摘要：傳統(tǒng)燃油汽車(chē)在-20 ℃以下極端異常寒冷工況下運(yùn)行工作，將產(chǎn)生明顯的冷機(jī)怠速現(xiàn)象。為此，對(duì)燃油車(chē)輛轉(zhuǎn)速波動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)特性及內(nèi)部燃燒相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬測(cè)試，通過(guò)詳細(xì)對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量、進(jìn)氣壓力和點(diǎn)火提前角等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，基于角度域、頻譜和時(shí)域分析汽車(chē)在怠速工況下的異常抖動(dòng)原因。經(jīng)排查，因燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部點(diǎn)火提前角、噴油量與實(shí)際進(jìn)氣壓力控制穩(wěn)定性不佳，易引起瞬態(tài)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置膠料低溫結(jié)晶，使懸置隔振剛度性能下降惡化，引起車(chē)內(nèi)間歇性一階異常抖動(dòng)。因此建議對(duì)懸置膠料配方優(yōu)化，并使用順丁膠提高發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置膠料結(jié)晶溫度，來(lái)解決冷機(jī)怠速抖動(dòng)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：極端寒冷工況；燃油車(chē)；低溫冷機(jī)；怠速異常抖動(dòng)；優(yōu)化措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.9 ?收稿日期：2023-02-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.026

1 極寒工況下燃油車(chē)低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)機(jī)理

汽車(chē)主要?jiǎng)恿?lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)，是極端寒冷工況下燃油車(chē)低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)產(chǎn)生的主要根源[1]。因此，對(duì)于市面上常見(jiàn)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，在分析低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)機(jī)理時(shí)，應(yīng)從源頭、抖動(dòng)傳遞路徑及響應(yīng)點(diǎn)三個(gè)方面進(jìn)行分析。

a.從抖動(dòng)源頭分析。一般情況下，若傳統(tǒng)燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)剛體模態(tài)被激發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件缺乏良好動(dòng)平衡性，且當(dāng)燃油車(chē)燃燒異常時(shí)，都會(huì)引起燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在極端寒冷工況下異常抖動(dòng)[2]。

b.從抖動(dòng)傳遞路徑分析。①如果部分器件存在異常抖動(dòng)，則傳統(tǒng)燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)異常抖動(dòng)會(huì)迅速通過(guò)剛體模態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件等結(jié)構(gòu)路徑向整車(chē)傳遞，從而快速引起傳統(tǒng)燃油汽車(chē)整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)異常抖動(dòng)。②如果汽車(chē)在路況不佳路面行駛，勢(shì)必會(huì)引起汽車(chē)輪胎胎皮力傳遞率大增，同時(shí)若汽車(chē)輪胎總成端面跳動(dòng)或動(dòng)平衡性較差，也會(huì)使汽車(chē)動(dòng)力源，即源頭振動(dòng)激勵(lì)大增，由此會(huì)使傳統(tǒng)燃油汽車(chē)整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)異常抖動(dòng)增大[3]。

c.從抖動(dòng)最終響應(yīng)點(diǎn)分析。如果傳統(tǒng)燃油汽車(chē)制動(dòng)管路、燃油管路或空調(diào)管路固定管夾隔振性差，且動(dòng)力總成前后懸架系統(tǒng)隔振性能不足、襯套隔振差等，均會(huì)引起傳統(tǒng)燃油車(chē)整車(chē)抖動(dòng)大增。如果汽車(chē)所處外界環(huán)境為高寒或者極端高溫環(huán)境，汽車(chē)整車(chē)隔振元件剛度會(huì)受高寒、高溫環(huán)境影響，尤其傳統(tǒng)燃油汽車(chē)慣用隔振元件為橡膠類(lèi)材料，所以汽車(chē)隔振性在寒冷冬天會(huì)有顯著變化波動(dòng)，且會(huì)隨橡膠硬度變化而變化；此外，若傳統(tǒng)燃油車(chē)車(chē)身接附點(diǎn)動(dòng)剛度不高，車(chē)身附件模態(tài)頻率耦合或模態(tài)響應(yīng)大，都會(huì)引起整車(chē)振動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)共振，進(jìn)而導(dǎo)致燃油車(chē)低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)[4]。

2 試驗(yàn)測(cè)試分析與問(wèn)題解決方案

2.1 燃油車(chē)低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)特征

首先，測(cè)試分析燃油車(chē)整車(chē)怠速振動(dòng)特征，如圖1所示，通過(guò)對(duì)燃油車(chē)車(chē)內(nèi)座椅導(dǎo)軌處振動(dòng)情況進(jìn)行振動(dòng)加速度傳感器測(cè)試分析，其中車(chē)內(nèi)振動(dòng)水平用汽車(chē)座椅上振動(dòng)情況來(lái)表示，這種振動(dòng)可被人體直接感受到。另外，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)整體燃燒性能都可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速來(lái)反映。因此，在試驗(yàn)分析整車(chē)怠速振動(dòng)特征時(shí)，需通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試來(lái)準(zhǔn)確判斷燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是否屬于穩(wěn)定燃燒工況。

