某SUV風扇開啟瞬間發動機怠速波動的分析及解決

陳彥如　李　楊　李　輝　楊振杰　王雪松

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某SUV風扇開啟瞬間發動機怠速波動的分析及解決

陳彥如1，2李楊1，2李輝1，2楊振杰1，2王雪松1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某SUV車型在發動機怠速工況，電子風扇開啟瞬間，發動機轉速由800 r/min突然掉至700 r/min，而后又快速爬升至850 r/min，再逐漸恢復正常怠速。轉速波動引起車身明顯抖動，嚴重影響整車的舒適性。通過分析發電機在風扇開啟過程中輸出功率的變化，確認此問題發生的機理是發電機對整車負載響應性與發動機儲備扭矩不匹配。通過調整發動機儲備扭矩，以滿足發電機需求扭矩，使發動機在電子風扇開啟瞬間轉速平穩過渡，改善整車舒適性。

電子風扇開啟瞬間轉速波動發電機輸出響應性儲備扭矩

引言

隨著汽車技術的進步，人們不但注重汽車的觀賞性，而且對汽車乘坐的舒適性提出了更高的要求。汽車不再是一種代步工具，更是要享受駕駛的樂趣。所以汽車NVH性能受到顧客和汽車生產商的格外關注。NVH是指Noise（噪音）、Vibration（振動）、Harshness（粗糙度）的統稱，而振動主要是顧客對方向盤、地板和座椅抖動的感受。發動機怠速轉速較低，一般為800 r/min左右，且人們對于較低頻率的振動非常敏感。低頻振動會引起駕駛人和乘客的疲勞、暈車［1］，所以各大汽車廠商均提高了對怠速平穩性的關注度。

1　問題描述

某SUV車型是公司的主力車型，搭載1.5 L汽油增壓發動機，冷卻系統為電子風扇，裝配了兩個廠家的發電機。A廠發電機（以下簡稱A狀態）是基于發電機NVH及電流輸出性能而后期開發的。當裝配A狀態發電機時，電子風扇開啟瞬間，車身出現明顯抖動。具體的電子風扇啟動過程為：發動機在怠速運行時，當水溫達到規定值，電子風扇開啟，發動機轉速迅速由800 r/min降至700 r/min，而后發動機轉速又快速爬升至850 r/min，再逐漸恢復正常怠速。車身出現明顯抖動，嚴重影響整車的舒適性，主觀評價不可接受，如圖1所示。B廠發電機（以下簡稱B狀態）為項目開發前期基于成本和周期要求而開發的發電機，在電子風扇開啟瞬間，車身未出現明顯抖動。具體的電子風扇啟動過程為：在怠速運行時，當水溫達到規定值，電子風扇開啟，發動機轉速由怠速800 r/ min逐漸升至820 r/min，而后發動機轉速又逐漸恢復為800 r/min，車身未出現明顯抖動，主觀評價可接受，如圖2所示。

圖1　A狀態發動機轉速波動

圖2　B狀態發動機轉速波動

2　問題排查分析

電子風扇開啟過程，整車用電量增加，發電機提高輸出電功率，滿足整車用電量需求。因發電機輸出電功率增加，使發動機輸出功率相應增加。因A狀態時發生發動機轉速波動，B狀態沒有發生轉速波動，兩種狀態發動機均完成整車電量平衡測試，滿足發動機在怠速時單位時間內整車用電使用要求。排查分析方向應從電子風扇開啟過程中，發電機輸出電功率變化和發動機對發電機輸出功率變化的響應方面進行。

電子風扇開啟時，從以下兩方面分析引起發動機轉速波動的原因：1）當電子風扇開啟瞬間，A狀態發電機輸出電功率不能滿足整車用電需求，發動機電控系統因供電不足不能正常工作，引起發動機轉速波動；2）發動機輸出功率不滿足風扇開啟瞬間發電機的功率需求，發動機功率輸出與發電機需求不匹配［2］。

2.1電子風扇開啟時，發電機輸出電功率分析

對同一臺試驗車分別換裝A和B狀態發電機，對比兩狀態發電機在怠速運行及電子風扇開啟過程中輸出的電功率大小，從實際確認A、B狀態發電機對發動機電控系統的影響。

驗證方法：

1）同一臺試驗車分別換裝A和B狀態發電機；2）檢測發電機B+位置及蓄電池電極端電流、電壓，計算輸出功率；

3）怠速著車，當發動機水溫達到95℃，觸發電子風扇開啟，測試上述測點的電流、電壓；

4）試驗過程中只有電子風扇及發動機在工作，關閉其它可關閉的用電設備，遵循單一變量原則；

5）測量3次取平均值，確定A、B狀態發電機在風扇開啟過程中電流、電壓的變化。分析A、B狀態發電機對發動機電控系統的影響。

驗證結果：

1）A、B狀態發電機B+位置及蓄電池電極端電流、電壓測量數據如圖3、圖4、表1所示；對比A狀態與B狀態發電機在風扇開啟瞬間放電量，A狀態發電機瞬間沖擊電流較大，需要更大的發動機扭矩輸出才可滿足。

