三缸機點火抖動分析及控制

李斌 曹友強 周昌水

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司,寧波 315300）

主題詞：三缸機 點火抖動 發動機懸置 起動機

1 前言

為了遵守越來越嚴格的排放和油耗等法規要求，汽車制造商不斷致力于開發更高效、更環保的動力總成。與四缸發動機相比，三缸增壓發動機可以在不犧牲動力性的前提下提升經濟性與環保性，逐漸受到各主機廠的青睞，目前市面上搭載三缸機的車型逐漸增多；制約三缸機推廣的主要原因是顧客擔心三缸機車型的抖動問題大，特別是隨著顧客對車輛乘坐品質的要求越來越高，三缸機的NVH問題成為車型開發的重點。相對于傳統四缸發動機，起動點火（簡稱點火）階段三缸發動機的缸內爆發壓力較高，燃燒激勵較大，點火沖擊抖動成為車型開發過程中關注的重點，也成為乘客容易感知到的痛點。本文從三缸機車型點火抖動大的原因入手，探尋燃燒、懸置和起動機對點火抖動的影響，對三缸機車型點火抖動大的問題提出改善方向。

2 三缸機點火抖動機理分析

點火過程是化學能和機械能的轉換過程，為更好的理解點火過程，圖1描述了點火過程中某三缸發動機的轉速和缸壓曲線。①區域為起動機拖動階段，該階段并未燃燒，發動機在起動機的拖動下壓縮缸內氣體。具體動作為：閉合鑰匙開關后，起動機的吸合線圈和保持線圈中有電流通過，在電磁力的作用下鐵芯運動，通過撥叉使起動機的小齒輪向外移動和飛輪嚙合，然后起動機旋轉，帶動飛輪旋轉。在ECU的控制下，發動機開始噴油點火，進入②區域，即燃燒階段，在缸內燃燒壓力的作用下克服動力總成的阻力，發動機轉速上升，隨后進入怠速暖機階段，燃燒階段轉速曲線的每一個峰值即對應發動機的一個缸內噴油點火。定義圖1中A點為起動機的拖動轉速，拖動轉速的高低反映了起動機點火能力的大小。起動機的退齒也是由ECU控制，ECU判斷發出退齒信號后，起動機的吸合線圈和保持線圈通過相反方向的電流，作用在鐵芯上的電磁場相互抵消，回位彈簧將鐵芯推回至原位，起動機停止工作[1,2]。

圖1 點火過程中某三缸機的轉速和缸壓曲線

分析點火過程可以看出，點火過程中的沖擊抖動主要有以下來源：

（1）起動機拖動發動機時，起動機齒輪和發動機飛輪嚙合產生的沖擊；

（2）起動機退齒時產生的沖擊；

（3）發動機燃燒階段所爆發出的高缸壓產生的沖擊。

由圖1可知，點火階段的最高缸壓約為怠速時缸壓的10倍左右。工程經驗表明，相對于四缸發動機，點火階段三缸發動機的缸內爆發壓力較高，燃燒激勵較大，更容易被乘客感知到點火沖擊。從振動傳遞過程來看，動力總成通過懸置安裝到車體上，懸置是有彈性的，激勵力或者力矩通過懸置傳遞給車體，使得車體受力而發生振動，振動大時被客戶感知而引起抱怨。因此，三缸機點火抖動是一個系統性問題，需要從發動機燃燒激勵、起動機能力和懸置匹配等方面綜合考慮[3,4]。

3 點火抖動的評價標準

點火抖動屬于車身對發動機沖擊信號的振動響應。沖擊信號屬于瞬態信號，不適合用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform,FFT）進行分析，因為FFT處理時會涉及到一定長度的時域數據塊，存在時域數據塊的重疊和平均，這樣的處理方式可能歪曲或淹沒瞬態信號中的細節成分。若直接對時域沖擊信號的“峰-峰值”進行比較作為沖擊的評價，同樣存在弊端，因為“峰-峰值”與人體的主觀感受并不一致，且未考慮沖擊響應振蕩的持續時間。

振動劑量（Vibration Dose Value，VDV）為基于加速度4次方的評價方法，與其它評價方法相比，振動劑量對沖擊的峰值更加敏感，且充分考慮了沖擊響應振蕩持續時間的影響，適合對沖擊響應進行評價[5-8]。其公式為：

