混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程N(yùn)VH特性及控制策略優(yōu)化研究

中圖分類號(hào)：U464 收稿日期：2025-03-20 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.07.010

NVH Characteristics and Control Strategy Optimization of Engine Start-stop Process in Hybrid Vehicles

YuGe Hunan Vocational College of Electronic and Technology，Changsha 41oooo，China

Abstract：Hybridvehicleshaveatractedwidespreadatentioninthefieldofnewenergyvehiclesduetotheiradvantagesinenergy savingandenvironmentalprotection.Theenginestartstoptechologysoneoftecoretechologiesofhybridveicles，utitlsofac essomeproblemssuchasoise，ibrationandharshness（NH）.ThispaperanalzestheNVHharacteristicsduringtheenginestart stopprocessofhybridvehicls.Ontisbasis，tepaperproposesanoptimzatiomethodfortheenginestartstopcontrolstrategyiming to minimize NVHlevels during the start-stop processand improve engine power response and fuel economy.

KeyWords：Hybrid vehicles;Engine start-stop;NVHcharacteristics;Control strategy optimization

1前言

隨著環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)峻，新能源汽車尤其是混合動(dòng)力汽車受到了越來(lái)越多的關(guān)注，被譽(yù)為節(jié)能減排的重要技術(shù)路線之一?；旌蟿?dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)作為該車型的核心技術(shù)之一，可以在行駛過(guò)程中根據(jù)工況需求自動(dòng)關(guān)閉和重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，從而大幅降低燃油消耗和排放水平。然而，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）問(wèn)題，如啟動(dòng)時(shí)的怠速顫振、曲軸扭振、沖擊噪聲等，停車時(shí)的回火、離合器共振等，這些問(wèn)題不僅影響車輛NVH性能，降低駕乘舒適性，而且還可能導(dǎo)致部件磨損加速、使用壽命縮短，因此亟須進(jìn)行NVH特性分析及控制策略優(yōu)化[1]。

為此，本文對(duì)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程的NVH問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，分析了影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化控制策略，旨在為該領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程N(yùn)VH特性分析

混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程可以分為啟動(dòng)階段和停機(jī)階段，兩者的振動(dòng)特性存在顯著差異。在啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)需要克服靜止?fàn)顟B(tài)下的慣性，通常由啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，再逐步過(guò)渡到燃油噴射和點(diǎn)火過(guò)程。由于啟動(dòng)電機(jī)的瞬時(shí)扭矩較大，且發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部摩擦和缸壓波動(dòng)較大，會(huì)引發(fā)低頻抖動(dòng)和瞬態(tài)沖擊，曲軸的慣性力矩變化、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及變速器輸入軸的扭振耦合效應(yīng)，都會(huì)影響啟動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)特性。例如，在某些混合動(dòng)力車型中，啟動(dòng)瞬間的縱向振動(dòng)加速度峰值可達(dá) 3～5m/s² ，若控制策略不優(yōu)化，駕駛員會(huì)明顯感受到車身輕微震顫或方向盤(pán)擺動(dòng)，具體如圖1所示。

在停機(jī)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸降低轉(zhuǎn)速直至完全停止，此時(shí)主要受到燃油切斷、慣性減速和氣缸壓縮回彈的影響。其中，最后一個(gè)壓縮沖程的氣缸壓力變化，會(huì)導(dǎo)致曲軸在停機(jī)瞬間產(chǎn)生反向扭振，使得發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)剛性沖擊，表現(xiàn)為車身的瞬間低頻振動(dòng)。部分混合動(dòng)力車型采用雙質(zhì)量飛輪（DMF）或液力減振器來(lái)緩沖停機(jī)沖擊，但若調(diào)校不當(dāng)，仍會(huì)引發(fā)高頻共振，影響車內(nèi)舒適性[2]。

除了振動(dòng)問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中還會(huì)引發(fā)明顯的噪聲變化，主要包括機(jī)械噪聲、燃燒噪聲和結(jié)構(gòu)傳播噪聲。在啟動(dòng)階段，啟動(dòng)電機(jī)的齒輪嚙合聲、曲軸旋轉(zhuǎn)噪聲以及點(diǎn)火后的燃燒噪聲，會(huì)使車內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)性的中高頻噪聲 （500～2kHz） 。特別是在冷啟動(dòng)時(shí)，由于機(jī)油尚未完全潤(rùn)滑，氣門(mén)機(jī)構(gòu)和活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲較為明顯，部分混合動(dòng)力車型在啟動(dòng)瞬間的噪聲峰值可達(dá)65～70dB（A） ，若隔音措施不足，乘客會(huì)感受到明顯的突兀噪聲。在停機(jī)階段，噪聲主要來(lái)源于燃油噴射停止、氣缸壓力釋放以及懸置系統(tǒng)的回彈。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸下降，部分工況下可能會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致低頻轟鳴聲（ 100～300Hz ），尤其是在怠速停機(jī)過(guò)程中，車內(nèi)會(huì)出現(xiàn)輕微的共鳴效應(yīng)，影響舒適性[3]。