2）根據電功率計算公式P=U×I，結合串、并聯電路公式，計算出發電機在電子風扇工作前、啟動瞬間、穩定工作時的輸出電功率，如表2所示。結果表明，A狀態發電機發電量在電子風扇啟動過程中的

圖3　A狀態電流、電壓變化

圖4　B狀態電流、電壓變化

表1　A、B發電機測試數據

三個階段均優于B狀態發電機，可以提供給整車更多的電量，所以A狀態發電機的輸出電功率不會導致發動機電控系統供電不足，不是引起發動機怠速波動的原因。同時，裝配A狀態發電機時蓄電池充、放電量穩定，有利于延長蓄電池的使用壽命。

表2　A、B狀態輸出電功率對比W

2.2電子風扇開啟過程發動機輸出功率分析

通過對A、B狀態發電機在電子風扇啟動瞬間輸出電功率分析，A狀態優于B狀態。但在電子風扇啟動瞬間只有A狀態會引起發動機轉速的波動。電子風扇啟動過程需求電量是變化的，必然會影響到發電機輸出電功率的變化。而對于發動機，電控系統根據需求扭矩的變化，輸出目標扭矩，電控系統調整發動機輸出扭矩，滿足整車動力系統和發電機的需求。

隨后對電子風扇工作前、啟動瞬間、工作穩定時發動機ECU數據流進行監控，對比A、B狀態發電機對數據流的影響，如圖5，圖6所示。

發動機ECU數據流顯示B狀態時發動機實際輸出扭矩與目標扭矩跟隨性良好，無明顯偏差，發動機轉速無明顯波動。而A狀態時在發動機實際輸出扭矩為最大值前，與目標扭矩跟隨性良好，無明顯偏差，但是發動機轉速突然降至700 r/min，又快速爬升至850 r/min時，在發動機輸出最大扭矩點后，因發動機轉速嚴重超出怠速目標值，發動機電控系統調整輸出扭矩，發動機實際輸出扭矩出現較大幅度波動，且與目標扭矩跟隨性不好。此時只有電子風扇有動作，可以確定是發電機輸出電功率變化影響到發動機輸出扭矩及轉速的變化。關鍵點還是發電機輸出電功率的變化，因此必須把2.1中電子風扇開啟，發電機輸出過程放大，分析電流、電壓瞬時的變化情況。

2.3電子風扇開啟過程發電機輸出電流、電壓分析

對比A、B狀態發電機電流輸出特性，結果為A、B狀態發電機電流輸出特性一致，無明顯區別，如圖7、8所示。發電機本身電流輸出不是影響怠速波動的原因。

對電子風扇開啟過程測試的發電機輸出數據放大分析，A、B狀態發電機輸出電壓一致；A狀態發電機輸出電流響應非常迅速，在0.036 s就達到最大電流81.4 A，如圖9所示。B狀態發電機輸出電流非常平緩，在0.66 s才達到最大電流70.59 A，在0.036 s時電流幾乎無變化，如圖10所示。

圖5　A狀態ECU數據流

圖6　B狀態ECU數據流

圖7　A狀態發電機電流輸出特性

圖8　B狀態發電機電流輸出特性

可以得出初步結論，A、B狀態發電機電流輸出響應性不同，A狀態發電機響應性顯著高于B狀態發電機。但是發動機輸出功率是否與發電機響應性匹配，是否因發動機輸出功率對發電機輸出功率變化響應性差，引起發動機轉速波動，有待進一步論證。論證過程如下：

圖9　A狀態發電機工作過程

圖10　B狀態發電機工作過程

1）電子風扇開啟過程，發電機輸出功率分析

在不考慮發動機摩擦功的情況下，根據電功率計算公式P=U×I，計算發電機輸出電功率變化。計算結果如圖11所示。降以增加驅動扭矩。當發動機降轉速至700 r/min后，經計算發動機輸出扭矩為14.21 N·m，可滿足發電機需求扭矩。此時發動機轉速嚴重偏離目標怠速值，發動機電控系統較大幅度調整發動機輸出扭矩，盡快達到怠速目標值，所以發動機出現轉速波動現象。

B狀態，在風扇開啟后0.036 s時，發電機輸出電流沒有變化，即發電機沒有需求增加扭矩。而發動機輸出儲備扭矩增加至7.82 N·m，可以滿足發電機扭矩3.60 N·m需求。當風扇開啟0.66 s時，發電機達到最大發電量，所需扭矩為6.45 N·m，而發動機輸出扭矩為8.64 N·m，同樣滿足發電機的扭矩需求，所以發動機轉速沒有出現波動現象。

圖11　風扇工作過程發電機輸出電功率變化

圖12　A狀態發電機需求扭矩與發動機輸出扭矩

結果表明：

A、B狀態發電機在電子風扇開啟前與工作穩定時輸出電功率接近。但是A狀態發電機響應負載迅速，在0.036 s時就可達到最大輸出功率1 129 W；B狀態發電機輸出電功率非常平緩，在0.036 s時，輸出功率與風扇開啟前幾乎一致，約為310 W，到0.66 s時，B狀態發電機才響應負載達到最大輸出功率934 W。