式中，a(t)為振動加速度時域信號，單位是m/s2；VDV的單位為m/s1.75。綜合三個方向的振動劑量用式(2)來表示。

4 案例分析

某車型搭載三缸渦輪增壓發動機和七速雙離合變速箱，匹配有雙質量飛輪，在開發階段點火抖動明顯，VDV值達到0.45 m/s1.75，而競品車的點火抖動VDV值為0.21m/s1.75左右，因此點火抖動問題引起客戶抱怨的風險較高，本文針對該車型點火抖動大的問題進行分析研究。

4.1 三缸發動機的點火激勵

發動機的激勵源主要為點火時氣缸內氣體壓力產生的激勵力（或力矩）、運動部件的往復慣性力（或力矩）及離心慣性力（或力矩），這些力或者力矩會激勵起動力總成的剛體模態，使動力總成產生整體振動，振動可能包括上下、前后、左右的跳動，以及繞三個軸的搖擺。對動力總成坐標系，定義X軸正方向平行于曲軸軸線，由發動機側指向變速箱側，Z軸豎直向上，Y軸滿足右手定則；對整車坐標系，定義車頭往車尾方向為X軸正方向，Z軸豎直向上，Y軸滿足右手定則。由于動力總成具有不同的布置方式，因此，動力總成的坐標系統可能與整車坐標系統不相同。動力總成6個剛體模態與對應的英文描述如表1所示。

表1 整車坐標系下動力總成剛體模態描述

如表2所示，由于結構形式的差異，三缸發動機和四缸發動機的激勵源不同。該三缸發動機匹配平衡軸，抵消了1階往復慣性力矩，激勵源為傾覆力矩及2階往復慣性力矩；傾覆力矩的作用方向為繞動力總成坐標系的X軸（曲軸方向）旋轉，往復慣性力矩的作用方向為繞動力總成坐標系的Y軸方向旋轉，如圖2所示。工程經驗表明，動力性相近的三缸機和四缸機，點火過程中三缸機的傾覆力矩比四缸機大約30%，如圖3所示，這對懸置匹配及三缸機點火抖動的解決帶來了很大挑戰。

表2 三缸發動機和四缸發動機的激勵對比

圖2 動力總成坐標系下三缸機的傾覆力矩(a)及往復慣性力矩(b)的作用方向

圖3 點火過程中四缸機(a)和三缸機(b)的傾覆力矩對比

4.2 懸置對點火抖動的影響

懸置匹配和發動機的激勵密切相關，如圖4所示，該三缸發動機的發火順序為1-3-2，點火過程中在缸內爆發壓力的作用下，克服發動機阻力，轉速震蕩上升，點火完成之后，發動機缸內爆發壓力趨于平穩，轉速波動也趨于平穩，轉速波動的間隔時間取決于缸內爆發壓力的間隔時間。三缸發動機每240°點火一次，相比于四缸發動機每180°點火一次，三缸發動機在點火過程中的轉速波動更大，且進入燃燒階段后，發動機轉速下降越多，轉速上升需要的缸內爆發壓力越大，點火沖擊越大。因此減小點火缸壓是降低點火抖動的有效措施，但考慮到排放和低溫啟動等因素，不建議對點火角等標定參數做大幅調整。

圖4 點火激勵頻率的判斷

怠速時發動機缸內燃燒與缸壓穩定，轉速波動平穩，是穩態的周期性激勵；而點火過程中缸內燃燒、缸壓和轉速波動性較大，且時間很短，是典型的非穩態激勵，合理的處理方法是對瞬態的點火過程做周期性近似處理，以得到點火激勵頻率，如表3和圖4所示，考慮點火過程中能量較大的爆發缸壓，對應轉速曲線中燃燒階段的前4個峰值，得到主要點火激勵頻率分別是11.6 Hz，19.2 Hz以及20.4 Hz，因此懸置應合理匹配以使動力總成的剛體模態避開這些點火激勵頻率。

表3 轉速峰值間隔時間與點火激勵頻率

該車型的動力總成采用3點懸置的布置方式，通過試驗測試，該動力總成系統的剛體模態見表4。由表3和表4可知，點火過程中第一個激勵頻率11.6 Hz和Bounce模態的11.8 Hz相吻合，第二個激勵頻率19.2 Hz和Roll模態的18.6 Hz相吻合，因此點火抖動很大。重新優化懸置后，變速箱懸置剛度調整為200 N/mm，發動機懸置剛度調整為200 N/mm，后懸置剛度調整為208 N/mm，動力總成的剛體模態，特別是Bounce和Pitch模態，均避開了點火激勵頻率1 Hz以上，因此顯著改善了點火抖動，VDV值降低到了0.32 m/s1.75。

