極寒工況下燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動優(yōu)化

摘要：傳統(tǒng)燃油汽車在-20 ℃以下極端異常寒冷工況下運(yùn)行工作，將產(chǎn)生明顯的冷機(jī)怠速現(xiàn)象。為此，對燃油車輛轉(zhuǎn)速波動、發(fā)動機(jī)振動特性及內(nèi)部燃燒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬測試，通過詳細(xì)對比發(fā)動機(jī)噴油量、進(jìn)氣壓力和點火提前角等實驗參數(shù)，基于角度域、頻譜和時域分析汽車在怠速工況下的異常抖動原因。經(jīng)排查，因燃油車發(fā)動機(jī)內(nèi)部點火提前角、噴油量與實際進(jìn)氣壓力控制穩(wěn)定性不佳，易引起瞬態(tài)轉(zhuǎn)速波動，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)右懸置膠料低溫結(jié)晶，使懸置隔振剛度性能下降惡化，引起車內(nèi)間歇性一階異常抖動。因此建議對懸置膠料配方優(yōu)化，并使用順丁膠提高發(fā)動機(jī)右懸置膠料結(jié)晶溫度，來解決冷機(jī)怠速抖動問題。

關(guān)鍵詞：極端寒冷工況；燃油車；低溫冷機(jī)；怠速異常抖動；優(yōu)化措施

中圖分類號：U472.9 ?收稿日期：2023-02-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.026

1 極寒工況下燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動機(jī)理

汽車主要動力來源是發(fā)動機(jī)，是極端寒冷工況下燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動產(chǎn)生的主要根源[1]。因此，對于市面上常見傳統(tǒng)燃油汽車，在分析低溫冷機(jī)怠速異常抖動機(jī)理時，應(yīng)從源頭、抖動傳遞路徑及響應(yīng)點三個方面進(jìn)行分析。

a.從抖動源頭分析。一般情況下，若傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機(jī)剛體模態(tài)被激發(fā)，發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件缺乏良好動平衡性，且當(dāng)燃油車燃燒異常時，都會引起燃油車發(fā)動機(jī)在極端寒冷工況下異常抖動[2]。

b.從抖動傳遞路徑分析。①如果部分器件存在異常抖動，則傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機(jī)異常抖動會迅速通過剛體模態(tài)、發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)件等結(jié)構(gòu)路徑向整車傳遞，從而快速引起傳統(tǒng)燃油汽車整車發(fā)動機(jī)異常抖動。②如果汽車在路況不佳路面行駛，勢必會引起汽車輪胎胎皮力傳遞率大增，同時若汽車輪胎總成端面跳動或動平衡性較差，也會使汽車動力源，即源頭振動激勵大增，由此會使傳統(tǒng)燃油汽車整車發(fā)動機(jī)異常抖動增大[3]。

c.從抖動最終響應(yīng)點分析。如果傳統(tǒng)燃油汽車制動管路、燃油管路或空調(diào)管路固定管夾隔振性差，且動力總成前后懸架系統(tǒng)隔振性能不足、襯套隔振差等，均會引起傳統(tǒng)燃油車整車抖動大增。如果汽車所處外界環(huán)境為高寒或者極端高溫環(huán)境，汽車整車隔振元件剛度會受高寒、高溫環(huán)境影響，尤其傳統(tǒng)燃油汽車慣用隔振元件為橡膠類材料，所以汽車隔振性在寒冷冬天會有顯著變化波動，且會隨橡膠硬度變化而變化；此外，若傳統(tǒng)燃油車車身接附點動剛度不高，車身附件模態(tài)頻率耦合或模態(tài)響應(yīng)大，都會引起整車振動響應(yīng)點共振，進(jìn)而導(dǎo)致燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動[4]。

2 試驗測試分析與問題解決方案

2.1 燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動特征

首先，測試分析燃油車整車怠速振動特征，如圖1所示，通過對燃油車車內(nèi)座椅導(dǎo)軌處振動情況進(jìn)行振動加速度傳感器測試分析，其中車內(nèi)振動水平用汽車座椅上振動情況來表示，這種振動可被人體直接感受到。另外，汽車發(fā)動機(jī)整體燃燒性能都可通過發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速來反映。因此，在試驗分析整車怠速振動特征時，需通過對汽車發(fā)動機(jī)曲軸瞬時轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試來準(zhǔn)確判斷燃油汽車發(fā)動機(jī)是否屬于穩(wěn)定燃燒工況。

