基于同步燃燒分析與小波變換的車輛敲擊異響分析

袁細祥，徐 猛，史文華，郭玉偉，于建波，高 建Yuan Xixiang，Xu Meng，Shi Wenhua，Guo Yuwei，Yu Jianbo，Gao Jian

基于同步燃燒分析與小波變換的車輛敲擊異響分析

袁細祥，徐 猛，史文華，郭玉偉，于建波，高 建
Yuan Xixiang，Xu Meng，Shi Wenhua，Guo Yuwei，Yu Jianbo，Gao Jian

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

針對車輛加速過程中出現的敲擊異響問題，采用小波變換方法快速捕捉到敲擊異響的間隔頻率特征，采用同步燃燒分析方法識別敲擊異響的時域特征，綜合小波分析、同步燃燒分析和角度域分析方法，確定異響問題發生在1缸缸壓峰值時刻，且曲軸轉兩圈出現一次。最終確定敲擊異響原因為發動機1缸上軸瓦與軸徑間隙過大，通過控制曲軸上軸瓦的厚度下偏差，使敲擊異響問題得到有效控制。

小波分析；燃燒分析；發動機NVH；角度域分析

0 引 言

車輛發動機艙內異響會嚴重影響整車品質評價，降低車型競爭力，須重點關注和解決。發動機產生響應復雜多變，既有活塞等部件往復運動，又有連桿曲軸等系統旋轉運動，還承受燃燒產生的瞬態激勵，發動機響應是一個典型的時變非平穩隨機信號[1]，針對發動機異響問題研究者進行了各種分析[2-4]。在動力系統實際開發中，多變量異響問題很難解決，如何從復雜的整車系統中確定問題根源，是NVH（Noise、Vibration、Harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）工程師面臨的重要難題。

小波分析對于能量不突出但在時域上比較集中的信號（瞬態時變信號）非常有效，通過從信號中提取信息，經過伸縮和平移等運算對函數或信號進行多尺度細化，解決傅立葉變換不能解決的問題，因此小波分析及其優化算法發展迅速，對于非平穩振動信號的分析具有極大優勢[5-7]。燃燒分析的核心是通過燃燒分析儀測試發動機實時燃燒特性，以此進行排放、動力性以及噪聲等性能研究[8-9]。在整車狀態下，同步采集燃燒數據與NVH數據，通過聲學回放、振動時域分析等，理解發生異響的極短時間內發動機激勵與異響的關系。

本文介紹小波分析和燃燒分析的基本原理和方法，針對車輛開發階段發動機艙異響問題，綜合小波分析、燃燒分析、角度域分析等方法，確定問題特征，通過試驗數據驗證判斷的準確性。

1 理論介紹

1.1 小波分析

小波變化中最常用的離散小波分析方法為Mallat算法，即

式中：c,k為近似系數，d,k為細節系數，=0，1，2，…，－1；為低通濾波器，為高通濾波器，為分解層數，為離散采樣點數。

小波分析既可實現對于變化平緩的低頻信息在更大尺度和更長時間上進行觀察，又可實現對于變化較快的高頻信息在更小尺度和更短時間上進行觀察，實現多尺度和多分辨率同步分析。

1.2 同步燃燒分析

同步燃燒分析是工程實踐中總結的一種分析流程和方法，建立了燃燒數據和NVH數據溝通，實現了在時間軸上對燃燒信息和NVH信息聯合分析，既可利用NVH優勢，即頻域分析工具，如FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）和階次分析，對燃燒數據進行分析，又可利用缸壓信號獨立性，實現振源和路徑解耦，直接判斷問題來自振源過大或者路徑放大。通過NVH聲學回放，可以確定異常問題時刻，對該時刻缸壓細節進行分析，進一步查找問題根源，明確優化方向。

2 異響問題

某款車型在熱車加速時發動機艙出現連續敲擊異響，但冷車時異響不存在。

對問題車輛進行NVH測試，分別在發動機缸體、變速器殼體布置三向加速度傳感器，如圖1所示。

圖1 三向加速度傳感器布置

測試采用西門子LMS數字采集系統，設置振動信號為10 240 Hz、頻率分辨率為1 Hz，被測試車輛加速行駛，跟蹤時間為15 s。

發動機缸體振動時域信號如圖2所示，發現振動信號存在明顯加速度脈沖敲擊，表現為加速度突然變大而后迅速減小，聲學回放確定脈沖敲擊信號與車內噪聲信號一致，變速器殼體振動數據未出現該敲擊特征，基本確定異響來自發動機。

