通過優化傳統起動機改善發動機再起動過程的噪聲振動

【法】　S.Affi

通過優化傳統起動機改善發動機再起動過程的噪聲振動

【法】S.Affi

摘要：許多汽車制造商正在引入以傳統齒圈起動機為基礎的自動起停系統，這是一種無需對現有結構作重大修改的經濟型解決方案，尤其是在汽車制造商考慮采用混合動力技術時。然而，遺憾的是這種解決方案從噪聲振動運轉平順性角度來看是不能令人非常滿意的。實際上，消費者通常對僅在起步時發生的1次嘈雜的長時間發動機再起動噪聲是能夠接受的。然而，對于混合動力汽車，則要求實現安靜快速地再起動，因為這種再起動不是因駕駛者的需要而發生的，因此會對駕駛者產生干擾。著重分析了傳統齒圈起動機再次起動時的發動機噪聲振動。為了優化起動時間和噪聲水平，試驗了幾種解決方案。采用永久嚙合式起動機和高功率起動機是2種簡單經濟的解決方案，可以顯著降低起動機的噪聲和減少發動機的再起動時間，因而該技術可用于混合動力車。

關鍵詞：振動噪聲混合動力永久嚙合式起動電機高功率起動機

0前言

為了應對新標準(例如歐6、CAFE)的限制，汽車制造商正在努力減少燃油消耗和氣體排放。以簡單經濟的解決方案來實現熱動力汽車的電氣化。在這種情況下，可以在不對現有結構(12V供電系統和傳統齒圈起動機)作重大改動的情況下采用起動停車系統。這一技術會導致內燃機頻繁的再起動，從而影響消費者對噪聲-振動-平順性(NVH)的接受程度。

在引入起動停車系統之前，對發動機再起動階段的NVH沒有具體要求。事實上，發動機再起動只發生1次時，駕駛者是可以接受的。

在混合動力系統汽車中，有時由純電力驅動時，在駕駛者無需求的情況下內燃機再起動會頻繁發生，這取決于畜電池的充電狀態及所需的車輛加速狀況。因此，必須通過限制發動機再起動時的噪聲來改善系統的NVH性能，所以需要優化從純電力驅動模式向混合動力或發動機驅動模式的過渡狀態，以及通過減少發動機的再起動時間來改善振動噪聲。限制發動機再起動的轉速同時，還能降低噪聲(圖1)。

市場研究表明，NVH是駕駛者對起動停車系統的1個主要要求。當發動機再起動的噪音較大時，駕駛者往往會自動關閉該系統，這不利于混合動力車輛的節能減排。

混合動力汽車采用的發動機再起動技術通常有3種：齒圈起動機、皮帶傳動起動機發電機(BSG)和電動裝置。圖2所示為采用3種不同技術時再起動噪聲的比較。

試測結果來自于采用3種不同技術的3輛混合動力汽車的實測再起動噪聲值。

從圖2可以看出，電動裝置和BSG的噪音水平相近。同時，傳統齒圈起動機的再起動噪聲較大(在所有頻程約大20dB)。

另一方面，表1列出了采用3種不同技術時發動機的再起動時間。再起動最快的是電動裝置，最慢的是齒圈起動機。這與可用的再起動功率有關，因為電動裝置的功率要高很多(在試驗中：電動裝置功率為20.0kW，BSG功率為8.5kW，齒圈起動機功率為1.5kW)。

表1　采用不同技術時的發動機再起動時間

同時，齒圈起動機是1種經濟的解決方案(其他所列方案則要對現有的動力總成作重大改動，如供電系統電壓，皮帶驅動發動機等)。因此，關注的重點應當是通過優化這一技術來改善NVH，并使其應用于混合動力車。

此外，為了安全起見，必須考慮到駕駛者想法的變化(當有需求時，發動機必須在很短的時間內重新起動)。然而，當發動機運轉停止時，傳統起動機是不能再起動發動機的(因為兩者轉速不同，在起動機小齒輪與齒圈嚙合前發動機必須完全停止)。一些汽車供應商，如DENSO公司提供各種解決方案以滿足這種需求，如永久嚙合式(PE)起動機或串聯螺線管(TS)起動機(圖3a、圖3b)。

