通過優(yōu)化傳統(tǒng)起動機(jī)改善發(fā)動機(jī)再起動過程的噪聲振動

【法】　S.Affi

通過優(yōu)化傳統(tǒng)起動機(jī)改善發(fā)動機(jī)再起動過程的噪聲振動

【法】S.Affi

摘要：許多汽車制造商正在引入以傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)為基礎(chǔ)的自動起停系統(tǒng)，這是一種無需對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)作重大修改的經(jīng)濟(jì)型解決方案，尤其是在汽車制造商考慮采用混合動力技術(shù)時(shí)。然而，遺憾的是這種解決方案從噪聲振動運(yùn)轉(zhuǎn)平順性角度來看是不能令人非常滿意的。實(shí)際上，消費(fèi)者通常對僅在起步時(shí)發(fā)生的1次嘈雜的長時(shí)間發(fā)動機(jī)再起動噪聲是能夠接受的。然而，對于混合動力汽車，則要求實(shí)現(xiàn)安靜快速地再起動，因?yàn)檫@種再起動不是因駕駛者的需要而發(fā)生的，因此會對駕駛者產(chǎn)生干擾。著重分析了傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)再次起動時(shí)的發(fā)動機(jī)噪聲振動。為了優(yōu)化起動時(shí)間和噪聲水平，試驗(yàn)了幾種解決方案。采用永久嚙合式起動機(jī)和高功率起動機(jī)是2種簡單經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以顯著降低起動機(jī)的噪聲和減少發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間，因而該技術(shù)可用于混合動力車。

關(guān)鍵詞：振動噪聲混合動力永久嚙合式起動電機(jī)高功率起動機(jī)

0前言

為了應(yīng)對新標(biāo)準(zhǔn)(例如歐6、CAFE)的限制，汽車制造商正在努力減少燃油消耗和氣體排放。以簡單經(jīng)濟(jì)的解決方案來實(shí)現(xiàn)熱動力汽車的電氣化。在這種情況下，可以在不對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(12V供電系統(tǒng)和傳統(tǒng)齒圈起動機(jī))作重大改動的情況下采用起動停車系統(tǒng)。這一技術(shù)會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)頻繁的再起動，從而影響消費(fèi)者對噪聲-振動-平順性(NVH)的接受程度。

在引入起動停車系統(tǒng)之前，對發(fā)動機(jī)再起動階段的NVH沒有具體要求。事實(shí)上，發(fā)動機(jī)再起動只發(fā)生1次時(shí)，駕駛者是可以接受的。

在混合動力系統(tǒng)汽車中，有時(shí)由純電力驅(qū)動時(shí)，在駕駛者無需求的情況下內(nèi)燃機(jī)再起動會頻繁發(fā)生，這取決于畜電池的充電狀態(tài)及所需的車輛加速狀況。因此，必須通過限制發(fā)動機(jī)再起動時(shí)的噪聲來改善系統(tǒng)的NVH性能，所以需要優(yōu)化從純電力驅(qū)動模式向混合動力或發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式的過渡狀態(tài)，以及通過減少發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間來改善振動噪聲。限制發(fā)動機(jī)再起動的轉(zhuǎn)速同時(shí)，還能降低噪聲(圖1)。

市場研究表明，NVH是駕駛者對起動停車系統(tǒng)的1個主要要求。當(dāng)發(fā)動機(jī)再起動的噪音較大時(shí)，駕駛者往往會自動關(guān)閉該系統(tǒng)，這不利于混合動力車輛的節(jié)能減排。

混合動力汽車采用的發(fā)動機(jī)再起動技術(shù)通常有3種：齒圈起動機(jī)、皮帶傳動起動機(jī)發(fā)電機(jī)(BSG)和電動裝置。圖2所示為采用3種不同技術(shù)時(shí)再起動噪聲的比較。

