三缸機(jī)點火抖動分析及控制

李斌 曹友強(qiáng) 周昌水

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司,寧波 315300）

主題詞：三缸機(jī) 點火抖動 發(fā)動機(jī)懸置 起動機(jī)

1 前言

為了遵守越來越嚴(yán)格的排放和油耗等法規(guī)要求，汽車制造商不斷致力于開發(fā)更高效、更環(huán)保的動力總成。與四缸發(fā)動機(jī)相比，三缸增壓發(fā)動機(jī)可以在不犧牲動力性的前提下提升經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，逐漸受到各主機(jī)廠的青睞，目前市面上搭載三缸機(jī)的車型逐漸增多；制約三缸機(jī)推廣的主要原因是顧客擔(dān)心三缸機(jī)車型的抖動問題大，特別是隨著顧客對車輛乘坐品質(zhì)的要求越來越高，三缸機(jī)的NVH問題成為車型開發(fā)的重點。相對于傳統(tǒng)四缸發(fā)動機(jī)，起動點火（簡稱點火）階段三缸發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力較高，燃燒激勵較大，點火沖擊抖動成為車型開發(fā)過程中關(guān)注的重點，也成為乘客容易感知到的痛點。本文從三缸機(jī)車型點火抖動大的原因入手，探尋燃燒、懸置和起動機(jī)對點火抖動的影響，對三缸機(jī)車型點火抖動大的問題提出改善方向。

2 三缸機(jī)點火抖動機(jī)理分析

點火過程是化學(xué)能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程，為更好的理解點火過程，圖1描述了點火過程中某三缸發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和缸壓曲線。①區(qū)域為起動機(jī)拖動階段，該階段并未燃燒，發(fā)動機(jī)在起動機(jī)的拖動下壓縮缸內(nèi)氣體。具體動作為：閉合鑰匙開關(guān)后，起動機(jī)的吸合線圈和保持線圈中有電流通過，在電磁力的作用下鐵芯運動，通過撥叉使起動機(jī)的小齒輪向外移動和飛輪嚙合，然后起動機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪旋轉(zhuǎn)。在ECU的控制下，發(fā)動機(jī)開始噴油點火，進(jìn)入②區(qū)域，即燃燒階段，在缸內(nèi)燃燒壓力的作用下克服動力總成的阻力，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，隨后進(jìn)入怠速暖機(jī)階段，燃燒階段轉(zhuǎn)速曲線的每一個峰值即對應(yīng)發(fā)動機(jī)的一個缸內(nèi)噴油點火。定義圖1中A點為起動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)速，拖動轉(zhuǎn)速的高低反映了起動機(jī)點火能力的大小。起動機(jī)的退齒也是由ECU控制，ECU判斷發(fā)出退齒信號后，起動機(jī)的吸合線圈和保持線圈通過相反方向的電流，作用在鐵芯上的電磁場相互抵消，回位彈簧將鐵芯推回至原位，起動機(jī)停止工作[1,2]。

圖1 點火過程中某三缸機(jī)的轉(zhuǎn)速和缸壓曲線

分析點火過程可以看出，點火過程中的沖擊抖動主要有以下來源：

（1）起動機(jī)拖動發(fā)動機(jī)時，起動機(jī)齒輪和發(fā)動機(jī)飛輪嚙合產(chǎn)生的沖擊；

（2）起動機(jī)退齒時產(chǎn)生的沖擊；

（3）發(fā)動機(jī)燃燒階段所爆發(fā)出的高缸壓產(chǎn)生的沖擊。

由圖1可知，點火階段的最高缸壓約為怠速時缸壓的10倍左右。工程經(jīng)驗表明，相對于四缸發(fā)動機(jī)，點火階段三缸發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力較高，燃燒激勵較大，更容易被乘客感知到點火沖擊。從振動傳遞過程來看，動力總成通過懸置安裝到車體上，懸置是有彈性的，激勵力或者力矩通過懸置傳遞給車體，使得車體受力而發(fā)生振動，振動大時被客戶感知而引起抱怨。因此，三缸機(jī)點火抖動是一個系統(tǒng)性問題，需要從發(fā)動機(jī)燃燒激勵、起動機(jī)能力和懸置匹配等方面綜合考慮[3,4]。