圖2 發動機缸體振動時域信號

3 數據處理及分析

3.1 小波分析

通過小波分析對發動機缸體振動數據進行處理，參數設置見表1。考慮敲擊信號為典型的寬頻信號，帶寬設置應盡可能大，設置為10 240 Hz，確保問題頻譜在分析范圍內。

表1 小波分析參數表

圖3 發動機缸體振動小波分析

小波分析結果如圖3所示，測試工況為發動機轉速在2 400 r/min附近，每兩次敲擊間隔約為0.05 s，則脈沖敲擊頻率為

發動機在轉速2 400 r/min附近可認為是穩態工況，計算得到敲擊頻率產生的階次order為

由式（3）可知，曲軸轉兩圈敲擊發生一次。對其他轉速情況進行相同分析，可以確定敲擊間隔時間隨著轉速增加而減小，但與轉速的關系不變，均為轉速的0.5階。

3.2 同步燃燒分析

同步燃燒分析是一種通過同步采集燃燒數據和振動數據，共同分析異響發生原因的方法。缸壓傳感器、燃燒分析儀和NVH數據采集前端連接如圖4所示，發動機缸壓傳感器代替火花塞直接安裝在發動機各缸，缸壓數據轉換為電壓信號被燃燒分析儀接收和調制，之后轉換為新的電壓信號輸出到NVH數據采集前端，這樣既采集了NVH信號（噪聲、振動信號等），又同步采集了發動機缸壓信號。

圖4 燃燒系統與NVH數采前端連接示意

各缸缸壓與發動機缸體振動時域同步對比如圖5所示，當各缸缸壓峰值為6 100～6 700 kPa時，缸壓峰值產生順序為“1-3-4-2”，與四缸機的理論相同，且總缸壓（各缸缸壓的算數和）無明顯突變；圖5中顯示發動機異響時刻與1缸缸壓峰值時刻相同，例如第10.28 s、第10.33 s，說明異響與1缸缸壓有直接關系。

3.3 角度域分析

發動機本體振動與曲軸轉角直接相關。對于整車NVH，發動機點火頻率是主要的研究對象，曲軸敲擊、氣門結構等問題均與曲軸轉角直接相關，因此對于發動機本體，多采用角度域分析[10-11]。

圖5 燃燒數據和NVH數據同步分析

通過曲位傳感器和曲軸上的信號盤（58齒缺2齒）可以輸出曲位信號，曲位信號經過調理后生成周期矩形波，根據ECU判缸控制邏輯：當曲位缺齒信號對應的凸輪軸信號為負值時，緊接著58個連續矩形波中第20個的下降沿時刻即為1缸壓縮行程的上止點。

角度域分析主要是建立敲擊信號與曲軸旋轉角度之間的關系。通過以上控制邏輯可以確定1缸上止點位置，根據四沖程發動機工作特性，定義1缸上止點位置為180°，1缸下止點位置為0°，同步分析振動信號，得到發動機敲擊振動與曲軸角度域關系如圖6所示。

圖6 發動機敲擊振動角度域分析

由圖6可知，兩個相鄰發動機敲擊振動分別發生在203°、923°，二者相差720°，符合曲軸旋轉2圈產生1個敲擊的特性，第1個敲擊發生在203°，即進入做功沖程后23°產生敲擊，而且為周期性發生。

3.4 綜合分析

綜合以上各分析結果可知異響問題的特征：

（1）在1缸缸壓峰值時刻產生，即進入做功沖程后23°；

（2）異響沖擊的間隔頻率為發動機轉速的0.5階，即曲軸轉2圈異響出現1次；

（3）冷車時無異響。

由于異響只出現在缸壓峰值時刻，此時曲軸經過上止點后繼續旋轉23°，連桿活塞處于向下運動狀態，產生向下的敲擊載荷，針對此時刻承載的零部件可進一步排查。

首先，排除進/排氣門落座產生異響，進/排氣門落座產生在進氣和排氣沖程，不在燃燒沖程，異響出現與進/排氣門開啟/關閉角度不對應；其次，排除活塞銷和連桿襯套的敲擊聲，如果是活塞銷敲擊，那么應出現在做功沖程和吸氣沖程附近，即產生兩次敲擊而非單次。

