基于发动机本体三缸机点火抖动改进的标定方法

邢维者，陈寒霜，香植钿，徐仰汇，田子龙

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434)

相同的整车应用环境下，为达到搭载四缸发动机(以下简称四缸机)的动力性，搭载了三缸发动机(以下简称三缸机)的整车其单缸负载比四缸机高约33%，因此带来更大的主阶次激励。四缸机振动、噪声主激励阶次为2阶，而三缸机振动、噪声主激励阶次为1.5阶。在同一转速下，三缸机所激励的频率比四缸机低。而悬置对于低频的隔振率有限，三缸机车身受到的激励较四缸机大，易引发低频的抖动问题，严重影响驾驶者及乘客的实车体验[1]。

动力总成在发动机点火后会产生抖动，抖动通过悬置传递至车身，进而传递至座椅导轨使驾驶者感知。国内外学者对于发动机点火抖动现象进行了较为广泛的研究。Bang等[2]通过建立动总模型，通过仿真手段，计算并优化动总刚体模态等方式预测启动过程动总本体振动，从而降低了整车启动抖动。Furushou 等[3]通过在曲轴轴系上安装启停系统，配合启动控制系统这一组合，实现了启动过程的舒适性达到混合动力汽车相同的水平。王博等[4]研究了发动机起动振动对混合动力汽车振动的影响。以上研究结果多基于四缸机，国内对于三缸机的点火抖动大都从路径角度优化，李斌等[5]通过悬置解耦的方式，避开点火激励频率1 Hz以上，显著改善了点火抖动。金岩等[6]通过优化动力总成悬置系统，降低扭矩波动到车身的传递以及提高电机拖动转速，降低起动初期扭矩波动，使起动振动得到明显抑制。两者均通过调节悬置的方法优化了三缸机的点火抖动，但由于悬置结构中存在橡胶，大多数厂家在制造过程中的静刚度公差范围为±15%，很难保证生产过程中每辆车动力总成刚体模态的一致性，因此整车的点火抖动性能也存在差异。

本文从发动机本体出发，对某自主研发的三缸机车型点火抖动问题展开研究。通过试验的方法，分析发动机点火抖动产生的机理。调节发动机启动过程中的转速波动及点火激励，对点火抖动这一NVH性能进行改进，以使整车点火抖动性能达到对标车的水平。本研究可为其他车型的三缸机点火抖动改善提供借鉴。

1 三缸机点火抖动测试分析

1.1 试验设备及方法

整车点火抖动测试所需仪器为西门子SCADAS信号采集仪，B&K4524B 型三向加速度计、测试电脑等。振动传感器布置在左前座椅导轨位置，如图1所示。测试时需要同时采集发动机转速、扭矩、水温等参数。

图1 座椅导轨振动测点位置

点火激励与发动机气缸缸压大小直接相关，为测试点火过程中气缸内压力的变化，需要安装气缸压力传感器。气缸压力传感器为特制传感器，在测试过程中可以采集发动机气缸压力信号，同时还可以替代火花塞进行点火。气缸压力传感器及测试安装如图2所示。

图2 气缸压力测试示意图

1.2 问题描述

某自主研发搭载三缸机手动挡车型，在研发期间出现点火抖动大，启动过程中存在拖沓感的问题，严重影响其整车商品性。该自研车与某同排量同级别搭载四缸发动机的对标车进行对比，启动时座椅导轨振动的时域数据测试结果如图3 所示，座椅导轨振动高出对标车2～3倍，严重影响驾驶者的主观感受及整车品质。

图3 点火抖动座椅导轨振动时域数据对比

1.3 点火抖动的客观评估方法

通常采用快速傅里叶变换法（Fast Fourier Transform，FFT）对NVH数据进行后处理分析，但FFT分析会对时域数据进行重叠和平均，不利于真实地反映整车启动过程中的瞬态振动。

国标GB/T13441.1-2007《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价（第1 部分）：一般要求》[7]指出，在遇到瞬态振动、偶然性冲击振动的情况时，应采取四次方振动剂量值（Vibration Dose Value，VDV）或运行均方根值（最大瞬时振动值，Maximum Transient Vibration Value，MTVV）代替。本研究选择VDV的评价标准进行客观数值的计算。

四次方振动剂量值（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，定义为：

式中：αw(t)为振动加速度时域信号，m/s2。测试整车启动过程中座椅导轨的振动数据，测得座椅导轨X/Y/Z三个方向的振动加速度，需综合三个方向的振动剂量来计算。如式（2）所示：

