王偉呂吉平李玉琦金暉陳偉國(guó)

（1.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

某發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不規(guī)則抖動(dòng)的分析及解決措施*

王偉1呂吉平2李玉琦1金暉1陳偉國(guó)1

（1.奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工程研究院；2.青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)車內(nèi)座椅可測(cè)得一種間歇式不規(guī)則抖動(dòng)的現(xiàn)象進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該抖動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性有關(guān)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、指示平均有效壓力等參數(shù)進(jìn)行頻譜分析，識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)半階幅值與不規(guī)則抖動(dòng)相關(guān)。通過(guò)在現(xiàn)有進(jìn)氣歧管基礎(chǔ)上增加穩(wěn)壓腔的方式進(jìn)行優(yōu)化，提高各缸進(jìn)氣量及缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)的均勻性，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性。對(duì)進(jìn)氣歧管優(yōu)化后的整車進(jìn)行試驗(yàn)表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、指示平均有效壓力等參數(shù)的半價(jià)幅值顯著降低，怠速時(shí)車內(nèi)的不規(guī)則抖動(dòng)改善。

1 前言

在歐洲行駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）的市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中，純怠速工況時(shí)間占整個(gè)循環(huán)工況時(shí)間的30.8%。隨著城市交通的日益擁擠，怠速所占比重進(jìn)一步增加。為提高乘客舒適性，怠速振動(dòng)成為怠速研究的重點(diǎn)。

從NVH解決途徑來(lái)說(shuō)，可以從傳遞路徑和噪聲振動(dòng)源兩方面進(jìn)行研究。從傳遞路徑考慮，可以通過(guò)優(yōu)化懸置布置方式，改變懸置特性來(lái)達(dá)到衰減振動(dòng)的目的[1]。從噪聲振動(dòng)源角度考慮，提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性是改善怠速NVH的一種途徑，可以通過(guò)優(yōu)化電控系統(tǒng)怠速控制策略來(lái)降低怠速抖動(dòng)[2]。另外，從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣特性來(lái)說(shuō)，各缸進(jìn)氣量以及殘余廢氣系數(shù)不同，在相同的電控條件下，各缸輸出的扭矩存在差異，但這種差異可以通過(guò)對(duì)各缸點(diǎn)火角進(jìn)行控制，使各缸輸出的扭矩更接近來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。

怠速穩(wěn)定性可以在燃燒參數(shù)中選擇指示平均有效壓力（Indicated Mean Effective Pressure，IMEP），利用其標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)反映[4]，也可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，計(jì)算角加速度的變化趨勢(shì)來(lái)評(píng)價(jià)[5]。

本文首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和座椅導(dǎo)軌振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別出影響怠速抖動(dòng)的原因并提供解決方法，然后利用轉(zhuǎn)速信號(hào)及重組的IMEP信號(hào)，來(lái)識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性問(wèn)題。

2 怠速不規(guī)則抖動(dòng)的原因分析

在某款新車NVH開(kāi)發(fā)中，優(yōu)化動(dòng)力總成的懸置系統(tǒng)，加強(qiáng)車身剛度，同時(shí)為達(dá)到降低油耗的目的，將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min降低到648 r/min。這些措施降低了怠速噪聲和振動(dòng)強(qiáng)度，但卻帶來(lái)新的問(wèn)題，即主觀評(píng)價(jià)時(shí)車內(nèi)座椅上能感受到間歇性抖動(dòng)。

為了查找該不規(guī)則抖動(dòng)的原因，測(cè)量怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與駕駛員座椅導(dǎo)軌上的振動(dòng)，并對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間-頻率譜分析。通過(guò)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，在汽車坐標(biāo)系的X方向（從車前到車后，原點(diǎn)位于車前最前方）上，發(fā)動(dòng)機(jī)和座椅導(dǎo)軌的振動(dòng)有顯著差異，如圖1和圖2所示?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)X向2階振動(dòng)最強(qiáng)，其次是0.5階和1階振動(dòng)；而座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)最強(qiáng)的是0.5階，其次是1階和2階。說(shuō)明該車動(dòng)力懸置系統(tǒng)和車身能衰減1階以上的振動(dòng)，但對(duì)低頻振動(dòng)衰減能力不足。另外，怠速轉(zhuǎn)速的降低使該問(wèn)題更為突出。