3 點火抖動的評價標(biāo)準(zhǔn)

點火抖動屬于車身對發(fā)動機(jī)沖擊信號的振動響應(yīng)。沖擊信號屬于瞬態(tài)信號，不適合用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform,FFT）進(jìn)行分析，因為FFT處理時會涉及到一定長度的時域數(shù)據(jù)塊，存在時域數(shù)據(jù)塊的重疊和平均，這樣的處理方式可能歪曲或淹沒瞬態(tài)信號中的細(xì)節(jié)成分。若直接對時域沖擊信號的“峰-峰值”進(jìn)行比較作為沖擊的評價，同樣存在弊端，因為“峰-峰值”與人體的主觀感受并不一致，且未考慮沖擊響應(yīng)振蕩的持續(xù)時間。

振動劑量（Vibration Dose Value，VDV）為基于加速度4次方的評價方法，與其它評價方法相比，振動劑量對沖擊的峰值更加敏感，且充分考慮了沖擊響應(yīng)振蕩持續(xù)時間的影響，適合對沖擊響應(yīng)進(jìn)行評價[5-8]。其公式為：

式中，a(t)為振動加速度時域信號，單位是m/s2；VDV的單位為m/s1.75。綜合三個方向的振動劑量用式(2)來表示。

4 案例分析

某車型搭載三缸渦輪增壓發(fā)動機(jī)和七速雙離合變速箱，匹配有雙質(zhì)量飛輪，在開發(fā)階段點火抖動明顯，VDV值達(dá)到0.45 m/s1.75，而競品車的點火抖動VDV值為0.21m/s1.75左右，因此點火抖動問題引起客戶抱怨的風(fēng)險較高，本文針對該車型點火抖動大的問題進(jìn)行分析研究。

4.1 三缸發(fā)動機(jī)的點火激勵

發(fā)動機(jī)的激勵源主要為點火時氣缸內(nèi)氣體壓力產(chǎn)生的激勵力（或力矩）、運動部件的往復(fù)慣性力（或力矩）及離心慣性力（或力矩），這些力或者力矩會激勵起動力總成的剛體模態(tài)，使動力總成產(chǎn)生整體振動，振動可能包括上下、前后、左右的跳動，以及繞三個軸的搖擺。對動力總成坐標(biāo)系，定義X軸正方向平行于曲軸軸線，由發(fā)動機(jī)側(cè)指向變速箱側(cè)，Z軸豎直向上，Y軸滿足右手定則；對整車坐標(biāo)系，定義車頭往車尾方向為X軸正方向，Z軸豎直向上，Y軸滿足右手定則。由于動力總成具有不同的布置方式，因此，動力總成的坐標(biāo)系統(tǒng)可能與整車坐標(biāo)系統(tǒng)不相同。動力總成6個剛體模態(tài)與對應(yīng)的英文描述如表1所示。

表1 整車坐標(biāo)系下動力總成剛體模態(tài)描述

如表2所示，由于結(jié)構(gòu)形式的差異，三缸發(fā)動機(jī)和四缸發(fā)動機(jī)的激勵源不同。該三缸發(fā)動機(jī)匹配平衡軸，抵消了1階往復(fù)慣性力矩，激勵源為傾覆力矩及2階往復(fù)慣性力矩；傾覆力矩的作用方向為繞動力總成坐標(biāo)系的X軸（曲軸方向）旋轉(zhuǎn)，往復(fù)慣性力矩的作用方向為繞動力總成坐標(biāo)系的Y軸方向旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。工程經(jīng)驗表明，動力性相近的三缸機(jī)和四缸機(jī)，點火過程中三缸機(jī)的傾覆力矩比四缸機(jī)大約30%，如圖3所示，這對懸置匹配及三缸機(jī)點火抖動的解決帶來了很大挑戰(zhàn)。