試測結(jié)果來自于采用3種不同技術(shù)的3輛混合動力汽車的實(shí)測再起動噪聲值。

從圖2可以看出，電動裝置和BSG的噪音水平相近。同時(shí)，傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)的再起動噪聲較大(在所有頻程約大20dB)。

另一方面，表1列出了采用3種不同技術(shù)時(shí)發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間。再起動最快的是電動裝置，最慢的是齒圈起動機(jī)。這與可用的再起動功率有關(guān)，因?yàn)殡妱友b置的功率要高很多(在試驗(yàn)中：電動裝置功率為20.0kW，BSG功率為8.5kW，齒圈起動機(jī)功率為1.5kW)。

表1　采用不同技術(shù)時(shí)的發(fā)動機(jī)再起動時(shí)間

同時(shí)，齒圈起動機(jī)是1種經(jīng)濟(jì)的解決方案(其他所列方案則要對現(xiàn)有的動力總成作重大改動，如供電系統(tǒng)電壓，皮帶驅(qū)動發(fā)動機(jī)等)。因此，關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是通過優(yōu)化這一技術(shù)來改善NVH，并使其應(yīng)用于混合動力車。

此外，為了安全起見，必須考慮到駕駛者想法的變化(當(dāng)有需求時(shí)，發(fā)動機(jī)必須在很短的時(shí)間內(nèi)重新起動)。然而，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)停止時(shí)，傳統(tǒng)起動機(jī)是不能再起動發(fā)動機(jī)的(因?yàn)閮烧咿D(zhuǎn)速不同，在起動機(jī)小齒輪與齒圈嚙合前發(fā)動機(jī)必須完全停止)。一些汽車供應(yīng)商，如DENSO公司提供各種解決方案以滿足這種需求，如永久嚙合式(PE)起動機(jī)或串聯(lián)螺線管(TS)起動機(jī)(圖3a、圖3b)。

圖3　DENSO公司的PE起動機(jī)(a)和TS起動機(jī)(b)

本文論述了用于混合動力車輛的傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)。研究人員定量研究了永久嚙合式起動機(jī)對發(fā)動機(jī)再起動噪聲的影響，以及高功率起動機(jī)對NVH的影響。

1傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)的起動功能

齒圈起動機(jī)由螺線管(電磁鐵)和電動機(jī)2個主要部件構(gòu)成(圖4)。

圖4　齒圈起動電機(jī)的組成部件

研究人員將傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)的發(fā)動機(jī)再起動過程分成幾個不同的階段(表2)。

2測試條件

所有的測試都是在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行的。圖5所示為起動機(jī)的相關(guān)測量儀器。

測定傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)的發(fā)動機(jī)再起動噪聲時(shí)所采用的儀器包括：(1)麥克風(fēng)，放置在離起動機(jī)約5cm處；(2)加速度計(jì)，布置在起動機(jī)的中心線上；(3)電流鉗，夾在起動機(jī)供電導(dǎo)線上，以檢測起動機(jī)的激活狀態(tài)；(4)磁性轉(zhuǎn)速傳感器，位于起動齒圈的齒頂上方，以測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；(5)壓力傳感器，放置在某一氣缸內(nèi)，以測量氣缸壓力。

表2　傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)的發(fā)動機(jī)再起動階段

圖5　起動機(jī)的相關(guān)測量儀器

以噪聲(單位： dB)計(jì)的所有結(jié)果其基準(zhǔn)值是：(1)加速度，1m/s2，(2)聲壓，2×10-5Pa。

3采用傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)時(shí)發(fā)動機(jī)再起動過程的NVH分析

圖6　　　　發(fā)動機(jī)再起動過程中氣缸蓋的　　　振動和某一氣缸的壓力

為了更好地了解采用齒圈起動時(shí)的發(fā)動機(jī)再起動過程，將重點(diǎn)關(guān)注起動過程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象。如圖6所示，可以從起動機(jī)觸發(fā)直到發(fā)動機(jī)再起動的過程中識別出幾個不同的沖擊。在起動機(jī)小齒輪與齒圈第一次接觸后，從曲軸開始旋轉(zhuǎn)到第一次壓縮過程中有一定的延遲?？梢园l(fā)現(xiàn)，在第一缸中發(fā)生第一次燃燒前共有4次壓縮，之后發(fā)動機(jī)便正常工作。