根据该客观计算方法，分别对自研车及对标车点火过程中座椅导轨的振动剂量值进行计算，结果如图4 所示。由图可见，自研车座椅导轨振动剂量是0.48 m/s1.75，对标车A 为0.24 m/s1.75，对标车B 为0.2 m/s1.75，自研车启动过程振动剂量较对标车高2～2.4倍，严重影响启动过程驾驶者的体验。因此，需要在研发期间将点火抖动降低至对标车的水平。

图4 振动剂量对比

2 三缸机点火抖动机理分析

2.1 点火抖动气缸压力变化

以点火顺序为1—2—3 的三缸机为例，车辆在启动过程的转速及气缸压力如图5所示。启动期间可以分为三个阶段，当按下启动按键，进入第一阶段，启动机开始工作，飞轮及曲柄连杆机构在启动机的带动下开始转动，ECU 根据曲轴位置传感器及凸轮轴位置传感器判定曲柄连杆机构所处的位置，当某一气缸满足点火条件时，进入第二阶段。发动机点火，被压缩的混合气体被点燃，气缸内的压力急剧上升，发动机的转速升高，当转速上升到某一数值，进入第三阶段，发动机转速平稳，最终回落至怠速。

图5 启动时发动机转速及气缸压力

根据发动机启动过程的3 个阶段，结合座椅导轨的振动测试，可以得到各阶段座椅振动的量级，如图6所示。第一阶段为启动机齿轮与发动机飞轮齿轮的啮合产生的冲击，该阶段座椅导轨开始出现抖动。第二阶段气缸内的混合气开始燃烧，发动机转速开始上升，座椅振动增大。第三阶段发动机转速平稳，座椅振动逐渐降低。

图6 启动时发动机转速及座椅导轨振动

从上述的数据可知，座椅导轨振动大的阶段为第2阶段，该阶段发动机气缸内的压力急剧上升，尤其是第一次点火缸压，达到了57 bar，较第三阶段平稳运转时的7 bar 气缸压力高了7 倍以上。因此，降低第二阶段的激励是降低整车点火抖动主要的途径之一。

2.2 三缸机启动转速波动

某搭载三缸机的整车启动转速波动如图7 所示，点火转速在200 r/min，点火后转速存在较为明显的波动，波动范围在200 r/min～800 r/min，发动机1.5阶激励在5 Hz～20 Hz。该转速区间三缸机主激励阶次会激励起动力总成的刚体模态、双质量飞轮模态，引起动力总成产生较大的振动，这些振动通过悬置传递到车身，引发整车抖动[8-11]。

图7 某三缸机启动转速波动

转速波动问题的产生主要有以下两点原因：

（1）为达到四缸机的动力性，同排量的三缸发动机单缸负载比四缸机高，因此压缩比高于四缸机。压缩比的升高，导致三缸机在气缸压缩过程中泵气阻力大，发动机转速降低。

（2）如图8 所示，以一个工作周期为例，四缸发动机工作时，相邻点火气缸不存在间隔。而三缸机较四缸机相比缺少一个气缸，相邻点火的气缸存在60°无气缸做功的行程，该行程为即将做功气缸的压缩行程，混合气阻力大，发动机转速降低。

图8 三缸发动机和四缸发动机的一个工作周期

要使得发动机能够平稳运转，需要飞轮储存一定的动能。影响飞轮动能的主要因素是飞轮的转动惯量和转速。飞轮惯量不变，点火转速低时，飞轮的动能低，发动机转速波动大；点火转速高时，飞轮的动能高，发动机转速波动小。

通过上述的三缸机启动抖动机理分析，提高点火转速，提升飞轮动能，降低发动机启动过程的转速波动，以及降低气缸压力的方法，可以降低动力总成的激励，从而减小整车点火抖动。

3 三缸机点火抖动改进

3.1 点火转速改进

对于四冲程发动机而言，一个工作周期内，每个活塞只有做功行程做功，而排气、进气和压缩行程都要消耗功，此时飞轮的动能转换为发动机的机械能。影响飞轮动能的主要因素是飞轮的转动惯量和转速。由于飞轮的转动惯量受到整车重量及空间的限制，因此通常采取提高点火转速的方式提升飞轮动能。

飞轮动能表达式为：

其中：I为飞轮的转动惯量，ω为飞轮的角加速度。

工程上通常采用提高启动机功率或增大传动比的方式提高点火转速。提高启动机的功率，需要增加铜线提高磁场强度，降低铜损。增大传动比，通常是更改小齿轮的齿数，或者是更改行星齿轮的减速比。在方案的选择上，需根据所提高转速的需求，项目周期、成本及冷启动工况等进行取舍。