表2 三缸發(fā)動機(jī)和四缸發(fā)動機(jī)的激勵對比

圖2 動力總成坐標(biāo)系下三缸機(jī)的傾覆力矩(a)及往復(fù)慣性力矩(b)的作用方向

圖3 點火過程中四缸機(jī)(a)和三缸機(jī)(b)的傾覆力矩對比

4.2 懸置對點火抖動的影響

懸置匹配和發(fā)動機(jī)的激勵密切相關(guān)，如圖4所示，該三缸發(fā)動機(jī)的發(fā)火順序為1-3-2，點火過程中在缸內(nèi)爆發(fā)壓力的作用下，克服發(fā)動機(jī)阻力，轉(zhuǎn)速震蕩上升，點火完成之后，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動也趨于平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速波動的間隔時間取決于缸內(nèi)爆發(fā)壓力的間隔時間。三缸發(fā)動機(jī)每240°點火一次，相比于四缸發(fā)動機(jī)每180°點火一次，三缸發(fā)動機(jī)在點火過程中的轉(zhuǎn)速波動更大，且進(jìn)入燃燒階段后，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降越多，轉(zhuǎn)速上升需要的缸內(nèi)爆發(fā)壓力越大，點火沖擊越大。因此減小點火缸壓是降低點火抖動的有效措施，但考慮到排放和低溫啟動等因素，不建議對點火角等標(biāo)定參數(shù)做大幅調(diào)整。

圖4 點火激勵頻率的判斷

怠速時發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒與缸壓穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動平穩(wěn)，是穩(wěn)態(tài)的周期性激勵；而點火過程中缸內(nèi)燃燒、缸壓和轉(zhuǎn)速波動性較大，且時間很短，是典型的非穩(wěn)態(tài)激勵，合理的處理方法是對瞬態(tài)的點火過程做周期性近似處理，以得到點火激勵頻率，如表3和圖4所示，考慮點火過程中能量較大的爆發(fā)缸壓，對應(yīng)轉(zhuǎn)速曲線中燃燒階段的前4個峰值，得到主要點火激勵頻率分別是11.6 Hz，19.2 Hz以及20.4 Hz，因此懸置應(yīng)合理匹配以使動力總成的剛體模態(tài)避開這些點火激勵頻率。

表3 轉(zhuǎn)速峰值間隔時間與點火激勵頻率

該車型的動力總成采用3點懸置的布置方式，通過試驗測試，該動力總成系統(tǒng)的剛體模態(tài)見表4。由表3和表4可知，點火過程中第一個激勵頻率11.6 Hz和Bounce模態(tài)的11.8 Hz相吻合，第二個激勵頻率19.2 Hz和Roll模態(tài)的18.6 Hz相吻合，因此點火抖動很大。重新優(yōu)化懸置后，變速箱懸置剛度調(diào)整為200 N/mm，發(fā)動機(jī)懸置剛度調(diào)整為200 N/mm，后懸置剛度調(diào)整為208 N/mm，動力總成的剛體模態(tài)，特別是Bounce和Pitch模態(tài)，均避開了點火激勵頻率1 Hz以上，因此顯著改善了點火抖動，VDV值降低到了0.32 m/s1.75。

4.3 起動機(jī)對點火抖動的影響

4.3.1 起動機(jī)功率、速比對點火抖動的影響

在起動點火過程中，起動機(jī)的小齒輪帶動發(fā)動機(jī)的飛輪工作，由能量守恒定律可知，

表4 動力總成剛體模態(tài)與點火抖動的關(guān)系

式中，Z1為起動機(jī)小齒輪的齒數(shù)；N1為起動機(jī)的轉(zhuǎn)速；Z2為發(fā)動機(jī)飛輪齒數(shù)；N2為發(fā)動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速。

在N1和Z2不變的情況下，增大Z1，即增大起動機(jī)小齒輪的齒數(shù)，可以提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，且仿真表明，起動機(jī)能力足夠強(qiáng)的情況下，在點火過程中雙質(zhì)量飛輪將不會進(jìn)入到二級彈簧區(qū)域，可避免雙質(zhì)量飛輪的二級頻率被點火頻率激勵起來；同時，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升的過程中，起動機(jī)把發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速拉的越高，越有利于降低發(fā)動機(jī)的爆發(fā)缸壓，可間接降低點火激勵。