圖3　DENSO公司的PE起動機(a)和TS起動機(b)

本文論述了用于混合動力車輛的傳統齒圈起動機。研究人員定量研究了永久嚙合式起動機對發動機再起動噪聲的影響，以及高功率起動機對NVH的影響。

1傳統齒圈起動機的起動功能

齒圈起動機由螺線管(電磁鐵)和電動機2個主要部件構成(圖4)。

圖4　齒圈起動電機的組成部件

研究人員將傳統齒圈起動機的發動機再起動過程分成幾個不同的階段(表2)。

2測試條件

所有的測試都是在發動機臺架上進行的。圖5所示為起動機的相關測量儀器。

測定傳統齒圈起動機的發動機再起動噪聲時所采用的儀器包括：(1)麥克風，放置在離起動機約5cm處；(2)加速度計，布置在起動機的中心線上；(3)電流鉗，夾在起動機供電導線上，以檢測起動機的激活狀態；(4)磁性轉速傳感器，位于起動齒圈的齒頂上方，以測量發動機轉速；(5)壓力傳感器，放置在某一氣缸內，以測量氣缸壓力。

表2　傳統齒圈起動機的發動機再起動階段

圖5　起動機的相關測量儀器

以噪聲(單位： dB)計的所有結果其基準值是：(1)加速度，1m/s2，(2)聲壓，2×10-5Pa。

3采用傳統齒圈起動機時發動機再起動過程的NVH分析

圖6　　　　發動機再起動過程中氣缸蓋的　　　振動和某一氣缸的壓力

為了更好地了解采用齒圈起動時的發動機再起動過程，將重點關注起動過程中出現的各種現象。如圖6所示，可以從起動機觸發直到發動機再起動的過程中識別出幾個不同的沖擊。在起動機小齒輪與齒圈第一次接觸后，從曲軸開始旋轉到第一次壓縮過程中有一定的延遲。可以發現，在第一缸中發生第一次燃燒前共有4次壓縮，之后發動機便正常工作。

識別出的幾種不同沖擊分別為：(1)軸向沖擊，因起動機小齒輪與齒圈嚙合時產生的沖擊；(2)切向沖擊，因起動機小齒輪與齒圈嚙合時產生的沖擊；(3)壓縮沖擊，因起動機小齒輪驅動齒圈時產生的沖擊(扭矩為0時產生的沖擊)；(4)切向沖擊，因起動機小齒輪脫開嚙合時產生的沖擊。從圖7的時間頻率分析，上述各種沖擊的頻帶很寬。

圖7　發動機再起動時氣缸蓋振動的時頻分析

從主觀上，可以清楚地識別出這些不同的沖擊，這些沖擊按照它們的噪聲和持續時間會使發動機再起動產生嘈雜的噪音。

如圖8所示，最大的振動和噪聲出現在起動機小齒輪與齒圈發生嚙合沖擊之時。然而，研究表明，駕駛者對發動機再起動的持續時間更敏感，因而使它成為噪聲接受度的主要因素之一。

圖8　發動機再起動時起動機的振動和噪聲

所以，為了改善發動機再起動的NVH性能，需要優先減少起動時間(通過減少壓縮次數和提高起動機功率)，以及消除起動機小齒輪與齒圈的嚙合沖擊，因為它們在總噪音和振動中占主導地位。

4采用傳統齒圈起動機時改善發動機再起動噪聲的優化方案的試驗

研究人員考慮了幾種解決方案，尤其是將傳統齒圈起動機用于混合動力汽車，改善使用齒圈起動機時的發動機再起動噪聲。

4.1永久嚙合式起動機的試驗

為了消除之前檢測到的起動機小齒輪與齒圈的嚙合沖擊，研究人員試驗了1種永久嚙合式起動機方案，比較這幾種方案和常規齒圈起動機的振動和噪聲特性(圖9～圖12)。為了更好地了解幾種方案，圖中添加了起動機的電流和發動機轉速。這兩種方案是在相同的電流水平下進行試驗的。

