基于發動機本體三缸機點火抖動改進的標定方法

邢維者，陳寒霜，香植鈿，徐仰匯，田子龍

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

相同的整車應用環境下，為達到搭載四缸發動機(以下簡稱四缸機)的動力性，搭載了三缸發動機(以下簡稱三缸機)的整車其單缸負載比四缸機高約33%，因此帶來更大的主階次激勵。四缸機振動、噪聲主激勵階次為2階，而三缸機振動、噪聲主激勵階次為1.5階。在同一轉速下，三缸機所激勵的頻率比四缸機低。而懸置對于低頻的隔振率有限，三缸機車身受到的激勵較四缸機大，易引發低頻的抖動問題，嚴重影響駕駛者及乘客的實車體驗[1]。

動力總成在發動機點火后會產生抖動，抖動通過懸置傳遞至車身，進而傳遞至座椅導軌使駕駛者感知。國內外學者對于發動機點火抖動現象進行了較為廣泛的研究。Bang等[2]通過建立動總模型，通過仿真手段，計算并優化動總剛體模態等方式預測啟動過程動總本體振動，從而降低了整車啟動抖動。Furushou 等[3]通過在曲軸軸系上安裝啟停系統，配合啟動控制系統這一組合，實現了啟動過程的舒適性達到混合動力汽車相同的水平。王博等[4]研究了發動機起動振動對混合動力汽車振動的影響。以上研究結果多基于四缸機，國內對于三缸機的點火抖動大都從路徑角度優化，李斌等[5]通過懸置解耦的方式，避開點火激勵頻率1 Hz以上，顯著改善了點火抖動。金巖等[6]通過優化動力總成懸置系統，降低扭矩波動到車身的傳遞以及提高電機拖動轉速，降低起動初期扭矩波動，使起動振動得到明顯抑制。兩者均通過調節懸置的方法優化了三缸機的點火抖動，但由于懸置結構中存在橡膠，大多數廠家在制造過程中的靜剛度公差范圍為±15%，很難保證生產過程中每輛車動力總成剛體模態的一致性，因此整車的點火抖動性能也存在差異。

本文從發動機本體出發，對某自主研發的三缸機車型點火抖動問題展開研究。通過試驗的方法，分析發動機點火抖動產生的機理。調節發動機啟動過程中的轉速波動及點火激勵，對點火抖動這一NVH性能進行改進，以使整車點火抖動性能達到對標車的水平。本研究可為其他車型的三缸機點火抖動改善提供借鑒。

1 三缸機點火抖動測試分析

1.1 試驗設備及方法

整車點火抖動測試所需儀器為西門子SCADAS信號采集儀，B&K4524B 型三向加速度計、測試電腦等。振動傳感器布置在左前座椅導軌位置，如圖1所示。測試時需要同時采集發動機轉速、扭矩、水溫等參數。

圖1 座椅導軌振動測點位置

點火激勵與發動機氣缸缸壓大小直接相關，為測試點火過程中氣缸內壓力的變化，需要安裝氣缸壓力傳感器。氣缸壓力傳感器為特制傳感器，在測試過程中可以采集發動機氣缸壓力信號，同時還可以替代火花塞進行點火。氣缸壓力傳感器及測試安裝如圖2所示。

圖2 氣缸壓力測試示意圖

1.2 問題描述

某自主研發搭載三缸機手動擋車型，在研發期間出現點火抖動大，啟動過程中存在拖沓感的問題，嚴重影響其整車商品性。該自研車與某同排量同級別搭載四缸發動機的對標車進行對比，啟動時座椅導軌振動的時域數據測試結果如圖3 所示，座椅導軌振動高出對標車2～3倍，嚴重影響駕駛者的主觀感受及整車品質。

圖3 點火抖動座椅導軌振動時域數據對比

1.3 點火抖動的客觀評估方法

通常采用快速傅里葉變換法（Fast Fourier Transform，FFT）對NVH數據進行后處理分析，但FFT分析會對時域數據進行重疊和平均，不利于真實地反映整車啟動過程中的瞬態振動。

國標GB/T13441.1-2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價（第1 部分）：一般要求》[7]指出，在遇到瞬態振動、偶然性沖擊振動的情況時，應采取四次方振動劑量值（Vibration Dose Value，VDV）或運行均方根值（最大瞬時振動值，Maximum Transient Vibration Value，MTVV）代替。本研究選擇VDV的評價標準進行客觀數值的計算。

四次方振動劑量值（VDV）用米每1.75 次方秒（m/s1.75）或弧度每1.75次方秒（rad/s1.75）表示，定義為：

式中：αw(t)為振動加速度時域信號，m/s2。測試整車啟動過程中座椅導軌的振動數據，測得座椅導軌X/Y/Z三個方向的振動加速度，需綜合三個方向的振動劑量來計算。如式（2）所示：