圖5 1.3 kW-12齒(a)、1.5 kW-8齒(b)及1.5 kW-12齒(c)起動機(jī)的點火過程對比

表5 不同起動機(jī)點火過程參數(shù)對比

如圖5和表5所示，1.5 kW-12齒起動機(jī)相對于1.3 kW-12齒起動機(jī)，起動機(jī)拖動轉(zhuǎn)速提升了62 r/min，第3個缸點火時的轉(zhuǎn)速提升了71 r/min，第3個缸點火時的時間縮短了0.1 s，座椅抖動提升了0.08 m/s1.75；相對于1.5 kW-8齒起動機(jī)，起動機(jī)拖動轉(zhuǎn)速提升了47 r/min，第3個缸點火時的轉(zhuǎn)速提升了85 r/min，第3個缸點火時的時間縮短了0.08 s，點火抖動改善了0.12 m/s1.75。因此，增大起動機(jī)的功率和小齒輪的齒數(shù)能夠提升發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，縮短起動點火時間，改善點火抖動。

4.3.2 搭載BSG電機(jī)的起動點火抖動特征

本文進(jìn)一步研究了該車型搭載BSG（Belt-driven Starter Generator）電機(jī)的點火抖動特征，BSG是一項輕度混合動力技術(shù)，具有起動、助力及輔助停機(jī)等功能，可減少油耗，實現(xiàn)低碳排放。布置上在發(fā)動機(jī)前端用BSG電機(jī)與發(fā)動機(jī)連接，取代了原有的發(fā)電機(jī)，實現(xiàn)了混合動力一體化，由于對發(fā)動機(jī)原有結(jié)構(gòu)改動小，因此容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。如圖6和表6所示，相對1.5 kW傳統(tǒng)起動機(jī)，BSG電機(jī)起動的點火時間由0.64 s減小到0.45 s，第三個缸點火時的轉(zhuǎn)速由921 r/min提高到1 269 r/min，點火抖動由0.32 m/s1.75降低到了0.15 m/s1.75。工程經(jīng)驗表明，相對于起動機(jī)，BSG電機(jī)起動能力更強(qiáng)，不噴油的情況下可將發(fā)動機(jī)拖到920 r/min，而一般起動機(jī)只能拖到420 r/min，起動機(jī)點火時的最高缸壓約4.5 MPa，而BSG在點火過程中所需最高缸壓僅約3.2 MPa，因此BSG車型在點火過程中，發(fā)動機(jī)靠爆發(fā)缸壓來拉升轉(zhuǎn)速所占的權(quán)重較低，所以顯著降低了點火激勵，極大的改善了點火抖動。

圖6 起動機(jī)點火(a)和BSG電機(jī)點火(b)的過程對比

表6 起動機(jī)點火和BSG電機(jī)點火參數(shù)對比

5 結(jié)論

本文從燃燒、懸置及起動機(jī)機(jī)3個方面分析了三缸機(jī)車型的點火抖動問題，三缸機(jī)點火過程中較高的爆發(fā)壓力是點火抖動大的激勵源，但出于安全性的考慮，點火缸壓無法明顯降低去解決點火抖動問題；在抖動機(jī)理上將點火的瞬態(tài)過程近似穩(wěn)態(tài)處理去得到點火激勵頻率，在懸置匹配上使點火激勵頻率避開動力總成的剛體模態(tài)1 Hz以上；同時，大功率、高齒數(shù)起動機(jī)能夠縮短點火時間，在點火過程中將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速拖的更高，從而快速通過雙質(zhì)量飛輪的共振區(qū)。通過優(yōu)化懸置及起動機(jī)，將三缸機(jī)的點火抖動從0.45 m/s1.75降低到了0.2 m/s1.75，BSG車型的點火抖動可進(jìn)一步改善25%，降低了客戶抱怨的風(fēng)險，維護(hù)了產(chǎn)品的品牌形象。