極寒工況下燃油車低溫冷機怠速異常抖動優化

摘要：傳統燃油汽車在-20 ℃以下極端異常寒冷工況下運行工作，將產生明顯的冷機怠速現象。為此，對燃油車輛轉速波動、發動機振動特性及內部燃燒相關參數進行模擬測試，通過詳細對比發動機噴油量、進氣壓力和點火提前角等實驗參數，基于角度域、頻譜和時域分析汽車在怠速工況下的異常抖動原因。經排查，因燃油車發動機內部點火提前角、噴油量與實際進氣壓力控制穩定性不佳，易引起瞬態轉速波動，導致發動機右懸置膠料低溫結晶，使懸置隔振剛度性能下降惡化，引起車內間歇性一階異常抖動。因此建議對懸置膠料配方優化，并使用順丁膠提高發動機右懸置膠料結晶溫度，來解決冷機怠速抖動問題。

關鍵詞：極端寒冷工況；燃油車；低溫冷機；怠速異常抖動；優化措施

中圖分類號：U472.9 ?收稿日期：2023-02-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.026

1 極寒工況下燃油車低溫冷機怠速異常抖動機理

汽車主要動力來源是發動機，是極端寒冷工況下燃油車低溫冷機怠速異常抖動產生的主要根源[1]。因此，對于市面上常見傳統燃油汽車，在分析低溫冷機怠速異常抖動機理時，應從源頭、抖動傳遞路徑及響應點三個方面進行分析。

a.從抖動源頭分析。一般情況下，若傳統燃油汽車發動機剛體模態被激發，發動機旋轉件缺乏良好動平衡性，且當燃油車燃燒異常時，都會引起燃油車發動機在極端寒冷工況下異常抖動[2]。

b.從抖動傳遞路徑分析。①如果部分器件存在異常抖動，則傳統燃油汽車發動機異常抖動會迅速通過剛體模態、發動機旋轉件等結構路徑向整車傳遞，從而快速引起傳統燃油汽車整車發動機異常抖動。②如果汽車在路況不佳路面行駛，勢必會引起汽車輪胎胎皮力傳遞率大增，同時若汽車輪胎總成端面跳動或動平衡性較差，也會使汽車動力源，即源頭振動激勵大增，由此會使傳統燃油汽車整車發動機異常抖動增大[3]。

c.從抖動最終響應點分析。如果傳統燃油汽車制動管路、燃油管路或空調管路固定管夾隔振性差，且動力總成前后懸架系統隔振性能不足、襯套隔振差等，均會引起傳統燃油車整車抖動大增。如果汽車所處外界環境為高寒或者極端高溫環境，汽車整車隔振元件剛度會受高寒、高溫環境影響，尤其傳統燃油汽車慣用隔振元件為橡膠類材料，所以汽車隔振性在寒冷冬天會有顯著變化波動，且會隨橡膠硬度變化而變化；此外，若傳統燃油車車身接附點動剛度不高，車身附件模態頻率耦合或模態響應大，都會引起整車振動響應點共振，進而導致燃油車低溫冷機怠速異常抖動[4]。

2 試驗測試分析與問題解決方案

2.1 燃油車低溫冷機怠速異常抖動特征

首先，測試分析燃油車整車怠速振動特征，如圖1所示，通過對燃油車車內座椅導軌處振動情況進行振動加速度傳感器測試分析，其中車內振動水平用汽車座椅上振動情況來表示，這種振動可被人體直接感受到。另外，汽車發動機整體燃燒性能都可通過發動機輸出轉速來反映。因此，在試驗分析整車怠速振動特征時，需通過對汽車發動機曲軸瞬時轉速進行測試來準確判斷燃油汽車發動機是否屬于穩定燃燒工況。

如圖1所示，在試驗測試時，為了對燃油汽車正常怠速工況進行測試，需要做好以下工作：a.需對車輛整車熱車，并進行數據監測，當汽車發動機水溫保持在90 ℃以上即可。b.需對車輛冷卻風扇實際狀態進行檢查，確保汽車冷卻風扇被關閉，以便將汽車冷卻風扇振動所引起的整車怠速振動排除。c.采用專業數據采集軟件和采集系統來測試汽車整車怠速振動情況，同時采集汽車在極端寒冷工況下的怠速振動信號。為了能夠更加準確地反映試驗測試結果，本研究將整車測試時間長度控制在30 min內，在試驗過程中，由專業測試人員在車內客觀采集整車在某一段時間內的怠速穩態振動水平，并對數據采集結果進行主觀評價與分析。

在試驗測試過程中，測試人員在不同時間段主觀能夠感受到車內低頻振動波動時而明顯，時而存在較大差別，這種振動波動幅度隨測試時間延長逐漸增大。為了測試傳統燃油汽車低頻間歇性抖動情況，本研究依次針對汽車座椅內不同時間段的抖動數據進行頻譜分析，如圖2所示，測試發現，被測燃油車輛在不同時間段內怠速轉速為650 r/min，此時汽車發動機1階振動波動轉動基頻為11.29 Hz，當被測車輛發生明顯抖動時，正常工況下1階振動幅值是異常工況下1階振動的1.6倍。由此判斷，被測車輛間歇性抖動主要由于車內乘客感受到的1階振動波動引起。

在上述試驗測試基礎上，繼續針對圖2所示的兩種不同工況，在抖動明顯和不明顯兩種情況下對汽車發動機曲軸瞬態轉速信號進行采集提取，通過頻譜分析車內抖動不明顯和抖動明顯時發動機轉速波動特征，發現車內出現明顯抖動時，傳統燃油汽車發動機會產生較大的1階轉速波動；相反，當車內抖動較小時，汽車發動機1階轉速波動就會大大減小，此時1階轉速波動是車內抖動明顯時的1/2。據此可以得知，燃油汽車間歇性抖動是由1階轉速波動引起的，因此在異常波動優化時，須提高汽車發動機燃燒穩定性，避免發動機轉速波動不穩引起整車間歇性抖動，從而改善車內乘客體驗和感受。