2）發動機輸出扭矩與發電機需求扭矩分析

A、B狀態發電機響應性是最大可疑點，需進一步分析發動機輸出扭矩是否與發電機需求扭矩響應性相匹配，以確認是否因發動機輸出扭矩對發電機扭矩需求響應性差引起發動機轉速波動。利用發動機功率計算公式P=T×n/9 550［3］，把A、B狀態發電機輸出電功率轉化成需求扭矩，與發動機輸出扭矩對比，分析其之間的關系。

根據A、B狀態發電機在電子風扇開啟過程中需求扭矩響應性不同，在ECU數據流中分析出與之相應的輸出扭矩值。在風扇啟動前，發動機運轉平穩，其輸出扭矩與動力總成運轉消耗的扭矩和發電機消耗的扭矩平衡，可視為無扭矩儲備。電子風扇啟動過程中發電機輸出電功率逐漸增加到額定值，發動機電控控制策略是在電子風扇啟動信號發出后，發動機電控系統立即發出提高輸出扭矩信號，初步儲備一定的扭矩，后隨著發電機電功率輸出的變化，電控系統相應調整扭矩輸出，使發動機運轉平穩。

發動機輸出扭矩分析：

A狀態，在風扇開啟后0.036 s時，發動機輸出儲備扭矩為9.96 N·m，不能滿足發電機需求扭矩13.48 N·m的要求，如圖12所示。所以發動機轉速下

圖13　B狀態發電機需求扭矩與發動機輸出扭矩

3　方案制定及驗證

A狀態在電子風扇開啟瞬間引起發動機轉速波動的原因已查明，為發電機輸出功率響應性較快，需要消耗較多的儲備扭矩，而發動機輸出的扭矩儲備不足所至。解決方案為：根據怠速工況風扇開啟瞬間發電機扭矩需求情況，標定發動機輸出儲備扭矩，減小對發動機轉速的沖擊。如圖14所示。調整發動機風扇開啟時儲備扭矩，整車驗證發動機在怠速運行時，當水溫達到規定值，一級風扇開啟瞬間，發動機轉速由800 r/min逐漸降至790 r/min，轉速波動在目標怠速范圍內，車身未出現明顯抖動，主觀評價可接受，達到預期目的。如圖15所示。

圖14　A狀態調整后扭矩輸出

圖15　A狀態調整后ECU數據流

4　結論

1）A狀態在電子風扇開啟瞬間引起發動機轉速波動的原因為：發電機輸出電功率對整車電路負載變化響應較快，需要消耗更多的發動機儲備扭矩。雖然發動機實際輸出扭矩與目標輸出扭矩跟隨性較好，但發動機輸出儲備扭矩不足，不能滿足發電機因電子風扇啟動瞬間的扭矩需求，致使發動機以降低轉速來增加輸出扭矩，此時發動機轉速嚴重偏離目標怠速值，發動機電控系統調整發動機輸出扭矩，所以發動機出現轉速波動現象，影響整車的舒適性。

2）發電機開發時不但要考慮電量平衡滿足整車使用要求，還需要考慮到發電機對整車負載響應性與發動機儲備扭矩的匹配。

1藍浩倫，李飛，喬鑫，等.某小型SUV駕駛人地板抖動問題的研究與優化［C］//中國汽車工程學會.2015中國汽車工程學會年會論文集（Volume3）.北京：機械工業出版社，2015：865-867

2鮑曉東.汽車發動機怠速不穩的原因與診斷研究［J］.汽車零部件，2009（5）：54-57

3周龍保.內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1999

Analysis and Solution of the Engine Idle Speed Irregularity of an SUV at the Time of the Electronic Fan Start

Chen Yanru1，2，Li Yang1，2，Li Hui1，2，Yang Zhenjie1，2，Wang Xuesong1，2
1-R&D Center，Great Wall Motor Company（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automotive Engineering Technical Center of Hebei Province

A certain SUV models at the engine idle speed，when the electronic fan switched on，the engine speed will drop to700rpm from 800 rpm suddenly，afterwards the speed climbs to 850rpm quickly，and then return to the normal idle speed gradually.The engine speed irregularity will cause the body jitter obviously，which affects the ride comfort of the vehicle.Through analysis of the output power change of the generator in the process of the electronic fan switched on，it's confirmed that the mechanism of the problem is that the response time of the generator to the vehicle load mismatched with the engine store torque.Through adjusting the response time of the engine store torque to satisfy the demand torque of the generator，the engine speed will change smoothly at the time of the electronic fan start，thus the ride comfort of the vehicle is improved.

Electronic fan，The time of E-fan start，Speed irregularity，Response time of the generator，Store torque

U464.138+.4

A

2095-8234（2016）03-0088-06

陳彥如（1980-），男，工程師，主要研究方向為發動機NVH開發。

2016-03-19）