基于角度域分析的汽油機活塞連桿敲擊試驗研究

陳瑋，王金立，李凱，袁飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于角度域分析的汽油機活塞連桿敲擊試驗研究

陳瑋，王金立，李凱，袁飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某款汽油發(fā)動機小批量生產時，熱機怠速時，有較為明顯敲擊異響。為解決該異響問題，文章分析了活塞連桿敲擊異響的產生機理，并使用了角度域分析方法對發(fā)動機的振動、噪聲信號進行了采集分析，確定了敲擊異響的活塞連桿組件。通過優(yōu)化連桿大頭配瓦間隙等參數(shù)，經過試驗驗證，敲擊異響消失。

角度域；活塞連桿；敲擊；間隙；潤滑

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-201-03

引言

活塞連桿機構是往復發(fā)動機必要的運動機構，將燃燒膨脹功轉化為曲軸組件的旋轉運動，其工作環(huán)境較為惡劣，不僅對發(fā)動機的動力性、經濟性和排放性能有較大影響，而且對發(fā)動機的NVH性能也有較大的貢獻。

某L4汽油發(fā)動機小批量生產，熱怠速時出現(xiàn)了較為明顯的敲擊聲，本文對發(fā)動機活塞連桿機構的敲擊音機理進行了總結，采集了發(fā)動機缸體振動以及近場噪聲信號，通過角度域方法確定了產生敲擊異響的缸數(shù)，通過拆解檢測確定了異常的零部件，更換樣件后，敲擊異響消失。

1、活塞連桿敲擊機理分析

活塞連桿敲擊包括燃燒敲擊（爆震）和機械敲擊，燃燒敲擊主要是缸內燃燒出現(xiàn)爆震波，此時會出現(xiàn)清脆的敲擊聲[1]。機械敲擊指發(fā)動機負荷較小時也出現(xiàn)的敲擊現(xiàn)象，與運動副的配合間隙和潤滑情況有關。

1.1 燃燒敲擊

燃燒敲擊也稱為爆震，汽油機發(fā)生爆震時，燃燒室內壓力波作用于缸體和缸蓋，使發(fā)動機產生劇烈的振動，主觀可聽到較為清脆的高頻敲擊聲，根據(jù)敲擊強度分為輕微爆震、強爆震和超級爆震。

通過燃燒室壓縮比設計、優(yōu)化點火正時、混合氣加濃、分層和掃氣等方式抑制發(fā)動機的爆震[2]，改善燃燒敲擊。

1.2 機械敲擊

活塞連桿總成包括缸套、活塞、活塞環(huán)總成、活塞銷、連桿、連桿瓦和曲柄銷等部件組成。

圖1 活塞連桿機構

文獻[3]闡述了活塞銷與連桿小頭敲擊噪聲的兩種機制，即活塞銷-連桿小頭間隙過大及連桿小頭形狀公差不當引起的噪聲；文獻[4]對活塞以及活塞銷產生的噪聲進行了研究和分類；文獻[5]討論了活塞偏心量和缸內潤滑情況活塞敲缸的影響。除以上文獻討論的因素外，連桿配瓦間隙過大、連桿瓦的壓縮高度不足以及潤滑不良等因素也會出現(xiàn)敲擊異響。

1）活塞敲擊

活塞敲擊包括橫向敲擊和縱向敲擊，表現(xiàn)為活塞頭部裙部與氣缸套之間的敲擊，一般發(fā)生在活塞往復止點換向時刻，根據(jù)敲擊力的方向可分為橫向敲擊和縱向敲擊。

活塞敲擊的主要因素有活塞頭部群部與缸套的間隙、活塞曲軸偏心量、曲軸連桿的變形量以及潤滑狀況等。

2）活塞環(huán)敲擊

活塞環(huán)敲擊主要發(fā)生在環(huán)與環(huán)槽、環(huán)與氣缸凸肩等，一般在壓縮上止點前后，環(huán)塞環(huán)敲擊會較為明顯。