圖9　采用原有技術時起動機的振動和電流

圖10　采用原有技術時起動機的噪聲和發動機轉速

圖11　采用小齒輪與齒圈永久嚙合式起動機時起動機的振動和電流

圖12　采用小齒輪與齒圈永久嚙合式起動機時起動機的噪聲和發動機轉速

在采用傳統起動機時，起動機振動和噪聲曲線的第1個峰值出現在起動機小齒輪與齒圈嚙合的時刻。最后1個峰值出現在發動機再起動后起動機小齒輪脫開嚙合的時刻，可以看到發動機轉速上升和起動機電流消失。

比較圖10、圖11曲線可見，永久嚙合式起動機方案能夠消除起動機小齒輪的嚙合沖擊和脫開沖擊，因此能消除相應的振動和噪聲峰值。該方案還能稍微減少發動機的起動時間(在壓縮次數相同的情況下)，這是因為該方案去除了嚙合階段。通過消除這些沖擊，明顯改善了再起動噪聲的干擾。

如圖13所示，永久嚙合式起動機可以使總體噪聲降低7dB(A)，同時，也降低了不同倍頻程的最大噪聲。同樣，這項技術能使起動機總體振動降低7dB(表3)。

圖13　　采用原有技術和永久嚙合起動機技術時起動機的總噪聲和倍頻程噪聲

項目參數起動機總體振動/(m·s-2)原技術56.3永久嚙合式起動機技術49.0

4.2高功率起動機的試驗

噪聲給駕駛者帶來的干擾與發動機再起動的時間直接相關。因此，再起動時間越短，在相同的噪聲水平下噪聲干擾越小。

減少再起動時間的主要途徑是提高起動機的功率。研究人員試驗了2種起動機：(1) 0.8kW的常規起動機；(2) 專門用于低溫國家的1.3kW起動機。

圖14顯示了原起動機和高功率起動機起動持續時間的進展過程。可以清楚地看到，起動機功率增加約1倍時，基于相同的壓縮次數(本試驗中為4次)，發動機起動更快。

圖14　采用高功率起動機時的發動機起動持續時間的進展情況

考慮到發動機再起動可能存在的偏差，對20次再起動的測量值進行了平均。結果為高功率起動機的再起動時間平均減少約0.2s(表4)。

采用這種方案時，發動機的再起動時間與采用BSG技術時相同。通過采用永久嚙合式起動機消除嚙合沖擊，特別是減少起動時間(小于0.4s)，駕駛者對發動機再起動噪聲的感受明顯改善。

表4　采用原起動機和高功率起動機時的發動機再起動時間

4.3減少再起動時間的其他方案

還有其他一些技術可以減少發動機的再起動時間。例如，通過控制噴油正時也能減少再起動時間。采用可變氣門正時(VVT)技術能在1次壓縮行程內實現發動機再起動。這項技術已經被一些汽車制造商使用。

事實上，再起動時間是1個重要的參數，它直接影響到人們對發動機再起動噪聲的接受度。試驗證實，人們對再起動持續時間的敏感度要比對噪聲水平的敏感度來得更高。

5結語

本文介紹了采用傳統齒圈起動機時發動機再起動的NVH綜合性能。識別了發動機再起動過程中產生的不同沖擊源。為了改善再起動噪聲給人的感受，對2種簡單和經濟的方案進行了試驗：(1) 采用永久嚙合式起動機能夠減少起動機的噪音和振動；(2) 提高起動機功率可以減少發動機的再起動時間。這兩種解決方案可以使齒圈起動機得以優化，使之有可能應用于混合動力汽車。

武濤譯自SAE paper2014-01-2068

朱炳全校

虞展編輯

(收稿時間：2015-07-07)