另外，本研究在測試分析汽車發動機轉速波動和整車振動時，通過試驗方式同步測試了燃油汽車發動機四缸點火信號和進氣壓力。與此同時，本研究結合發動機轉速波動CAN信號，分別對汽車發動機噴油、進氣、點火特征三個影響汽車發動機燃燒性能的進氣特性進行測試分析。

2.2 發動機進氣壓力和噴油量波動情況

基于前文研究試驗，在一定時間范圍內測試了車內1階振動不穩定時的發動機異常波動。通過提取汽車座椅在30 min內的一階實驗振動信號，然后與進氣壓力信號分析對比，得到如圖3所示關于汽車發動機的進氣壓力。

圖3測試結果顯示，車內座椅1階振動在30 min之內的測試數據與進氣壓力信號均存在較為明顯的異常波動情形，在這種試驗工況之下，汽車發動機車內1階振動幅值與發動機進氣壓力呈正比關系，當汽車發動機進氣壓力增大時，燃油車車內1階振動幅值也在逐漸增大。相反，當汽車發動機進氣壓力減小時，燃油車車內1階振動幅值也在逐漸減小。本研究通過提取分析汽車發動機進氣壓力的谷峰值數據，發現車內1階振動分別出現于30 min內的峰值和谷值的時刻，由此表明，燃油車車內1階間歇性抖動主要受汽車發動機進氣壓力波動的影響。

另外，汽車發動機進氣壓力的波動變化還會引起汽車發動機噴油量的波動與變化[5]。針對前文試驗結果數據，本研究又分別提取了車內抖動不明顯與明顯兩個不同試驗工況下的進氣壓力變化數據與噴油量數據，發現在20 s的測試時間里，發動機噴油量信號與整車CAN信號的變化與波動均存在較為明顯的抖動，且二者存在顯著的關聯性。如圖4所示，汽車發動機在發生不明顯抖動和明顯抖動時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%。由此充分說明，汽車發動機不穩定噴油控制，也會引起發動機及整車產生明顯波動。

2.3 發動機點火提前角波動分析

在汽車車輛工程理論中，發動機燃燒性能會受到點火提前角影響[6]，這一試驗參數是本研究試驗的重點所在，首先在試驗環節，本研究提取了同步采集的車內不明顯抖動和明顯抖動試驗數據，通過對汽車發動機四個缸的點火控制電壓信號進行角度域轉換，然后將點火控制電壓與曲軸信號盤的缺齒信號關聯，基于不同情況分析點火提前角波動特征。

在試驗測試時，首先提取四缸點火控制信號，然后根據每個零度原點的點火電壓與各缸之間的上止點角度，對點火提前角進行測試，如圖5所示，抖動明顯與不明顯兩個工況下的點火信號波動存在較大差異，二者在點火提前角發生明顯減小的情況下，點火時刻發生顯著延遲。這就表明，在抖動不明顯與抖動明顯這兩個時間段內，燃油汽車發動機存在明顯的點火控制差異。基于此，本研究又分別結合這兩種不同測試工況，統計了汽車發動機同一缸在20 s內的點火提前角。研究發現，在汽車發動機存在明顯異常抖動工況下，汽車發動機波動量和點火提前角明顯偏大，且逐漸變得分散。

3 結語

由試驗結果可知，當汽車發動機發生明顯異常抖動怠速時，傳統燃油車發動機四缸點火提前角波動方差更大，而波動均值更小，這一工況下實測數值是汽車發動機不發生明顯異常抖動怠速時的3.5倍。由此表明，汽車整車間歇性抖動怠速主要受發動機點火提前角控制不穩定因素影響，它對汽車整車實測結果的影響貢獻最大。基于上述試驗測試結果與結論，在優化解決極端寒冷工況下燃油車低溫冷機怠速異常抖動問題時，首先必須要有效改善懸置橡膠在高寒環境中的隔振性能，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，通過優化膠料成分，將原狀態和優化后的右懸置分別置于-25 ℃的極端寒冷環境下，經過連續72 h放置，然后在相同條件下進行懸置低溫動剛度比對，發現膠料優化后與優化前，右懸置動剛度分別為662.7 N/mm與1 243.3 N/mm，此時汽車座椅導軌主觀評價抖動振動為0.011 g，滿足整車抖動指標閾值控制要求，因此汽車發動機怠速抖動故障得以解決。

參考文獻：

[1]池振坤，石京杰，李楊，等.汽車發動機怠速抖動故障分析與排除[J].內燃機與配件，2021（21）：144-145.

[2]相龍洋，顧彥，黃亞.汽車怠速間歇性異常抖動研究[J].汽車實用技術，2019（8）：136-138.

[3]相龍洋，顧彥.汽車怠速異常抖動分析及診斷[J].汽車實用技術，2019（2）：172-174.

[4]楊陽.淺談長安悅翔1.5 L發動機怠速不穩、異常抖動[J].汽車實用技術，2018（7）：170-171.

[5]鄭偉娟，李元寶，趙偉.動力總成引起的轎車轉向盤異常振動問題的研究[C]//2010中國汽車工程學會年會論文集.中國汽車工程學會，2010：91-93.

[6]張偉，張培婷，肖建斌.常用橡膠的低溫性能研究[J].特種橡膠制品，2019，40（4）：27-29.

作者簡介：

高曉勇，男，1983年生，工程師，研究方向為汽車檢測與維修。