雖然可以通過(guò)提高X向懸置剛度以提高對(duì)低頻振動(dòng)的衰減能力，但也會(huì)帶來(lái)其它問(wèn)題。而另一個(gè)途徑是從抑制振動(dòng)源角度出發(fā)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階振動(dòng)。本文選擇從發(fā)動(dòng)機(jī)角度解決該問(wèn)題。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階振動(dòng)的識(shí)別方法

雖然通過(guò)測(cè)量加速度信號(hào)可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的各階振動(dòng)，但對(duì)解決發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階振動(dòng)問(wèn)題幫助不大。對(duì)于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，0.5階振動(dòng)越顯著，說(shuō)明各缸間差異越明顯。改善0.5階振動(dòng)，1階振動(dòng)問(wèn)題也會(huì)隨之改善。因此，引入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP信號(hào)來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階振動(dòng)問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP信號(hào)采集于該車的1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣歧管為常見(jiàn)的側(cè)邊進(jìn)氣布置方式，如圖3所示。

3.1 轉(zhuǎn)速信號(hào)

圖4顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)由ECU采集而來(lái)，采樣時(shí)間為10 ms。怠速轉(zhuǎn)速的平均值為648 r/min，轉(zhuǎn)速波動(dòng)在±20 r/min內(nèi)，滿足電控標(biāo)定要求。

由于時(shí)域信號(hào)未能提供更多信息，因此對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，研究其頻譜特性。從圖5的頻譜圖中可以看出，0.5階（5.4 Hz）幅值最大，依次是1.5階和1階，2階未顯現(xiàn)。說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機(jī)缸間差異顯著，利用怠速信號(hào)可以識(shí)別出該差異。

3.2 IMEP信號(hào)

IMEP信號(hào)由燃燒分析儀計(jì)算得來(lái)，是基于循環(huán)輸出的變量，缺少時(shí)間信息。將4缸IMEP數(shù)據(jù)按1-3-4-2點(diǎn)火順序重新排列重組，相鄰兩缸時(shí)間間隔為0.046296 s（怠速轉(zhuǎn)速為648 r/min），重組的IMEP信號(hào)如圖6所示。

對(duì)重組的IMEP信號(hào)進(jìn)行傅立葉頻譜分析，如圖7所示?？芍?，在5.4 Hz頻率處幅值最大，此頻率正好對(duì)應(yīng)怠速648 r/min的0.5階頻率；0.5階頻率的幅值遠(yuǎn)高于其它頻率，說(shuō)明IMEP也可以識(shí)別0.5階缸間差異。

4 優(yōu)化進(jìn)氣歧管

采用優(yōu)化進(jìn)氣歧管的方式提高缸間進(jìn)氣量和缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)（Residual Gas Fraction，RGF）的均勻性，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定性，降低怠速抖動(dòng)。

4.1 副腔方案

受發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間的限制，進(jìn)氣歧管一般采用側(cè)面進(jìn)氣方式，則進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔入口到各缸間的支管不等長(zhǎng)（圖3）。這種不等長(zhǎng)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致各缸進(jìn)氣量和RGF存在差異。為進(jìn)一步降低這種差異，在原進(jìn)氣歧管基礎(chǔ)上，靠近法蘭面處增加一個(gè)小的穩(wěn)壓腔（圖8），以達(dá)到使各缸進(jìn)氣量和RGF均勻的目的。

4.2 模擬結(jié)果

為了使模擬結(jié)果更精確，采用一維、三維相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行仿真。發(fā)動(dòng)機(jī)一維模型由Boost軟件創(chuàng)建，進(jìn)氣歧管三維模型由Fire軟件創(chuàng)建并計(jì)算。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，加副腔后的進(jìn)氣歧管其各缸進(jìn)氣量和RGF波動(dòng)范圍均明顯小于原歧管方案，如圖9所示?？芍绻躌GF的相對(duì)偏差為6%，新歧管降低到2.2%；原歧管進(jìn)氣量的相對(duì)偏差為6%，新歧管降低到3%。