圖1混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程N(yùn)VH特性

3混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略優(yōu)化

在分析了混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程存在的NVH問(wèn)題及其成因之后，控制策略的優(yōu)化顯得尤為重要。合理的控制策略不僅能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度，提升駕乘舒適性，還能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)性能，降低燃油消耗，提高混合動(dòng)力汽車的整體經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

因此，本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂七M(jìn)行了深入研究，提出了兩種優(yōu)化策略：基于啟停規(guī)律的控制參數(shù)優(yōu)化和基于NVH目標(biāo)的最優(yōu)控制策略設(shè)計(jì)。前者側(cè)重于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電機(jī)扭矩、燃油噴射時(shí)序、點(diǎn)火時(shí)機(jī)等參數(shù)進(jìn)行匹配優(yōu)化，并引入自適應(yīng)控制，使其能夠根據(jù)工況需求動(dòng)態(tài)調(diào)整；后者則從系統(tǒng)層面出發(fā)，建立了綜合考慮動(dòng)力學(xué)和NVH響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用仿真和優(yōu)化算法尋求最優(yōu)控制策略，在保證動(dòng)力性能的前提下最大限度降低NVH水平。兩種策略相輔相成，為混合動(dòng)力汽車的高效低碳發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

3.1基于啟停規(guī)律的控制參數(shù)優(yōu)化

在混合動(dòng)力汽車的啟?？刂浦校l(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)序、燃油噴射參數(shù)、電機(jī)輔助扭矩等因素對(duì)于NVH特性和動(dòng)力平順性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的啟?？刂撇呗酝捎霉潭▍?shù)，但由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)（如直噴與進(jìn)氣噴射）、不同驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（如P0、P2架構(gòu)）的啟停特性不同，需要進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化，以減少振動(dòng)沖擊和燃油消耗[4]。

因此研究人員需優(yōu)化啟動(dòng)時(shí)間控制，調(diào)整電機(jī)助力時(shí)機(jī)，減少發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的慣性沖擊；優(yōu)化燃油噴射策略：采用預(yù)噴射技術(shù)，提高點(diǎn)火穩(wěn)定性，減少啟動(dòng)過(guò)程中燃燒不均勻?qū)е碌呐ふ駟?wèn)題；優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)機(jī)：在低溫環(huán)境下，適當(dāng)提前點(diǎn)火，減少冷啟動(dòng)遲滯，提高發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)響應(yīng)速度；優(yōu)化怠速控制：調(diào)整燃油噴射量與節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，確保停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速平穩(wěn)下降，減少停機(jī)瞬間的振動(dòng)沖擊（表1）。

表1參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)上述優(yōu)化，混合動(dòng)力汽車的啟停過(guò)程可實(shí)現(xiàn)更平順的啟動(dòng)響應(yīng)、更低的噪聲振動(dòng)影響，同時(shí)減少不必要的燃油消耗，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。

另外，由于混合動(dòng)力汽車的啟停頻率受行駛工況、駕駛員操作、道路環(huán)境等因素影響，固定參數(shù)控制策略在實(shí)際應(yīng)用中可能難以滿足所有場(chǎng)景需求。因此，優(yōu)化控制策略需要引入自適應(yīng)算法，根據(jù)實(shí)時(shí)工況動(dòng)態(tài)調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，以確保啟停過(guò)程在各種條件下均能保持最佳性能（表2）：在低溫情況下，增加電機(jī)助力比例，減少冷啟動(dòng)時(shí)的燃油消耗和振動(dòng)沖擊；當(dāng)電量較低時(shí)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略，確保動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定性，在坡道起步情況下，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)機(jī)與扭矩輸出，防止因不當(dāng)啟停導(dǎo)致的溜車或動(dòng)力遲滯[6]。

