基于燃燒分析與角度域分析的發(fā)動機敲擊異響排查

摘 要：文章基于西門子 LMS測試設(shè)備和軟件，通過對某自主品牌四缸發(fā)動機“噠噠聲”敲擊異響的時域/頻域信號分析確定異響響應頻段，以此響應頻段為參考基礎(chǔ)進一步通過發(fā)動機倒拖測試以及發(fā)動機燃燒分析、角度域分析確認異響與發(fā)動機點火角相關(guān)，并進行針對性的驗證，調(diào)整點火角消除該異響。

關(guān)鍵詞：異響 響應頻段 角度域分析 燃燒分析 點火角

發(fā)動機異響是由某些不正常激勵引起的噪聲，是影響整車駕駛舒適性的重要因素。如何識別和消除發(fā)動機異響是發(fā)動機開發(fā)過程中需要解決的主要問題之一。由于發(fā)動機結(jié)構(gòu)復雜，包含的零件較多，發(fā)動機異響產(chǎn)生的原因也較為復雜。發(fā)動機異響夾雜在其他正常的工作噪聲中，以往沒有專業(yè)的NVH測試工具條件下，只能通過人的主觀感受、換件驗證等方式進行排查，缺少針對性且時間、成本耗費較高，難以滿足目前的項目開發(fā)節(jié)點和售后市場快速響應要求。

借助專業(yè)的NVH測試設(shè)備可以快速識別異響源，并且能夠?qū)ο鄳母倪M措施進行量化的分析對比。異響響應信號往往具有隨機性，在時域上表現(xiàn)為相對明顯的脈沖信號，頻域上往往具有更高的聲壓幅值，這是初步識別異響的主要判斷依據(jù)。一般情況下，再結(jié)合異響時刻各個位置（振動傳感器布置）振動響應、異響的階次等方法就能快速地對異響進行排查。而對于一些成因比較復雜發(fā)動機異響，則需要進一步結(jié)合發(fā)動機的燃燒分析、角度域分析等方法，才能夠準確地對異響原因進行識別和分析。

1 發(fā)動機異響問題

某自主品牌2.0L四缸發(fā)動機在轉(zhuǎn)速1000-2500r/min條件下，存在連續(xù)的“噠噠”聲敲擊異響，將該發(fā)動機（連測功機）安裝到NVH臺架上，采用西門子 LMS測試設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集分析。根據(jù)異響的大概位置，布置噪聲測點2個，位置為發(fā)動機前端、后端近場位置；振動測點6個，位置為：發(fā)動機缸體4個、缸蓋和前罩殼各1個（如圖1）。同時采集缸壓火花塞點火脈沖信號以及曲軸位置傳感器信號。

2 異響排查與分析

2.1 信號的采集

發(fā)動機轉(zhuǎn)速從0到3000r/min（覆蓋異響轉(zhuǎn)速區(qū)間）全油門加速，采集發(fā)動機噪聲信號（采集頻帶范圍設(shè)定在0-10000Hz，覆蓋發(fā)動機主要的噪聲頻段）、振動信號、缸壓信號、點火信號、曲軸位置信號。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)采集的噪聲信號處理得到彩圖（圖2，橫坐標為頻率，左縱坐標為時間，右縱坐標為聲壓級），通過采集的音頻回放截取某一異響明顯時刻（2.05秒時刻，轉(zhuǎn)速1100rpm，扭矩105Nm），由圖像可知，800-2400Hz頻帶聲壓有明顯峰值。初步判斷為該異響的響應頻段。對噪聲信號進行濾波（圖3），保留800Hz-2400Hz（橫坐標為時間，縱坐標為聲壓），能夠明顯看出異響表現(xiàn)（尖銳毛刺）。