另外，冷車無異響、熱車存在異響的現象一般與油膜有關，受力分析已排除異響源為曲軸連桿的上部零件；根據下部承載零件與潤滑油有關的特性，判斷曲軸的連桿瓦為可能異響源。因為冷車下油膜粘度高，油膜衰減敲擊能力強，異響不明顯，隨著油溫提升，油膜流動性逐漸增強，使敲擊明顯，這與冷車無異響、熱車異響的情況一致。

綜上分析，高度懷疑異響問題是1缸連桿軸瓦與軸徑的配合間隙過大，異響發生時刻的受力方向由上到下，因此上軸瓦與軸徑間隙是主要排查方向。

4 試驗驗證

對1缸上軸瓦不同配合間隙的車輛進行測試，發動機缸體振動時域信號數據對比如圖7所示。

注：上圖軸瓦厚度偏小，下圖軸瓦厚度偏大。

圖7上方曲線為軸瓦厚度偏小的數據，下方曲線為軸瓦厚度偏大的數據。

由圖7可以看出，軸瓦厚度偏小時敲擊振動明顯，主觀明顯感知異響存在；軸瓦厚度偏大時，局部雖仍可見部分較大信號，但是頻率和幅值均大幅降低，主觀已感受不到異響問題，車輛異響處于可接受范圍。搭配不同軸瓦厚度的車輛主觀評價見表2，主觀評價打分見表3。

表2 不同試驗樣車異響的主觀評價

表3 主觀評價打分表

綜上可知，通過控制曲軸軸瓦與軸徑間隙可以有效減少敲擊異響，主要通過控制軸瓦厚度使間隙降低，即將軸瓦厚度的下偏差由1.283 mm提高到1.288 mm，試驗結果滿足目標要求。

5 結 論

針對發動機異響問題，采用不同方法查找根源，明確問題原因，采用優化方法，解決了異響問題。

（1）對于瞬態敲擊異響問題，通過小波分析，既可以得到每次敲擊信號的頻率特征，又可以得到相鄰敲擊之間的間隔頻率，后者更為重要，上文中間隔頻率為發動機轉速的0.5階；

（2）采用同步燃燒分析方法，同步分析各缸壓數據與NVH數據，查找振動噪聲信號規律，進行異響源分析與識別；

（3）通過綜合分析，確認異響發生在1缸缸壓峰值位置，即活塞上止點進入燃燒沖程后23°產生異響，與曲軸每轉2圈發動機產生1次敲擊相吻合，結合發動機冷車無異響情況，判斷與潤滑油油膜有關，進一步推測與1缸中軸瓦和軸徑間隙有關；

（4）因曲軸軸瓦與軸徑間隙過大導致敲擊異響，通過提升軸瓦厚度下偏差使異響問題得到解決。

[1]鄭海波，李志遠，陳心昭，等.基于時頻分布的發動機異響特征分析及故障診斷研究[J].內燃機學報，2002，20（3）：268-272.

[2]楊誠，李爽，馮燾，等.基于LMS和SDP的發動機異響診斷方法研究[J].汽車工程，2014，36（11）：1410-1414.

[3]張玲玲，任金成，張海峰，等.發動機連桿軸承異響故障分析研究[J]. 振動.測試與診斷，2014，34（2）：379-384，403.

[4]鄭海波，李志遠，陳心昭，等.基于時頻分布的發動機異響特征分析及故障診斷研究[J].內燃機學報，2002（3）：267-272.

[5]賈繼德.基于小波對稱極坐標方法的發動機異響故障特征提取研究[J].汽車工程，2013，35（11）：1035-1037，1029.

[6]臧玉萍，張德江，王維正.基于小波變換技術的發動機異響故障診斷[J].機械工程學報，2009，45（6）：239-245.

[7]楊興國.基于小波包和雙譜的發動機異響模式識別[J].噪聲與振動控制，2018，38（6）：146-149，177.

[8]萬國強，黃英，張付軍，等.面向控制的柴油機IMEP在線計算方法及試驗[J].內燃機學報，2011，29（3）：276-281.

[9]胡軍軍，閻小俊，周龍保，等.內燃機燃燒分析儀的開發與應用[J].西安交通大學學報，2001（3）：261-264.

[10]蘇宏.通過角度域識別發動機振源方法的試驗研究[C]//中國汽車工程學會.2011中國汽車工程學會年會論文集.北京：中國汽車工程學會，2011.

[11]唐自強，楊金才，劉剛，等.增壓發動機正時系統冷起動敲擊噪聲的研究[J].汽車工程，2018，40（9）：1110-1117，1124.

2022-08-10

1002-4581（2022）06-0013-05

U467.4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2022.06.004