表2自適應(yīng)優(yōu)化參數(shù)優(yōu)化

基于啟停規(guī)律的控制參數(shù)優(yōu)化是混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略優(yōu)化中的核心環(huán)節(jié)，主要包括啟停過(guò)程參數(shù)匹配優(yōu)化和動(dòng)態(tài)工況自適應(yīng)優(yōu)化兩個(gè)方面。在參數(shù)匹配優(yōu)化中，通過(guò)調(diào)整啟動(dòng)電機(jī)扭矩、燃油噴射時(shí)序、點(diǎn)火時(shí)機(jī)、怠速設(shè)定等關(guān)鍵參數(shù)，有效降低啟停過(guò)程中的振動(dòng)沖擊，提高NVH性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。而在動(dòng)態(tài)工況自適應(yīng)優(yōu)化中，利用駕駛員意圖識(shí)別、環(huán)境溫度自適應(yīng)、電池SOC管理、道路狀況感知等優(yōu)化策略，使啟?？刂聘又悄芑軌蜻m應(yīng)不同駕駛環(huán)境，提高整車的平順性和舒適性。

通過(guò)這些優(yōu)化措施，混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停控制策略更加精準(zhǔn)和高效，不僅能夠提升駕駛體驗(yàn)，還能夠進(jìn)一步降低油耗和排放，為新能源汽車的智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐。

3.2基于NVH目標(biāo)的最優(yōu)控制策略設(shè)計(jì)

在混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程的控制策略優(yōu)化中，以NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）目標(biāo)為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制策略設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的[8]。該策略的主要目的是通過(guò)精確調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停行為，以最大限度降低不良NVH現(xiàn)象，從而提升乘坐的舒適性和車輛的整體性能。研究人員需要建立一個(gè)包含動(dòng)力系統(tǒng)和NVH響應(yīng)的綜合數(shù)學(xué)模型，此模型將描述發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為及其對(duì)NVH的影響，模型中包括發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程、啟動(dòng)電機(jī)的扭矩特性以及傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方程可以表示為：

式中， J 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ω 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速， τ_motor 為啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的扭矩； τ_load 為負(fù)載扭矩； D 為阻尼函數(shù)，它包括由于摩擦和其他阻力造成的扭矩?fù)p失。通過(guò)這個(gè)方程，研究人員可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和停止階段的速度和加速度變化，這些都直接影響NVH特性。接下來(lái)，研究人員利用仿真工具（如MATLAB/Simulink、ANSYS等）對(duì)模型進(jìn)行仿真，以預(yù)測(cè)不同控制策略下的NVH響應(yīng)，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與NVH性能目標(biāo)，如最大振動(dòng)加速度不超過(guò) 3m/s² ，聲音壓級(jí)不超過(guò) 70dB （A）等，可以評(píng)估各控制策略的有效性。

在建立了精確的仿真模型后，研究人員需采用優(yōu)化算法來(lái)調(diào)整控制參數(shù)，尋找最佳的啟?？刂撇呗裕宰钚』疦VH的負(fù)面影響為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

式中 ，f（NVH） 為 NVH性能的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)； L_vib 和 L_noise 分別為振動(dòng)和噪聲的級(jí)別； w₁ 和 w₂ 為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，這些系數(shù)根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化過(guò)程中，算法將迭代搜索控制參數(shù)（如啟動(dòng)電機(jī)的扭矩分配、燃油噴射時(shí)序等），以找到滿足NVH目標(biāo)同時(shí)不犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)性能的控制策略。通過(guò)這兩步方法的實(shí)施，研究人員可以設(shè)計(jì)出一個(gè)既能保障發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，又能顯著降低NVH水平的發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂撇呗?。實(shí)車試驗(yàn)與長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集也是不可或缺的，它們將用于進(jìn)一步驗(yàn)證和細(xì)化控制策略，確保其在實(shí)際操作中的有效性和可靠性。這種基于NVH目標(biāo)的控制策略設(shè)計(jì)不僅提高了混合動(dòng)力汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還極大地提升了用戶的駕駛體驗(yàn)。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中的NVH問(wèn)題，進(jìn)行了深入分析和研究。首先闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中存在的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度等NVH問(wèn)題，揭示了產(chǎn)生這些問(wèn)題的根源及影響因素；然后提出了兩種控制策略優(yōu)化方法：基于啟停規(guī)律的控制參數(shù)優(yōu)化和基于NVH目標(biāo)的最優(yōu)控制策略設(shè)計(jì)。前者通過(guò)優(yōu)化啟動(dòng)電機(jī)扭矩、燃油噴射時(shí)序、點(diǎn)火時(shí)機(jī)等參數(shù)，有效降低了啟停過(guò)程振動(dòng)沖擊，提升了NVH性能；后者建立了包含動(dòng)力學(xué)和NVH響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，利用仿真和優(yōu)化算法，設(shè)計(jì)出能顯著降低NVH水平的最優(yōu)控制策略。兩種優(yōu)化方法有助于進(jìn)一步提高混合動(dòng)力車的駕駛舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性。該研究不僅為混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支持，也為新能源車輛NVH性能優(yōu)化指明了方向，對(duì)于推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：喻革，男，1990年生，講師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。