2.3 倒拖發(fā)動機測試

用測功機倒拖發(fā)動機，轉(zhuǎn)速從0到3000r/min未出現(xiàn)異響，主要表現(xiàn)為齒輪傳動副階次的噪聲。

2.4 結(jié)合發(fā)動機燃燒分析

通過將采集到的異響時間段發(fā)動機缸壓信號、發(fā)動機噪聲信號以時間為橫坐標進行同步采集分析，發(fā)現(xiàn)該異響（噪聲信號保留800-2400Hz進行濾波）與缸壓峰值存在關(guān)聯(lián)性（異響時刻剛好處于發(fā)動機某一缸的缸壓峰值時刻）。發(fā)動機點火順序為：1-3-4-2，當某一缸的缸壓達到峰值后，敲擊異響脈沖隨后出現(xiàn)（圖5）。結(jié)合發(fā)動機倒拖測試結(jié)果，判斷該異響為燃燒異響。

2.5 發(fā)動機角度域分析

取其中與某個缸壓峰值（例：1缸）關(guān)聯(lián)的異響點，結(jié)合火花塞點火脈沖信號、曲軸位置信號、缸體振動信號與噪聲信號進行同步分析（圖6）。根據(jù)曲軸位置傳感器信號可判斷活塞運行位置：該發(fā)動機曲位信號輪共36齒缺2齒，每齒角度為10°，缺齒后第12齒下行處為1#缸活塞處于上止點。缸壓火花塞在活塞到達上止點前0.5齒發(fā)出點火脈沖信號（即該工況點火提前角為5°）。隨后1缸缸體振動響應出現(xiàn)明顯峰值，緊接著出現(xiàn)敲擊異響。據(jù)此可判斷該發(fā)動機異響與點火角偏大有關(guān)。點火角偏大（點火時間越提前），發(fā)動機爆震傾向越大，容易產(chǎn)生敲擊異響。

3 措施以及驗證

3.1 措施驗證

考慮將點火提前角推后驗證是否能消除該敲擊異響。由于該發(fā)動機處于量產(chǎn)狀態(tài)，點火角調(diào)整會影響發(fā)動機動力性和油耗，因此調(diào)整范圍不宜過大，初步驗證點火角推后0～4°效果。在該發(fā)動機臺架上調(diào)整點火角，按照點火角推后0°（原點火角）、2°、3°和4°分別驗證。首先按照2.1步驟分別采集每一組點火角數(shù)據(jù)噪聲信號，從噪聲彩圖（圖7）對比可以看出，隨著點火角推后敲擊異響的響應特征（條狀波紋）明顯減少。進一步對每一組彩圖數(shù)據(jù)進行濾波處理，保留800Hz-2400Hz（圖8）?？梢悦黠@看到，異響表現(xiàn)（尖銳毛刺）隨著點火角推后明顯減少。點火角推后2°后，聲壓級降低83.9-77.3=6.6dB，結(jié)合現(xiàn)場主觀感受，異響明顯減弱。點火角減小4°后，聲壓級降低83.9-76.7=7.2dB，異響消失。

3.2 改進方案

綜上分析，通過將點火提前角推后可以明顯改善直至消除該敲擊異響。結(jié)合發(fā)動機油耗和動力性表現(xiàn)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)：點火角推后4°以上對發(fā)動機的動力性、油耗影響較大。而點火角推后3°后，該異響已基本消失（個別工況輕微異響已被發(fā)動機和整車正常工作噪聲掩蓋），且能同時兼顧動力性、油耗。綜合考慮，將發(fā)動機異響工況點火角推后3°-4°。

4 結(jié)語

本文首先通過發(fā)動機異響噪聲彩圖以及濾波處理分析得到異響的響應頻段，后續(xù)的分析以及對比都是以此異響頻段作為基礎(chǔ)。結(jié)合發(fā)動機倒拖測試結(jié)果以及發(fā)動機缸壓和異響響應時刻的聯(lián)系，對異響原因進行初步識別（與發(fā)動機燃燒相關(guān)）。進一步通過發(fā)動機角度域分析以及后續(xù)的措施驗證鎖定異響的根本原因（與點火角相關(guān)）。最后進行針對性地改進解決該發(fā)動機異響問題。

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