如圖1所示，在試驗測試時，為了對燃油汽車正常怠速工況進(jìn)行測試，需要做好以下工作：a.需對車輛整車熱車，并進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)水溫保持在90 ℃以上即可。b.需對車輛冷卻風(fēng)扇實際狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保汽車?yán)鋮s風(fēng)扇被關(guān)閉，以便將汽車?yán)鋮s風(fēng)扇振動所引起的整車怠速振動排除。c.采用專業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件和采集系統(tǒng)來測試汽車整車怠速振動情況，同時采集汽車在極端寒冷工況下的怠速振動信號。為了能夠更加準(zhǔn)確地反映試驗測試結(jié)果，本研究將整車測試時間長度控制在30 min內(nèi)，在試驗過程中，由專業(yè)測試人員在車內(nèi)客觀采集整車在某一段時間內(nèi)的怠速穩(wěn)態(tài)振動水平，并對數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行主觀評價與分析。

在試驗測試過程中，測試人員在不同時間段主觀能夠感受到車內(nèi)低頻振動波動時而明顯，時而存在較大差別，這種振動波動幅度隨測試時間延長逐漸增大。為了測試傳統(tǒng)燃油汽車低頻間歇性抖動情況，本研究依次針對汽車座椅內(nèi)不同時間段的抖動數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，如圖2所示，測試發(fā)現(xiàn)，被測燃油車輛在不同時間段內(nèi)怠速轉(zhuǎn)速為650 r/min，此時汽車發(fā)動機(jī)1階振動波動轉(zhuǎn)動基頻為11.29 Hz，當(dāng)被測車輛發(fā)生明顯抖動時，正常工況下1階振動幅值是異常工況下1階振動的1.6倍。由此判斷，被測車輛間歇性抖動主要由于車內(nèi)乘客感受到的1階振動波動引起。

在上述試驗測試基礎(chǔ)上，繼續(xù)針對圖2所示的兩種不同工況，在抖動明顯和不明顯兩種情況下對汽車發(fā)動機(jī)曲軸瞬態(tài)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集提取，通過頻譜分析車內(nèi)抖動不明顯和抖動明顯時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動特征，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)出現(xiàn)明顯抖動時，傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機(jī)會產(chǎn)生較大的1階轉(zhuǎn)速波動；相反，當(dāng)車內(nèi)抖動較小時，汽車發(fā)動機(jī)1階轉(zhuǎn)速波動就會大大減小，此時1階轉(zhuǎn)速波動是車內(nèi)抖動明顯時的1/2。據(jù)此可以得知，燃油汽車間歇性抖動是由1階轉(zhuǎn)速波動引起的，因此在異常波動優(yōu)化時，須提高汽車發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性，避免發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動不穩(wěn)引起整車間歇性抖動，從而改善車內(nèi)乘客體驗和感受。

另外，本研究在測試分析汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動和整車振動時，通過試驗方式同步測試了燃油汽車發(fā)動機(jī)四缸點火信號和進(jìn)氣壓力。與此同時，本研究結(jié)合發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速波動CAN信號，分別對汽車發(fā)動機(jī)噴油、進(jìn)氣、點火特征三個影響汽車發(fā)動機(jī)燃燒性能的進(jìn)氣特性進(jìn)行測試分析。

2.2 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力和噴油量波動情況

基于前文研究試驗，在一定時間范圍內(nèi)測試了車內(nèi)1階振動不穩(wěn)定時的發(fā)動機(jī)異常波動。通過提取汽車座椅在30 min內(nèi)的一階實驗振動信號，然后與進(jìn)氣壓力信號分析對比，得到如圖3所示關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣壓力。

圖3測試結(jié)果顯示，車內(nèi)座椅1階振動在30 min之內(nèi)的測試數(shù)據(jù)與進(jìn)氣壓力信號均存在較為明顯的異常波動情形，在這種試驗工況之下，汽車發(fā)動機(jī)車內(nèi)1階振動幅值與發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力呈正比關(guān)系，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力增大時，燃油車車內(nèi)1階振動幅值也在逐漸增大。相反，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力減小時，燃油車車內(nèi)1階振動幅值也在逐漸減小。本研究通過提取分析汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力的谷峰值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)1階振動分別出現(xiàn)于30 min內(nèi)的峰值和谷值的時刻，由此表明，燃油車車內(nèi)1階間歇性抖動主要受汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力波動的影響。

另外，汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力的波動變化還會引起汽車發(fā)動機(jī)噴油量的波動與變化[5]。針對前文試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，本研究又分別提取了車內(nèi)抖動不明顯與明顯兩個不同試驗工況下的進(jìn)氣壓力變化數(shù)據(jù)與噴油量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在20 s的測試時間里，發(fā)動機(jī)噴油量信號與整車CAN信號的變化與波動均存在較為明顯的抖動，且二者存在顯著的關(guān)聯(lián)性。如圖4所示，汽車發(fā)動機(jī)在發(fā)生不明顯抖動和明顯抖動時的平均噴油量分別為0.61 L/h和0.66 L/h，相比而言，后者比前者增大約7.5%。由此充分說明，汽車發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定噴油控制，也會引起發(fā)動機(jī)及整車產(chǎn)生明顯波動。