4.3 起動機對點火抖動的影響

4.3.1 起動機功率、速比對點火抖動的影響

在起動點火過程中，起動機的小齒輪帶動發動機的飛輪工作，由能量守恒定律可知，

表4 動力總成剛體模態與點火抖動的關系

式中，Z1為起動機小齒輪的齒數；N1為起動機的轉速；Z2為發動機飛輪齒數；N2為發動機飛輪轉速。

在N1和Z2不變的情況下，增大Z1，即增大起動機小齒輪的齒數，可以提高發動機轉速，且仿真表明，起動機能力足夠強的情況下，在點火過程中雙質量飛輪將不會進入到二級彈簧區域，可避免雙質量飛輪的二級頻率被點火頻率激勵起來；同時，在發動機轉速上升的過程中，起動機把發動機轉速拉的越高，越有利于降低發動機的爆發缸壓，可間接降低點火激勵。

圖5 1.3 kW-12齒(a)、1.5 kW-8齒(b)及1.5 kW-12齒(c)起動機的點火過程對比

表5 不同起動機點火過程參數對比

如圖5和表5所示，1.5 kW-12齒起動機相對于1.3 kW-12齒起動機，起動機拖動轉速提升了62 r/min，第3個缸點火時的轉速提升了71 r/min，第3個缸點火時的時間縮短了0.1 s，座椅抖動提升了0.08 m/s1.75；相對于1.5 kW-8齒起動機，起動機拖動轉速提升了47 r/min，第3個缸點火時的轉速提升了85 r/min，第3個缸點火時的時間縮短了0.08 s，點火抖動改善了0.12 m/s1.75。因此，增大起動機的功率和小齒輪的齒數能夠提升發動機轉速，縮短起動點火時間，改善點火抖動。

4.3.2 搭載BSG電機的起動點火抖動特征

本文進一步研究了該車型搭載BSG（Belt-driven Starter Generator）電機的點火抖動特征，BSG是一項輕度混合動力技術，具有起動、助力及輔助停機等功能，可減少油耗，實現低碳排放。布置上在發動機前端用BSG電機與發動機連接，取代了原有的發電機，實現了混合動力一體化，由于對發動機原有結構改動小，因此容易實現產業化。如圖6和表6所示，相對1.5 kW傳統起動機，BSG電機起動的點火時間由0.64 s減小到0.45 s，第三個缸點火時的轉速由921 r/min提高到1 269 r/min，點火抖動由0.32 m/s1.75降低到了0.15 m/s1.75。工程經驗表明，相對于起動機，BSG電機起動能力更強，不噴油的情況下可將發動機拖到920 r/min，而一般起動機只能拖到420 r/min，起動機點火時的最高缸壓約4.5 MPa，而BSG在點火過程中所需最高缸壓僅約3.2 MPa，因此BSG車型在點火過程中，發動機靠爆發缸壓來拉升轉速所占的權重較低，所以顯著降低了點火激勵，極大的改善了點火抖動。

圖6 起動機點火(a)和BSG電機點火(b)的過程對比

表6 起動機點火和BSG電機點火參數對比

5 結論

本文從燃燒、懸置及起動機機3個方面分析了三缸機車型的點火抖動問題，三缸機點火過程中較高的爆發壓力是點火抖動大的激勵源，但出于安全性的考慮，點火缸壓無法明顯降低去解決點火抖動問題；在抖動機理上將點火的瞬態過程近似穩態處理去得到點火激勵頻率，在懸置匹配上使點火激勵頻率避開動力總成的剛體模態1 Hz以上；同時，大功率、高齒數起動機能夠縮短點火時間，在點火過程中將發動機轉速拖的更高，從而快速通過雙質量飛輪的共振區。通過優化懸置及起動機，將三缸機的點火抖動從0.45 m/s1.75降低到了0.2 m/s1.75，BSG車型的點火抖動可進一步改善25%，降低了客戶抱怨的風險，維護了產品的品牌形象。