根據該客觀計算方法，分別對自研車及對標車點火過程中座椅導軌的振動劑量值進行計算，結果如圖4 所示。由圖可見，自研車座椅導軌振動劑量是0.48 m/s1.75，對標車A 為0.24 m/s1.75，對標車B 為0.2 m/s1.75，自研車啟動過程振動劑量較對標車高2～2.4倍，嚴重影響啟動過程駕駛者的體驗。因此，需要在研發期間將點火抖動降低至對標車的水平。

圖4 振動劑量對比

2 三缸機點火抖動機理分析

2.1 點火抖動氣缸壓力變化

以點火順序為1—2—3 的三缸機為例，車輛在啟動過程的轉速及氣缸壓力如圖5所示。啟動期間可以分為三個階段，當按下啟動按鍵，進入第一階段，啟動機開始工作，飛輪及曲柄連桿機構在啟動機的帶動下開始轉動，ECU 根據曲軸位置傳感器及凸輪軸位置傳感器判定曲柄連桿機構所處的位置，當某一氣缸滿足點火條件時，進入第二階段。發動機點火，被壓縮的混合氣體被點燃，氣缸內的壓力急劇上升，發動機的轉速升高，當轉速上升到某一數值，進入第三階段，發動機轉速平穩，最終回落至怠速。

圖5 啟動時發動機轉速及氣缸壓力

根據發動機啟動過程的3 個階段，結合座椅導軌的振動測試，可以得到各階段座椅振動的量級，如圖6所示。第一階段為啟動機齒輪與發動機飛輪齒輪的嚙合產生的沖擊，該階段座椅導軌開始出現抖動。第二階段氣缸內的混合氣開始燃燒，發動機轉速開始上升，座椅振動增大。第三階段發動機轉速平穩，座椅振動逐漸降低。

圖6 啟動時發動機轉速及座椅導軌振動

從上述的數據可知，座椅導軌振動大的階段為第2階段，該階段發動機氣缸內的壓力急劇上升，尤其是第一次點火缸壓，達到了57 bar，較第三階段平穩運轉時的7 bar 氣缸壓力高了7 倍以上。因此，降低第二階段的激勵是降低整車點火抖動主要的途徑之一。

2.2 三缸機啟動轉速波動

某搭載三缸機的整車啟動轉速波動如圖7 所示，點火轉速在200 r/min，點火后轉速存在較為明顯的波動，波動范圍在200 r/min～800 r/min，發動機1.5階激勵在5 Hz～20 Hz。該轉速區間三缸機主激勵階次會激勵起動力總成的剛體模態、雙質量飛輪模態，引起動力總成產生較大的振動，這些振動通過懸置傳遞到車身，引發整車抖動[8-11]。

圖7 某三缸機啟動轉速波動

轉速波動問題的產生主要有以下兩點原因：

（1）為達到四缸機的動力性，同排量的三缸發動機單缸負載比四缸機高，因此壓縮比高于四缸機。壓縮比的升高，導致三缸機在氣缸壓縮過程中泵氣阻力大，發動機轉速降低。

（2）如圖8 所示，以一個工作周期為例，四缸發動機工作時，相鄰點火氣缸不存在間隔。而三缸機較四缸機相比缺少一個氣缸，相鄰點火的氣缸存在60°無氣缸做功的行程，該行程為即將做功氣缸的壓縮行程，混合氣阻力大，發動機轉速降低。

圖8 三缸發動機和四缸發動機的一個工作周期

要使得發動機能夠平穩運轉，需要飛輪儲存一定的動能。影響飛輪動能的主要因素是飛輪的轉動慣量和轉速。飛輪慣量不變，點火轉速低時，飛輪的動能低，發動機轉速波動大；點火轉速高時，飛輪的動能高，發動機轉速波動小。

通過上述的三缸機啟動抖動機理分析，提高點火轉速，提升飛輪動能，降低發動機啟動過程的轉速波動，以及降低氣缸壓力的方法，可以降低動力總成的激勵，從而減小整車點火抖動。

3 三缸機點火抖動改進

3.1 點火轉速改進

對于四沖程發動機而言，一個工作周期內，每個活塞只有做功行程做功，而排氣、進氣和壓縮行程都要消耗功，此時飛輪的動能轉換為發動機的機械能。影響飛輪動能的主要因素是飛輪的轉動慣量和轉速。由于飛輪的轉動慣量受到整車重量及空間的限制，因此通常采取提高點火轉速的方式提升飛輪動能。

飛輪動能表達式為：

其中：I為飛輪的轉動慣量，ω為飛輪的角加速度。

工程上通常采用提高啟動機功率或增大傳動比的方式提高點火轉速。提高啟動機的功率，需要增加銅線提高磁場強度，降低銅損。增大傳動比，通常是更改小齒輪的齒數，或者是更改行星齒輪的減速比。在方案的選擇上，需根據所提高轉速的需求，項目周期、成本及冷啟動工況等進行取舍。