2.3 發(fā)動機(jī)點火提前角波動分析

在汽車車輛工程理論中，發(fā)動機(jī)燃燒性能會受到點火提前角影響[6]，這一試驗參數(shù)是本研究試驗的重點所在，首先在試驗環(huán)節(jié)，本研究提取了同步采集的車內(nèi)不明顯抖動和明顯抖動試驗數(shù)據(jù)，通過對汽車發(fā)動機(jī)四個缸的點火控制電壓信號進(jìn)行角度域轉(zhuǎn)換，然后將點火控制電壓與曲軸信號盤的缺齒信號關(guān)聯(lián)，基于不同情況分析點火提前角波動特征。

在試驗測試時，首先提取四缸點火控制信號，然后根據(jù)每個零度原點的點火電壓與各缸之間的上止點角度，對點火提前角進(jìn)行測試，如圖5所示，抖動明顯與不明顯兩個工況下的點火信號波動存在較大差異，二者在點火提前角發(fā)生明顯減小的情況下，點火時刻發(fā)生顯著延遲。這就表明，在抖動不明顯與抖動明顯這兩個時間段內(nèi)，燃油汽車發(fā)動機(jī)存在明顯的點火控制差異。基于此，本研究又分別結(jié)合這兩種不同測試工況，統(tǒng)計了汽車發(fā)動機(jī)同一缸在20 s內(nèi)的點火提前角。研究發(fā)現(xiàn)，在汽車發(fā)動機(jī)存在明顯異常抖動工況下，汽車發(fā)動機(jī)波動量和點火提前角明顯偏大，且逐漸變得分散。

3 結(jié)語

由試驗結(jié)果可知，當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)發(fā)生明顯異常抖動怠速時，傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)四缸點火提前角波動方差更大，而波動均值更小，這一工況下實測數(shù)值是汽車發(fā)動機(jī)不發(fā)生明顯異常抖動怠速時的3.5倍。由此表明，汽車整車間歇性抖動怠速主要受發(fā)動機(jī)點火提前角控制不穩(wěn)定因素影響，它對汽車整車實測結(jié)果的影響貢獻(xiàn)最大?；谏鲜鲈囼灉y試結(jié)果與結(jié)論，在優(yōu)化解決極端寒冷工況下燃油車低溫冷機(jī)怠速異常抖動問題時，首先必須要有效改善懸置橡膠在高寒環(huán)境中的隔振性能，建議使用耐低溫性能好的順丁膠替代原有的耐低溫性能比較差的苯膠，通過優(yōu)化膠料成分，將原狀態(tài)和優(yōu)化后的右懸置分別置于-25 ℃的極端寒冷環(huán)境下，經(jīng)過連續(xù)72 h放置，然后在相同條件下進(jìn)行懸置低溫動剛度比對，發(fā)現(xiàn)膠料優(yōu)化后與優(yōu)化前，右懸置動剛度分別為662.7 N/mm與1 243.3 N/mm，此時汽車座椅導(dǎo)軌主觀評價抖動振動為0.011 g，滿足整車抖動指標(biāo)閾值控制要求，因此汽車發(fā)動機(jī)怠速抖動故障得以解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]池振坤，石京杰，李楊，等.汽車發(fā)動機(jī)怠速抖動故障分析與排除[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（21）：144-145.

[2]相龍洋，顧彥，黃亞.汽車怠速間歇性異常抖動研究[J].汽車實用技術(shù)，2019（8）：136-138.

[3]相龍洋，顧彥.汽車怠速異常抖動分析及診斷[J].汽車實用技術(shù)，2019（2）：172-174.

[4]楊陽.淺談長安悅翔1.5 L發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)、異常抖動[J].汽車實用技術(shù)，2018（7）：170-171.

[5]鄭偉娟，李元寶，趙偉.動力總成引起的轎車轉(zhuǎn)向盤異常振動問題的研究[C]//2010中國汽車工程學(xué)會年會論文集.中國汽車工程學(xué)會，2010：91-93.

[6]張偉，張培婷，肖建斌.常用橡膠的低溫性能研究[J].特種橡膠制品，2019，40（4）：27-29.

作者簡介：

高曉勇，男，1983年生，工程師，研究方向為汽車檢測與維修。