活塞環(huán)敲擊的因素主要有活塞環(huán)-環(huán)槽的間隙、活塞環(huán)張力、以及缸套環(huán)槽磨損情況等。

3）活塞銷敲擊

活塞銷敲擊是活塞銷在壓縮上止點附近，與連桿小頭產生敲擊聲，表現(xiàn)為“噠噠”聲。活塞敲擊對潤滑條件較為敏感，冷啟動時會比較明顯。

活塞銷敲擊的因素主要有活塞銷-活塞以及活塞銷-連桿小頭的配合間隙，運動副的潤滑情況及油膜厚度等。

4）連桿瓦敲擊

連桿瓦敲擊是指連桿瓦與曲柄銷和連桿大頭之間產生的敲擊。該敲擊異響較輕，怠速時較小，加速時明顯變大，發(fā)動機負荷增加，連桿瓦敲擊也增大。

連桿瓦敲擊的因素主要有配瓦間隙、軸瓦壓縮高度和彈張量、螺栓力矩以及潤滑等。

2、試驗結果及分析

2.1 角度域工作原理

L4發(fā)動機曲軸每2轉為一個工作循環(huán)[6]，因此通過角度域方法可以對每缸的燃燒、振動等情況進行準確的分析。

角度域分析是曲軸角度域上等轉角采樣，其基本概念是，當θ→∞(t →∞)時，對于任意轉速n，其采樣角度周期Tθ不變；其在時區(qū)上的采樣時間Tt是發(fā)動機轉速n的函數(shù)[7]。

上式中：n為發(fā)動機轉速，r/min；z為氣缸數(shù)；λ為發(fā)動機沖程數(shù)，二沖程時為1，四沖程時為2。

2.2 角度域數(shù)據(jù)采集

本次試驗同步采集了飛輪起動齒圈脈沖、1缸燃燒壓力以及缸體的振動信號，并以1缸Pmax時刻定義0度角，見圖2所示。

圖2 飛輪起動齒圈脈沖與1缸缸壓信號

2.3 角度域數(shù)據(jù)分析

熱怠速時，通過數(shù)字濾波分析可確定敲擊異響的主要頻段為850-2200Hz，主要是曲柄連桿敲擊傳遞到發(fā)動機缸體，從而激起缸體的結構輻射噪聲，見圖3。

試驗數(shù)據(jù)顯示，160。CA和640。CA附近缸體的振動幅值較為明顯，較其他缸點火時高2-3倍左右，可判定該敲擊可能來自第2、3缸，見圖4。

圖3 熱機怠速頻譜

圖4 缸體振動曲線，熱怠速

2.4 優(yōu)化件驗證

通過拆解測量，第2、3缸的連桿瓦的壓縮高度和自由彈張量較小，且軸瓦-曲柄銷之間的配合間隙超出設計上限。對2、3缸的連桿瓦重新選配，恢復樣機進行試驗驗證，怠速時，缸體的振動降低50%左右，敲擊異響消失，見圖5。

圖5 優(yōu)化前后缸體振動，熱怠速

3、結論

（1）角度域測試可確定異常的缸數(shù)，結合拆解測量分析，鎖定了異常的參數(shù)，并通過更換異常連桿瓦，消除了發(fā)動機怠速敲擊噪聲。

（2）對軸瓦的內徑公差、壓縮高度等參數(shù)重新進行了設計優(yōu)化，并通過了冷拉缸驗證，確定了較為合理的軸瓦設計數(shù)。

[1] 李向榮,魏镕,孫柏剛，杜魏,周磊等內燃機燃燒科學與技術[M] 北京航空航天大學出版社,2012.

[2] 徐雅齊,王志,王建昕,李東升等,增壓直噴汽油機超級爆震的不同抑制方法[J],內燃機學報,2014,32（1）：26-31.

[3] Nasser Moshrefi, Gray Mazzella, Dave Yeager, et al Gasoline Engine Piston Pin Tick Noise[C] SAE Paper 2007-0102290.

[4] Reiner Kunzel, Michael Tunsch, Martin Werkmann. Piston Related Noise with Spark Ignition Engines Characterization, Quantification and Mechanisms of Excitation[C]. SAE Paper 2000-01-3311.

[5] 馮圓,楊瑞文,陳紅兵,黃春生,王勇等 增壓發(fā)動機怠速敲缸噪聲研究[J],車用發(fā)動機,2013,6:75-78.

[6] 魏春源,張衛(wèi)正,葛蘊珊等 高等內燃機學[M] 北京理工大學出版社,2001.

[7] 曹恒,孫寶元,段軍等,基于曲軸角度域閉環(huán)辨識柴油機模型[J]，大連理工大學學報,2001,41（1）：73-76.

Experimental Study of the SI Engine Piston Conrod Knock Based on Angle Domain Analysis

Chen Wei, Wang Jinli, Li Kai, Yuan Fei
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

When some gasoline engine is small batch production, the knock noise is clear on hot idle condition. In order to solve the this problem, this paper analyzes the mechanism of piston conrod knock noise, the engine vibration and noise have been acquired and analyzed using the angle domain method, to make sure which assembly of piston and conrod bring the knock noise. Through optimizing the clearance between conrod big end and the bearing etc. the knock noise disappear after test.

Angle Domain; Piston conrod; Knock; clearance; lubrication

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-201-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.069

陳瑋，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。