配置副腔雖然會(huì)改善怠速時(shí)的均勻性，但是也會(huì)對(duì)外特性產(chǎn)生影響。圖10對(duì)比了兩種進(jìn)氣歧管對(duì)外特性充氣效率的影響，新歧管起到了削峰填谷的作用，對(duì)加速平順性有一定改善，但新歧管也增加了高速時(shí)的流動(dòng)阻力，降低高速進(jìn)氣量，但這種變化在可接受的范圍內(nèi)（±3%）。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在原有進(jìn)氣歧管基礎(chǔ)上手工增加副腔，以此作為新歧管樣件，如圖11所示。試驗(yàn)測(cè)試在整車上進(jìn)行，利用Inca軟件采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)，利用AVL indicom系統(tǒng)采集燃燒數(shù)據(jù)。

對(duì)采用新歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行頻譜分析。新歧管與原歧管頻譜對(duì)比如圖12所示。可以看出，新歧管0.5階幅值顯著降低，同時(shí)1階和1.5階幅值也比原歧管低。

采用新歧管方案后，對(duì)4缸IMEP按時(shí)間重組后進(jìn)行頻譜分析。新歧管與原歧管IMEP的頻譜對(duì)比如圖13所示?？芍缕绻?.5階幅值仍比較突出，但與原方案相比，幅值降低約1倍。

在缸體上測(cè)量振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行時(shí)頻分析，其0.5階振動(dòng)信號(hào)能反映振動(dòng)水平。圖14為原歧管和新歧管兩種不同方案0.5階的振動(dòng)水平對(duì)比?？梢钥闯?，新歧管方案的振動(dòng)均值及振動(dòng)極差都低于原歧管方案，有利于提高怠速時(shí)的穩(wěn)定性和舒適性。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和座椅振動(dòng)信號(hào)的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)0.5階振動(dòng)是導(dǎo)致怠速不規(guī)則抖動(dòng)的主要原因。研究還發(fā)現(xiàn)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和IMEP信號(hào)的傅立葉頻譜可以識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的0.5階振動(dòng)問(wèn)題。在原有歧管基礎(chǔ)上增加副腔，提高了各缸進(jìn)氣和RGF的均勻性，降低了轉(zhuǎn)速和IMEP 0.5階的幅值，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階振動(dòng)，改善了怠速抖動(dòng)。

1 Ganesh I,Prasanth B,Sachin W,et al.Idle vibrations refine?ment of a passenger car.SAE Paper，2011-26-0069.

2 姚棟偉,等.基于增量式數(shù)字PID的汽油機(jī)怠速控制研究.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（44）:1122～1126.

3 Jinil P,Kyoung SP,Jong HL,et al.Adaptive Control of Indi?vidual Cylinder Ignition Timing for Improvement of Idle Sta?bility.SAE Paper，930315.

4 John Hoard,Larry Rehagen.Relating Subjective Idle Quali?ty to Engine combustion.SAE Paper，970035.

5 Charlie Teng.Evaluation of Idle Combustion Stablility Us?ing Flywheel Acceleration.SAE paper，2003-01-1673.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2014年9月1日。

Analysis of Irregular Idle Jittering of an Engine and Solution

Wang Wei1,Lv Jiping2,Li Yuqi1,Jin Hui1,Chen Weiguo1
（1.Engine Engineering Research Institute,Chery Automobile Co.,Ltd;2.Qingdao Vocational and Technical College of Hotel Management）

An intermittent irregular jittering is observed by the seats during engine idling,it is found that such jittering is related with engine stability.Spectral analysis is made to engine speed,IMEP,etc.,and it is found that engine half-order amplitude is related to such irregular jittering.Optimization is made by adding a pressure stabilizing cavity to the existing intake manifold,to increase air intake of the cylinders and uniformity of residual waste gas coefficient inside cylinders,thus to improve engine stability.Vehicle with optimized intake manifold is tested,which shows that half-order amplitude of parameters like engine speed,IMEP,etc.,go down notably,and the irregular jittering during idling is decreased.

Engine,Idle jittering,IMEP,Half-order amplitude,Intake manifold

發(fā)動(dòng)機(jī) 怠速抖動(dòng) 指示平均有效壓力 半階幅值 進(jìn)氣歧管

U461.4

A

1000-3703（2015）04-0014-04

國(guó)家863計(jì)劃，編號(hào)：2008AA11A148。