發(fā)動(dòng)機(jī)三缸機(jī)與NVH研究

楊園園，朱云波，郭夢(mèng)夢(mèng)，于 洋

（寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司，浙江 寧波 315336）

引言

傳統(tǒng)車輛的NVH是提升車輛品質(zhì)的重要指標(biāo)，而影響NVH的重要因素是發(fā)動(dòng)機(jī)，所以研究發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)NVH的影響顯得尤為重要。

1 概述

發(fā)動(dòng)機(jī)三缸機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹：小排量、高壓縮比、直噴、增壓。

主要設(shè)計(jì)理念：面容比高、散熱比例相對(duì)小，熱效率高；對(duì)比同排量四缸機(jī)，摩擦損失小，油耗更低；三缸排氣間隔角度240°，排氣過程存在的干涉少，使排氣更通暢，缸內(nèi)的殘余廢棄量少，壓縮比有所提高。

2 三缸機(jī)曲軸平衡特點(diǎn)

2.1 簡(jiǎn)述

發(fā)動(dòng)機(jī)三缸機(jī)的平衡一般是通過曲軸平衡塊實(shí)現(xiàn)的平衡。

常見的平衡方法是：?jiǎn)屋S平衡法，雙軸平衡法，過量平衡法等。

理論分析，發(fā)動(dòng)機(jī)三缸機(jī)的不平衡力矩可以通過四軸平衡進(jìn)行消除。即除了可以在曲柄上加平衡重外，還可以增加兩根與曲軸相同轉(zhuǎn)速的平衡軸平衡一階慣性矩；如果需再平衡二階往復(fù)慣性力矩，則還需一組等同于曲軸兩倍轉(zhuǎn)速的雙軸平衡裝置，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及成本等方面的限制，大多只平衡一階往復(fù)慣性力矩。

如果不加平衡軸，采用過量平衡法可以達(dá)到提高平衡效果的目的。過量平衡法既簡(jiǎn)單，又能提高平衡效果，降低垂直方向振動(dòng)效應(yīng)。

2.2 市場(chǎng)主流三缸機(jī)特點(diǎn)

第一種：?jiǎn)纹胶廨S和偏心皮帶加雙質(zhì)量飛輪的設(shè)計(jì)方案。

第二種：降低噪聲減輕振動(dòng)設(shè)計(jì)，增壓器使用全鋁材料，并使用無聲平衡軸和解耦式平衡軸齒輪設(shè)計(jì)方案。

第三種：去平衡軸設(shè)計(jì)理念，通過在飛輪和皮帶上實(shí)現(xiàn)“不平衡”設(shè)計(jì)，并通過懸置系統(tǒng)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過飛輪和前段皮帶輪消除振動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。

表1 相關(guān)品牌車型介紹

2.3 三缸機(jī)平衡特點(diǎn)

三缸機(jī)平衡特點(diǎn)如圖1所示：

圖1 平衡特點(diǎn)展示圖

2.4 某三缸機(jī)曲軸設(shè)計(jì)特點(diǎn)

不帶平衡軸，曲軸平衡重的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下所示：

（1）完全平衡旋轉(zhuǎn)慣性力矩；

（2）平衡50%的一階往復(fù)慣性力矩。

圖2 變速箱懸置振動(dòng)加速度

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)懸置振動(dòng)加速度

3 三缸機(jī)平衡及NVH所帶來的挑戰(zhàn)

（1）三缸機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速不均性更大；

（2）怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制難度加大；

（3）附件皮帶機(jī)變速箱齒輪NVH控制難度加大；

（4）懸置怠速避頻設(shè)計(jì)受限。

應(yīng)對(duì)措施：

（1）提高點(diǎn)火轉(zhuǎn)速；

（2）提高怠速轉(zhuǎn)速；

（3）主動(dòng)隔振懸置；

（4）單質(zhì)量飛輪采用大慣量；

（5）采用DMF或離心擺飛輪；

（6）減少附件皮帶抖動(dòng)。

圖4 3、4缸機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)比較

圖5 3、4缸機(jī)怠速懸置模態(tài)匹配

圖6 提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速飛輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)

