發(fā)動機三缸機與NVH研究

楊園園，朱云波，郭夢夢，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，而影響NVH的重要因素是發(fā)動機，所以研究發(fā)動機對NVH的影響顯得尤為重要。

1 概述

發(fā)動機三缸機結(jié)構(gòu)特點介紹：小排量、高壓縮比、直噴、增壓。

主要設(shè)計理念：面容比高、散熱比例相對小，熱效率高；對比同排量四缸機，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 三缸機曲軸平衡特點

2.1 簡述

發(fā)動機三缸機的平衡一般是通過曲軸平衡塊實現(xiàn)的平衡。

常見的平衡方法是：單軸平衡法，雙軸平衡法，過量平衡法等。

理論分析，發(fā)動機三缸機的不平衡力矩可以通過四軸平衡進行消除。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)動機結(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到提高平衡效果的目的。過量平衡法既簡單，又能提高平衡效果，降低垂直方向振動效應(yīng)。

2.2 市場主流三缸機特點

第一種：單平衡軸和偏心皮帶加雙質(zhì)量飛輪的設(shè)計方案。

第二種：降低噪聲減輕振動設(shè)計，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)計方案。

第三種：去平衡軸設(shè)計理念，通過在飛輪和皮帶上實現(xiàn)“不平衡”設(shè)計，并通過懸置系統(tǒng)改進發(fā)動機，通過飛輪和前段皮帶輪消除振動的設(shè)計方案。

表1 相關(guān)品牌車型介紹

2.3 三缸機平衡特點

三缸機平衡特點如圖1所示：

圖1 平衡特點展示圖

2.4 某三缸機曲軸設(shè)計特點

不帶平衡軸，曲軸平衡重的設(shè)計特點如下所示：

（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 變速箱懸置振動加速度

圖3 發(fā)動機懸置振動加速度

3 三缸機平衡及NVH所帶來的挑戰(zhàn)

（1）三缸機的曲軸轉(zhuǎn)速不均性更大；

（2）怠速轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制難度加大；

（3）附件皮帶機變速箱齒輪NVH控制難度加大；

（4）懸置怠速避頻設(shè)計受限。

應(yīng)對措施：

（1）提高點火轉(zhuǎn)速；

（2）提高怠速轉(zhuǎn)速；

（3）主動隔振懸置；

（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。

圖4 3、4缸機轉(zhuǎn)速波動比較

圖5 3、4缸機怠速懸置模態(tài)匹配

圖6 提高發(fā)動機啟動轉(zhuǎn)速飛輪轉(zhuǎn)速波動

圖7 OAD減小皮帶載荷效果

4 應(yīng)對策略

4.1 怠速抖動

問題表現(xiàn)：三缸發(fā)動機（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抱怨。此抖動為一階的振動，頻率特征約為16～18.5 Hz。故，三缸機如果取消平衡軸，動力總成將存在一階激勵。

問題分析：

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

發(fā)動機1000 rpm轉(zhuǎn)速附近一階激勵與懸置剛體模態(tài)產(chǎn)生耦合共振，導(dǎo)致整車抖動現(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

問題表現(xiàn)：

三缸機（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；

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以上整車抖動明顯。抖動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：三缸機由于取消了平衡軸，動力總成存在一階激勵。

傳遞路徑：確定一階激勵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有明顯改善。

4.3 點火抖動

三缸發(fā)動機由于其不平衡性，在點火過程中容易引起整車抖動問題。

發(fā)動機點火抖動整車匹配相關(guān)因素：

發(fā)動機點火過程是由啟動電機拖動飛輪齒圈，帶動曲軸達到發(fā)動機開始燃燒的轉(zhuǎn)速，保證混合氣體的形成，壓縮和點火能夠順利進行。另外，由于啟動瞬間扭矩沖擊較大，懸置系統(tǒng)的隔振與限位對點火抖動性能影響也較大。

圖9 點火路徑

三缸機點火抖動問題應(yīng)對措施：

（1）提高啟動電機拖動轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動；

（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)沖擊振動隔振與限位。

圖10 影響因素

4.4 熄火抖動

問題表現(xiàn)：

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

轉(zhuǎn)速波動優(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)動機的平衡技術(shù)是實現(xiàn)發(fā)動機穩(wěn)定，促進整車良好NVH的重要因素，針對三缸發(fā)動機易出現(xiàn)的抖動問題，采取對應(yīng)的優(yōu)化方案，可實現(xiàn)整車的NVH要求。