識別出的幾種不同沖擊分別為：(1)軸向沖擊，因起動機(jī)小齒輪與齒圈嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊；(2)切向沖擊，因起動機(jī)小齒輪與齒圈嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊；(3)壓縮沖擊，因起動機(jī)小齒輪驅(qū)動齒圈時(shí)產(chǎn)生的沖擊(扭矩為0時(shí)產(chǎn)生的沖擊)；(4)切向沖擊，因起動機(jī)小齒輪脫開嚙合時(shí)產(chǎn)生的沖擊。從圖7的時(shí)間頻率分析，上述各種沖擊的頻帶很寬。

圖7　發(fā)動機(jī)再起動時(shí)氣缸蓋振動的時(shí)頻分析

從主觀上，可以清楚地識別出這些不同的沖擊，這些沖擊按照它們的噪聲和持續(xù)時(shí)間會使發(fā)動機(jī)再起動產(chǎn)生嘈雜的噪音。

如圖8所示，最大的振動和噪聲出現(xiàn)在起動機(jī)小齒輪與齒圈發(fā)生嚙合沖擊之時(shí)。然而，研究表明，駕駛者對發(fā)動機(jī)再起動的持續(xù)時(shí)間更敏感，因而使它成為噪聲接受度的主要因素之一。

圖8　發(fā)動機(jī)再起動時(shí)起動機(jī)的振動和噪聲

所以，為了改善發(fā)動機(jī)再起動的NVH性能，需要優(yōu)先減少起動時(shí)間(通過減少壓縮次數(shù)和提高起動機(jī)功率)，以及消除起動機(jī)小齒輪與齒圈的嚙合沖擊，因?yàn)樗鼈冊诳傇胍艉驼駝又姓贾鲗?dǎo)地位。

4采用傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)時(shí)改善發(fā)動機(jī)再起動噪聲的優(yōu)化方案的試驗(yàn)

研究人員考慮了幾種解決方案，尤其是將傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)用于混合動力汽車，改善使用齒圈起動機(jī)時(shí)的發(fā)動機(jī)再起動噪聲。

4.1永久嚙合式起動機(jī)的試驗(yàn)

為了消除之前檢測到的起動機(jī)小齒輪與齒圈的嚙合沖擊，研究人員試驗(yàn)了1種永久嚙合式起動機(jī)方案，比較這幾種方案和常規(guī)齒圈起動機(jī)的振動和噪聲特性(圖9～圖12)。為了更好地了解幾種方案，圖中添加了起動機(jī)的電流和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。這兩種方案是在相同的電流水平下進(jìn)行試驗(yàn)的。

圖9　采用原有技術(shù)時(shí)起動機(jī)的振動和電流

圖10　采用原有技術(shù)時(shí)起動機(jī)的噪聲和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

圖11　采用小齒輪與齒圈永久嚙合式起動機(jī)時(shí)起動機(jī)的振動和電流

圖12　采用小齒輪與齒圈永久嚙合式起動機(jī)時(shí)起動機(jī)的噪聲和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

在采用傳統(tǒng)起動機(jī)時(shí)，起動機(jī)振動和噪聲曲線的第1個峰值出現(xiàn)在起動機(jī)小齒輪與齒圈嚙合的時(shí)刻。最后1個峰值出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)再起動后起動機(jī)小齒輪脫開嚙合的時(shí)刻，可以看到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升和起動機(jī)電流消失。

比較圖10、圖11曲線可見，永久嚙合式起動機(jī)方案能夠消除起動機(jī)小齒輪的嚙合沖擊和脫開沖擊，因此能消除相應(yīng)的振動和噪聲峰值。該方案還能稍微減少發(fā)動機(jī)的起動時(shí)間(在壓縮次數(shù)相同的情況下)，這是因?yàn)樵摲桨溉コ藝Ш想A段。通過消除這些沖擊，明顯改善了再起動噪聲的干擾。