圖7 OAD減小皮帶載荷效果

4 應(yīng)對(duì)策略

4.1 怠速抖動(dòng)

問題表現(xiàn)：三缸發(fā)動(dòng)機(jī)（無平衡軸）配置車型在空擋、勻速、加速等任意工況通過1 000～1 100 rpm轉(zhuǎn)速范圍區(qū)間，存在明顯的整車抖動(dòng)抱怨。此抖動(dòng)為一階的振動(dòng)，頻率特征約為16～18.5 Hz。故，三缸機(jī)如果取消平衡軸，動(dòng)力總成將存在一階激勵(lì)。

問題分析：

懸置的剛體模態(tài)：動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的剛體模態(tài)頻率在Roll-16.7 Hz，Yaw-18.3 Hz模態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)1000 rpm轉(zhuǎn)速附近一階激勵(lì)與懸置剛體模態(tài)產(chǎn)生耦合共振，導(dǎo)致整車抖動(dòng)現(xiàn)象。

解決方案：

優(yōu)化懸置：增大阻尼，采用非解耦液壓懸置。

圖8 非解耦壓懸置曲線圖

4.2 加速抖動(dòng)

問題表現(xiàn)：

三缸機(jī)（無平衡軸）配置車輛在1/2擋大扭矩工況下加速過程中存在明顯的整車抖動(dòng)；

1擋大油門起步，離合器半嚙合工況以及1/2擋全油門WOT加速工況，2 000 rpm以上整車抖動(dòng)明顯。抖動(dòng)特征為一階慣性力矩，頻率范圍在30～80 Hz。

問題分析：

一階激勵(lì)：三缸機(jī)由于取消了平衡軸，動(dòng)力總成存在一階激勵(lì)。

傳遞路徑：確定一階激勵(lì)能量主要通過半軸一轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞至車身。

解決方案；

通過將左右半軸萬向節(jié)節(jié)型由A型更改為B型，從而改變工作傳遞路徑，在問題工況下整車抖動(dòng)有明顯改善。

4.3 點(diǎn)火抖動(dòng)

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)由于其不平衡性，在點(diǎn)火過程中容易引起整車抖動(dòng)問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火抖動(dòng)整車匹配相關(guān)因素：

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過程是由啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)飛輪齒圈，帶動(dòng)曲軸達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)開始燃燒的轉(zhuǎn)速，保證混合氣體的形成，壓縮和點(diǎn)火能夠順利進(jìn)行。另外，由于啟動(dòng)瞬間扭矩沖擊較大，懸置系統(tǒng)的隔振與限位對(duì)點(diǎn)火抖動(dòng)性能影響也較大。

圖9 點(diǎn)火路徑

三缸機(jī)點(diǎn)火抖動(dòng)問題應(yīng)對(duì)措施：

（1）提高啟動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

（2）匹配DMF與懸置剛體模態(tài)共振頻率，避免共振；

（3）調(diào)整懸置剛度，提升瞬態(tài)沖擊振動(dòng)隔振與限位。

圖10 影響因素

4.4 熄火抖動(dòng)

問題表現(xiàn)：

三缸機(jī)熄火后由于其不平衡性導(dǎo)致轉(zhuǎn)速波動(dòng)的瞬間變化引起整車抖動(dòng)抱怨。

轉(zhuǎn)速波動(dòng)優(yōu)化方案：

（1）優(yōu)化節(jié)氣門開度；

（2）優(yōu)化VVT相位；

（3）調(diào)整DMF阻尼。

5 總結(jié)

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡技術(shù)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定，促進(jìn)整車良好NVH的重要因素，針對(duì)三缸發(fā)動(dòng)機(jī)易出現(xiàn)的抖動(dòng)問題，采取對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案，可實(shí)現(xiàn)整車的NVH要求。