本研究為了兼顧成本及項目開發周期，采取的方案是在保證功率不變的前提下，改進啟動機銅線的繞線形式，增大磁場強度；同時優化啟動機內部的齒輪組，增大驅動齒輪與飛輪的傳動比以提高點火轉速。

改進前后的點火轉速對比如圖9 所示，由圖可見，點火轉速由原先的200 r/min 提升到280 r/min，降低了啟動后的轉速波動。座椅導軌振動劑量測試結果如圖10 所示，由圖可見，座椅導軌振動沖擊較原狀態降低了37.5%，改善效果明顯，主觀評價整車點火抖動已接近對標車的水平。理論上分析，點火轉速的提高，可避開更低的激勵頻率，并且發動機達到目標轉速的速差越小，有利于降低發動機的氣缸壓力，降低點火激勵[3]。對于不考慮成本等因素的情況，可以通過提高啟動機功率，增加銅線等方式來提高點火轉速。

圖9 改進前后點火轉速對比

圖10 提高點火轉速后座椅導軌振動劑量對比

通過提高點火轉速，提升飛輪動能，降低了發動機啟動過程的轉速波動，座椅導軌振動沖擊較原狀態相比降低了37.5%，改善效果明顯，但仍未達到對標車水平。

3.2 點火氣缸壓力改進

發動機的激勵與點火時氣缸壓力存在相關性，氣缸壓力越高，激勵能量越大。為降低激勵能量，需要降低點火氣缸壓力。發動機啟動過程中，除需克服自身的摩擦力和泵氣損失外，還受到排放、低溫環境啟動性能的影響[12]。在降低點火激勵的同時，還需對各項性能進行平衡。可以采取以下方式減小點火激勵；延長進氣VVT的開啟時間，縮短壓縮行程；減小噴油器的開啟時間，降低噴油量；改變啟動過程的點火提前角等[13-14]。

本文采取的方式是改變啟動過程的點火角，降低點火時的氣缸壓力。發動機的每一工況都存在最佳點火提前角，此時發動機的氣缸壓力較高。但對于某些工況，過高的氣缸壓力會引起發動機產生額外的抖動，推遲點火提前角，可以縮短氣缸內火焰傳播距離，降低氣缸壓力。對于發動機啟動工況，在保證發動機基本工作的前提下，可以適當降低氣缸壓力，從而減小點火激勵。

根據之前的分析，發動機啟動時，前兩次點火的氣缸壓力較大。通過推遲點火提前角的方式，降低氣缸壓力的策略，在低溫環境下有啟動失敗的風險，因此推遲點火提前角的方案僅在氣溫大于等于20℃的條件下才可實施，且僅降低前兩次氣缸的點火壓力。分別對原狀態，推遲點火提前角10°、推遲點火提前角15°、推遲點火提前角20°的氣缸壓力測試結果進行對比，如圖11 所示。結果表明，點火提前角推遲10°，第一次點火的氣缸壓力為28 bar，氣缸壓力較原狀態降低了51.7%；點火提前角推遲15°，第一次點火的氣缸壓力為20 bar，氣缸壓力較原狀態降低了64.5%；點火提前角推遲20°，第一次點火氣缸壓力為15 bar，氣缸壓力較原狀態降低了73.7%。由于點火提前角推遲15°及20°的標定策略，在特殊環境下有失火的風險，因此，選擇點火提前角推遲10°作為降低氣缸壓力的驗證方案。

圖11 推遲點火提前角點火氣缸壓力對比

在提高點火轉速的基礎上，對點火提前角推遲10°進行實車驗證，測試結果如圖12 所示。由圖可見，點火抖動在提高點火轉速狀態的基礎上降低了30%，相比于初始狀態降低了56.3%。主觀感受點火抖動較小，客觀數據測試結果與對標車相當。

圖12 改進標定后座椅導軌振動劑量對比

通過改進啟動過程的點火提前角，減小發動機點火缸壓，降低了發動機點火激勵，降低了整車點火抖動。

4 結語

基于三缸發動機與四缸發動機的NVH 性能差距，本文以某自主研發的三缸機車型點火抖動問題為例，根據發動機點火過程的轉速、氣缸壓力及座椅振動的測試數據，分析了發動機點火抖動機理。

從發動機本體出發，通過提高點火轉速，增大飛輪動能，降低了啟動過程中發動機的轉速波動，使得點火抖動較原狀態降低了37.5%。在此基礎上，通過推遲點火提前角，降低啟動過程中的點火激勵，點火缸壓較原狀態降低了51.7%，對該方案進行整車驗證，點火抖動較原狀態降低了56.3%，整車點火抖動性能達到了對標車的水平。