本研究为了兼顾成本及项目开发周期，采取的方案是在保证功率不变的前提下，改进启动机铜线的绕线形式，增大磁场强度；同时优化启动机内部的齿轮组，增大驱动齿轮与飞轮的传动比以提高点火转速。

改进前后的点火转速对比如图9 所示，由图可见，点火转速由原先的200 r/min 提升到280 r/min，降低了启动后的转速波动。座椅导轨振动剂量测试结果如图10 所示，由图可见，座椅导轨振动冲击较原状态降低了37.5%，改善效果明显，主观评价整车点火抖动已接近对标车的水平。理论上分析，点火转速的提高，可避开更低的激励频率，并且发动机达到目标转速的速差越小，有利于降低发动机的气缸压力，降低点火激励[3]。对于不考虑成本等因素的情况，可以通过提高启动机功率，增加铜线等方式来提高点火转速。

图9 改进前后点火转速对比

图10 提高点火转速后座椅导轨振动剂量对比

通过提高点火转速，提升飞轮动能，降低了发动机启动过程的转速波动，座椅导轨振动冲击较原状态相比降低了37.5%，改善效果明显，但仍未达到对标车水平。

3.2 点火气缸压力改进

发动机的激励与点火时气缸压力存在相关性，气缸压力越高，激励能量越大。为降低激励能量，需要降低点火气缸压力。发动机启动过程中，除需克服自身的摩擦力和泵气损失外，还受到排放、低温环境启动性能的影响[12]。在降低点火激励的同时，还需对各项性能进行平衡。可以采取以下方式减小点火激励；延长进气VVT的开启时间，缩短压缩行程；减小喷油器的开启时间，降低喷油量；改变启动过程的点火提前角等[13-14]。

本文采取的方式是改变启动过程的点火角，降低点火时的气缸压力。发动机的每一工况都存在最佳点火提前角，此时发动机的气缸压力较高。但对于某些工况，过高的气缸压力会引起发动机产生额外的抖动，推迟点火提前角，可以缩短气缸内火焰传播距离，降低气缸压力。对于发动机启动工况，在保证发动机基本工作的前提下，可以适当降低气缸压力，从而减小点火激励。

根据之前的分析，发动机启动时，前两次点火的气缸压力较大。通过推迟点火提前角的方式，降低气缸压力的策略，在低温环境下有启动失败的风险，因此推迟点火提前角的方案仅在气温大于等于20℃的条件下才可实施，且仅降低前两次气缸的点火压力。分别对原状态，推迟点火提前角10°、推迟点火提前角15°、推迟点火提前角20°的气缸压力测试结果进行对比，如图11 所示。结果表明，点火提前角推迟10°，第一次点火的气缸压力为28 bar，气缸压力较原状态降低了51.7%；点火提前角推迟15°，第一次点火的气缸压力为20 bar，气缸压力较原状态降低了64.5%；点火提前角推迟20°，第一次点火气缸压力为15 bar，气缸压力较原状态降低了73.7%。由于点火提前角推迟15°及20°的标定策略，在特殊环境下有失火的风险，因此，选择点火提前角推迟10°作为降低气缸压力的验证方案。

图11 推迟点火提前角点火气缸压力对比

在提高点火转速的基础上，对点火提前角推迟10°进行实车验证，测试结果如图12 所示。由图可见，点火抖动在提高点火转速状态的基础上降低了30%，相比于初始状态降低了56.3%。主观感受点火抖动较小，客观数据测试结果与对标车相当。

图12 改进标定后座椅导轨振动剂量对比

通过改进启动过程的点火提前角，减小发动机点火缸压，降低了发动机点火激励，降低了整车点火抖动。

4 结语

基于三缸发动机与四缸发动机的NVH 性能差距，本文以某自主研发的三缸机车型点火抖动问题为例，根据发动机点火过程的转速、气缸压力及座椅振动的测试数据，分析了发动机点火抖动机理。

从发动机本体出发，通过提高点火转速，增大飞轮动能，降低了启动过程中发动机的转速波动，使得点火抖动较原状态降低了37.5%。在此基础上，通过推迟点火提前角，降低启动过程中的点火激励，点火缸压较原状态降低了51.7%，对该方案进行整车验证，点火抖动较原状态降低了56.3%，整车点火抖动性能达到了对标车的水平。