如圖13所示，永久嚙合式起動機(jī)可以使總體噪聲降低7dB(A)，同時(shí)，也降低了不同倍頻程的最大噪聲。同樣，這項(xiàng)技術(shù)能使起動機(jī)總體振動降低7dB(表3)。

圖13　　采用原有技術(shù)和永久嚙合起動機(jī)技術(shù)時(shí)起動機(jī)的總噪聲和倍頻程噪聲

項(xiàng)目參數(shù)起動機(jī)總體振動/(m·s-2)原技術(shù)56.3永久嚙合式起動機(jī)技術(shù)49.0

4.2高功率起動機(jī)的試驗(yàn)

噪聲給駕駛者帶來的干擾與發(fā)動機(jī)再起動的時(shí)間直接相關(guān)。因此，再起動時(shí)間越短，在相同的噪聲水平下噪聲干擾越小。

減少再起動時(shí)間的主要途徑是提高起動機(jī)的功率。研究人員試驗(yàn)了2種起動機(jī)：(1) 0.8kW的常規(guī)起動機(jī)；(2) 專門用于低溫國家的1.3kW起動機(jī)。

圖14顯示了原起動機(jī)和高功率起動機(jī)起動持續(xù)時(shí)間的進(jìn)展過程?？梢郧宄乜吹?，起動機(jī)功率增加約1倍時(shí)，基于相同的壓縮次數(shù)(本試驗(yàn)中為4次)，發(fā)動機(jī)起動更快。

圖14　采用高功率起動機(jī)時(shí)的發(fā)動機(jī)起動持續(xù)時(shí)間的進(jìn)展情況

考慮到發(fā)動機(jī)再起動可能存在的偏差，對20次再起動的測量值進(jìn)行了平均。結(jié)果為高功率起動機(jī)的再起動時(shí)間平均減少約0.2s(表4)。

采用這種方案時(shí)，發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間與采用BSG技術(shù)時(shí)相同。通過采用永久嚙合式起動機(jī)消除嚙合沖擊，特別是減少起動時(shí)間(小于0.4s)，駕駛者對發(fā)動機(jī)再起動噪聲的感受明顯改善。

表4　采用原起動機(jī)和高功率起動機(jī)時(shí)的發(fā)動機(jī)再起動時(shí)間

4.3減少再起動時(shí)間的其他方案

還有其他一些技術(shù)可以減少發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間。例如，通過控制噴油正時(shí)也能減少再起動時(shí)間。采用可變氣門正時(shí)(VVT)技術(shù)能在1次壓縮行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)再起動。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被一些汽車制造商使用。

事實(shí)上，再起動時(shí)間是1個重要的參數(shù)，它直接影響到人們對發(fā)動機(jī)再起動噪聲的接受度。試驗(yàn)證實(shí)，人們對再起動持續(xù)時(shí)間的敏感度要比對噪聲水平的敏感度來得更高。

5結(jié)語

本文介紹了采用傳統(tǒng)齒圈起動機(jī)時(shí)發(fā)動機(jī)再起動的NVH綜合性能。識別了發(fā)動機(jī)再起動過程中產(chǎn)生的不同沖擊源。為了改善再起動噪聲給人的感受，對2種簡單和經(jīng)濟(jì)的方案進(jìn)行了試驗(yàn)：(1) 采用永久嚙合式起動機(jī)能夠減少起動機(jī)的噪音和振動；(2) 提高起動機(jī)功率可以減少發(fā)動機(jī)的再起動時(shí)間。這兩種解決方案可以使齒圈起動機(jī)得以優(yōu)化，使之有可能應(yīng)用于混合動力汽車。

武濤譯自SAE paper2014-01-2068

朱炳全校

虞展編輯

(收稿時(shí)間：2015-07-07)