如圖1所示，在試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，為了對(duì)燃油汽車(chē)正常怠速工況進(jìn)行測(cè)試，需要做好以下工作：a.需對(duì)車(chē)輛整車(chē)熱車(chē)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫保持在90 ℃以上即可。b.需對(duì)車(chē)輛冷卻風(fēng)扇實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行檢查，確保汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇被關(guān)閉，以便將汽車(chē)?yán)鋮s風(fēng)扇振動(dòng)所引起的整車(chē)怠速振動(dòng)排除。c.采用專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件和采集系統(tǒng)來(lái)測(cè)試汽車(chē)整車(chē)怠速振動(dòng)情況，同時(shí)采集汽車(chē)在極端寒冷工況下的怠速振動(dòng)信號(hào)。為了能夠更加準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，本研究將整車(chē)測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)度控制在30 min內(nèi)，在試驗(yàn)過(guò)程中，由專(zhuān)業(yè)測(cè)試人員在車(chē)內(nèi)客觀(guān)采集整車(chē)在某一段時(shí)間內(nèi)的怠速穩(wěn)態(tài)振動(dòng)水平，并對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)與分析。

在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員在不同時(shí)間段主觀(guān)能夠感受到車(chē)內(nèi)低頻振動(dòng)波動(dòng)時(shí)而明顯，時(shí)而存在較大差別，這種振動(dòng)波動(dòng)幅度隨測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增大。為了測(cè)試傳統(tǒng)燃油汽車(chē)低頻間歇性抖動(dòng)情況，本研究依次針對(duì)汽車(chē)座椅內(nèi)不同時(shí)間段的抖動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，如圖2所示，測(cè)試發(fā)現(xiàn)，被測(cè)燃油車(chē)輛在不同時(shí)間段內(nèi)怠速轉(zhuǎn)速為650 r/min，此時(shí)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)1階振動(dòng)波動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為11.29 Hz，當(dāng)被測(cè)車(chē)輛發(fā)生明顯抖動(dòng)時(shí)，正常工況下1階振動(dòng)幅值是異常工況下1階振動(dòng)的1.6倍。由此判斷，被測(cè)車(chē)輛間歇性抖動(dòng)主要由于車(chē)內(nèi)乘客感受到的1階振動(dòng)波動(dòng)引起。

在上述試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上，繼續(xù)針對(duì)圖2所示的兩種不同工況，在抖動(dòng)明顯和不明顯兩種情況下對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸瞬態(tài)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集提取，通過(guò)頻譜分析車(chē)內(nèi)抖動(dòng)不明顯和抖動(dòng)明顯時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)車(chē)內(nèi)出現(xiàn)明顯抖動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)；相反，當(dāng)車(chē)內(nèi)抖動(dòng)較小時(shí)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)就會(huì)大大減小，此時(shí)1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)是車(chē)內(nèi)抖動(dòng)明顯時(shí)的1/2。據(jù)此可以得知，燃油汽車(chē)間歇性抖動(dòng)是由1階轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的，因此在異常波動(dòng)優(yōu)化時(shí)，須提高汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)不穩(wěn)引起整車(chē)間歇性抖動(dòng)，從而改善車(chē)內(nèi)乘客體驗(yàn)和感受。

另外，本研究在測(cè)試分析汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)和整車(chē)振動(dòng)時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)方式同步測(cè)試了燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)四缸點(diǎn)火信號(hào)和進(jìn)氣壓力。與此同時(shí)，本研究結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)CAN信號(hào)，分別對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油、進(jìn)氣、點(diǎn)火特征三個(gè)影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的進(jìn)氣特性進(jìn)行測(cè)試分析。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力和噴油量波動(dòng)情況

基于前文研究試驗(yàn)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)試了車(chē)內(nèi)1階振動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)異常波動(dòng)。通過(guò)提取汽車(chē)座椅在30 min內(nèi)的一階實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)，然后與進(jìn)氣壓力信號(hào)分析對(duì)比，得到如圖3所示關(guān)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力。

圖3測(cè)試結(jié)果顯示，車(chē)內(nèi)座椅1階振動(dòng)在30 min之內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)與進(jìn)氣壓力信號(hào)均存在較為明顯的異常波動(dòng)情形，在這種試驗(yàn)工況之下，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)內(nèi)1階振動(dòng)幅值與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力呈正比關(guān)系，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力增大時(shí)，燃油車(chē)車(chē)內(nèi)1階振動(dòng)幅值也在逐漸增大。相反，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力減小時(shí)，燃油車(chē)車(chē)內(nèi)1階振動(dòng)幅值也在逐漸減小。本研究通過(guò)提取分析汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的谷峰值數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)車(chē)內(nèi)1階振動(dòng)分別出現(xiàn)于30 min內(nèi)的峰值和谷值的時(shí)刻，由此表明，燃油車(chē)車(chē)內(nèi)1階間歇性抖動(dòng)主要受汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力波動(dòng)的影響。

