某款汽車怠速間歇性抖動問題的優化研究

陳連庭，滕建耐

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車的普及，消費者對汽車NVH性能的要求越來越高。車輛原地怠速時的NVH性能是評價汽車NVH性能的重要指標，直接影響用戶、市場對汽車品質的評價。汽車發動機是車輛發生抖動的主要來源，減小怠速車內抖動一是減小激勵源的振動，二是切斷和激勵源的傳遞路徑。

1 問題描述及分析

整車進行NVH試驗時，在發動機熱機怠速運轉，車輛的空調、大燈等電器關閉，發動機無負載時，乘客在汽車座椅上感受到無規律的間歇性抖動。經過在實車座椅軌道布置傳感器采集數據，截取其中基于整車怠速的120 s數據，可看出在120 s內大概出現了5次比較明顯的異常抖動現象，如圖1所示。

為了便于分析，定義車輛前后長度方向為X向，車輛左右寬度方向為Y向，車輛上下高度方向為Z向。結合實車測量數據和圖2分析發現：

（1）車輛座椅產生的間隙性抖動頻率范圍為9～11 Hz，抖動最大時刻對應的中心頻率為10Hz。

（2）間隙性抖動（10 Hz）的1階幅值是發動機正常2階振動（25 Hz）的2倍多；一般而言，汽車動力總成懸置系統主要隔絕2階的振動成分，對1階不進行隔絕，當1階振幅明顯高于2階時，汽車乘員能明顯感受到振動，該車輛所測量數據與主觀感知一致。

圖1 基于整車怠速的120s抖動數據

圖2 數據采集圖譜

2 原因排查

根據故障模式，初步懷疑原因有幾點：懸置設計不合理、發動機旋轉部件動平衡量過大、發動機怠速時燃燒不穩定。運用FTA質量分析工具，進行逐一排查。

2.1 動力總成懸置設計合理性排查

經過對車輛動力總成的前后左右四個懸置進行CAE模態分析，其設計方案模態滿足設計目標要求；同時通過長時間懸置主被動測振動測試，確認四個懸置在怠速工況隔振性能良好，各方向隔振率均在20 dB以上，如圖4所示；且懸置被動側未出現較大幅度波動或隔振失效現象。

2.2 發動機旋轉件動平衡量制造合格性排查

圖4 動力總成四方向懸置隔振率測試結果

對使用相同曲軸、活塞連桿的發動機裝配3個不同動平衡量的雙質量飛輪（動平衡量分別為52.32 g·mm、32.6 g·mm、130.42 g·mm），搭載同一輛車輛對怠速無負載時駕駛員座椅導軌進行NVH測試，結果顯示優化動平衡量可以改善間歇性抖動振幅，但無法消除間隙性抖動，如圖5所示。

2.3 發動機怠速燃燒穩定性排查

選取6組比較典型的怠速燃燒開發數據，由圖6和表1可以看出：本文研究的車輛對應發動機的IMEPH_COV、IMEPH_LNV、IMEPH_STD與相關競品發動機的均值差值較大，應作為主要改善的方向來研究。

表1 怠速燃燒開發相關參數圖表

IMEPH_COV=SIMEPH/MEAN（IMEPH）：平均指示缸內壓力循環變動率

IMEPH_STD（SIMEPH）：標準方差

IMEPH_LNV：LNV=min（IMEPH）/mean（IMEPH）

根據FTA分析的相關要素逐項進行排查：

噴油時刻：調整噴油時刻，發動機怠速燃燒穩定性無明顯變化。

表2 調整噴油時刻參數對比

空燃比：在車上與臺架上同時測量空燃比數據，怠速時空燃比穩定在理論空燃比14.6，充氣效率學習值CLINTM穩定在1±0.05范圍內；空燃比及clintm滿足控制要求。

VVT角度：怠速狀態VVT角度為0，增加VVT開度為5、10度，燃燒狀況沒有改善。

圖5 不同動平衡量測試結果

圖6 怠速燃燒開發相關參數對比圖

圖7 空燃比測試圖

表3 調整VVT角度參數對比

初始氣門重疊角：減小發動機初始氣門重疊角，怠速燃燒狀態改善明顯，并且重疊角減少的幅度越大，燃燒穩定性改善越明顯。

表4 調整初始氣門重疊角度參數對比

點火角：怠速點火角控制在2～8 deg的范圍內波動，增加點火角，燃燒狀態略有改善。

表5 調整怠速點火角參數對比

點火線圈充磁時間：增加點火線圈充磁時間，點火能量變大，怠速燃燒穩定性基本無變化，排除因點火能量不夠導致燃燒不良的可能。

表6 調整點火線圈充磁時間參數對比

經過FTA逐項排查，最終鎖定了發動機無負載怠速運轉時燃燒不穩定是導致無規律間隙性抖動的主要原因，而氣門重疊角設置、點火提前角設置為影響怠速燃燒穩定性的重要因素。

3 優化方案及驗證

根據懸置設計、發動機旋轉件動平衡量、發動機臺架標定數據調整驗證數據對比，確定優化氣門重疊角設置、點火提前角設置為改善發動機怠速工況下燃燒穩定性的主要措施。氣門重疊角分別為-5、-10、-15、-20、-25、-30，點火角分別為+3、+5；分別兩兩組合進行驗證，在整車上發動機怠速無負載運轉時3個關鍵燃燒參數對比結果如表7所示。

根據表7所示，相對原狀態發動機怠速氣門初始重疊角減小20°、點火角增加3°時，發動機怠速燃燒穩定性最優。同時在車輛駕駛員座椅導軌布置傳感器測量結果如圖9所示，座椅導軌振動X向一階振幅得到了極大的減小，同時二階幅值基本沒變化，從而使一階幅值遠遠小于二階幅值，座椅上乘員基本感受不到間歇性抖動的存在。

表7 優化措施驗證結果

4 結語

通過發動機臺架測試和實車試驗驗證，得出以下結論：

（1）發動機燃燒穩定性是整車NVH性能主要影響因素，當發動機怠速燃燒穩定性差時，會使車內乘員感受到無規律的間歇性抖動。

圖9 座椅軌道振動X向測試對比

（2）發動機平均指示缸內壓力相關的三個參數IMEPH_COV、IMEPH_STD、IMEPH_LNV是評價發動機燃燒穩定性的關鍵指標。

（3）三個參數，IMEPH_COV、IMEPH_STD 約小、IMEPH_LNV越大，發動機燃燒穩定性越好；當前在發動機行業內的參考值為：IMEPH_COV≤17.5、IMEPH_LNV≥75、IMEPH_STD≤0.1，接近參考值時，發動機怠速燃燒穩定性基本滿足設計要求，車輛上乘員基本感受不到車輛的抖動。