve engine stability.Vehicle with optimized intake manifold is tested,which shows that half-order amplitude of parameters like engine speed,IMEP,etc.,go down notably,and the irregular jittering during idling is decreased.

Engine,Idle jittering,IMEP,Half-order amplitude,Intake manifold

發(fā)動機 怠速抖動 指示平均有效壓力 半階幅值 進氣歧管

U461.4

A

1000-3703（2015）04-0014-04

國家863計劃，編號：2008AA11A148。