另外，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力的波動(dòng)變化還會(huì)引起汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量的波動(dòng)與變化[5]。針對(duì)前文試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，本研究又分別提取了車(chē)內(nèi)抖動(dòng)不明顯與明顯兩個(gè)不同試驗(yàn)工況下的進(jìn)氣壓力變化數(shù)據(jù)與噴油量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在20 s的測(cè)試時(shí)間里，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量信號(hào)與整車(chē)CAN信號(hào)的變化與波動(dòng)均存在較為明顯的抖動(dòng)，且二者存在顯著的關(guān)聯(lián)性。如圖4所示，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)生不明顯抖動(dòng)和明顯抖動(dòng)時(shí)的平均噴油量分別為0.61 L/h和0.66 L/h，相比而言，后者比前者增大約7.5%。由此充分說(shuō)明，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定噴油控制，也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)產(chǎn)生明顯波動(dòng)。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角波動(dòng)分析

在汽車(chē)車(chē)輛工程理論中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能會(huì)受到點(diǎn)火提前角影響[6]，這一試驗(yàn)參數(shù)是本研究試驗(yàn)的重點(diǎn)所在，首先在試驗(yàn)環(huán)節(jié)，本研究提取了同步采集的車(chē)內(nèi)不明顯抖動(dòng)和明顯抖動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)缸的點(diǎn)火控制電壓信號(hào)進(jìn)行角度域轉(zhuǎn)換，然后將點(diǎn)火控制電壓與曲軸信號(hào)盤(pán)的缺齒信號(hào)關(guān)聯(lián)，基于不同情況分析點(diǎn)火提前角波動(dòng)特征。

在試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，首先提取四缸點(diǎn)火控制信號(hào)，然后根據(jù)每個(gè)零度原點(diǎn)的點(diǎn)火電壓與各缸之間的上止點(diǎn)角度，對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示，抖動(dòng)明顯與不明顯兩個(gè)工況下的點(diǎn)火信號(hào)波動(dòng)存在較大差異，二者在點(diǎn)火提前角發(fā)生明顯減小的情況下，點(diǎn)火時(shí)刻發(fā)生顯著延遲。這就表明，在抖動(dòng)不明顯與抖動(dòng)明顯這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)存在明顯的點(diǎn)火控制差異?；诖耍狙芯坑址謩e結(jié)合這兩種不同測(cè)試工況，統(tǒng)計(jì)了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)同一缸在20 s內(nèi)的點(diǎn)火提前角。研究發(fā)現(xiàn)，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)存在明顯異常抖動(dòng)工況下，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)量和點(diǎn)火提前角明顯偏大，且逐漸變得分散。

3 結(jié)語(yǔ)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生明顯異常抖動(dòng)怠速時(shí)，傳統(tǒng)燃油車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)四缸點(diǎn)火提前角波動(dòng)方差更大，而波動(dòng)均值更小，這一工況下實(shí)測(cè)數(shù)值是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)生明顯異常抖動(dòng)怠速時(shí)的3.5倍。由此表明，汽車(chē)整車(chē)間歇性抖動(dòng)怠速主要受發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角控制不穩(wěn)定因素影響，它對(duì)汽車(chē)整車(chē)實(shí)測(cè)結(jié)果的影響貢獻(xiàn)最大?；谏鲜鲈囼?yàn)測(cè)試結(jié)果與結(jié)論，在優(yōu)化解決極端寒冷工況下燃油車(chē)低溫冷機(jī)怠速異常抖動(dòng)問(wèn)題時(shí)，首先必須要有效改善懸置橡膠在高寒環(huán)境中的隔振性能，建議使用耐低溫性能好的順丁膠替代原有的耐低溫性能比較差的苯膠，通過(guò)優(yōu)化膠料成分，將原狀態(tài)和優(yōu)化后的右懸置分別置于-25 ℃的極端寒冷環(huán)境下，經(jīng)過(guò)連續(xù)72 h放置，然后在相同條件下進(jìn)行懸置低溫動(dòng)剛度比對(duì)，發(fā)現(xiàn)膠料優(yōu)化后與優(yōu)化前，右懸置動(dòng)剛度分別為662.7 N/mm與1 243.3 N/mm，此時(shí)汽車(chē)座椅導(dǎo)軌主觀(guān)評(píng)價(jià)抖動(dòng)振動(dòng)為0.011 g，滿(mǎn)足整車(chē)抖動(dòng)指標(biāo)閾值控制要求，因此汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速抖動(dòng)故障得以解決。

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作者簡(jiǎn)介：

高曉勇，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)檢測(cè)與維修。