某款汽车怠速间歇性抖动问题的优化研究

陈连庭，滕建耐

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着汽车的普及，消费者对汽车NVH性能的要求越来越高。车辆原地怠速时的NVH性能是评价汽车NVH性能的重要指标，直接影响用户、市场对汽车品质的评价。汽车发动机是车辆发生抖动的主要来源，减小怠速车内抖动一是减小激励源的振动，二是切断和激励源的传递路径。

1 问题描述及分析

整车进行NVH试验时，在发动机热机怠速运转，车辆的空调、大灯等电器关闭，发动机无负载时，乘客在汽车座椅上感受到无规律的间歇性抖动。经过在实车座椅轨道布置传感器采集数据，截取其中基于整车怠速的120 s数据，可看出在120 s内大概出现了5次比较明显的异常抖动现象，如图1所示。

为了便于分析，定义车辆前后长度方向为X向，车辆左右宽度方向为Y向，车辆上下高度方向为Z向。结合实车测量数据和图2分析发现：

（1）车辆座椅产生的间隙性抖动频率范围为9～11 Hz，抖动最大时刻对应的中心频率为10Hz。

（2）间隙性抖动（10 Hz）的1阶幅值是发动机正常2阶振动（25 Hz）的2倍多；一般而言，汽车动力总成悬置系统主要隔绝2阶的振动成分，对1阶不进行隔绝，当1阶振幅明显高于2阶时，汽车乘员能明显感受到振动，该车辆所测量数据与主观感知一致。

图1 基于整车怠速的120s抖动数据

图2 数据采集图谱

2 原因排查

根据故障模式，初步怀疑原因有几点：悬置设计不合理、发动机旋转部件动平衡量过大、发动机怠速时燃烧不稳定。运用FTA质量分析工具，进行逐一排查。

2.1 动力总成悬置设计合理性排查

经过对车辆动力总成的前后左右四个悬置进行CAE模态分析，其设计方案模态满足设计目标要求；同时通过长时间悬置主被动测振动测试，确认四个悬置在怠速工况隔振性能良好，各方向隔振率均在20 dB以上，如图4所示；且悬置被动侧未出现较大幅度波动或隔振失效现象。

2.2 发动机旋转件动平衡量制造合格性排查

图4 动力总成四方向悬置隔振率测试结果

对使用相同曲轴、活塞连杆的发动机装配3个不同动平衡量的双质量飞轮（动平衡量分别为52.32 g·mm、32.6 g·mm、130.42 g·mm），搭载同一辆车辆对怠速无负载时驾驶员座椅导轨进行NVH测试，结果显示优化动平衡量可以改善间歇性抖动振幅，但无法消除间隙性抖动，如图5所示。

2.3 发动机怠速燃烧稳定性排查

选取6组比较典型的怠速燃烧开发数据，由图6和表1可以看出：本文研究的车辆对应发动机的IMEPH_COV、IMEPH_LNV、IMEPH_STD与相关竞品发动机的均值差值较大，应作为主要改善的方向来研究。

表1 怠速燃烧开发相关参数图表

IMEPH_COV=SIMEPH/MEAN（IMEPH）：平均指示缸内压力循环变动率

IMEPH_STD（SIMEPH）：标准方差

IMEPH_LNV：LNV=min（IMEPH）/mean（IMEPH）

根据FTA分析的相关要素逐项进行排查：

喷油时刻：调整喷油时刻，发动机怠速燃烧稳定性无明显变化。

表2 调整喷油时刻参数对比

空燃比：在车上与台架上同时测量空燃比数据，怠速时空燃比稳定在理论空燃比14.6，充气效率学习值CLINTM稳定在1±0.05范围内；空燃比及clintm满足控制要求。

VVT角度：怠速状态VVT角度为0，增加VVT开度为5、10度，燃烧状况没有改善。

图5 不同动平衡量测试结果

图6 怠速燃烧开发相关参数对比图

图7 空燃比测试图

表3 调整VVT角度参数对比

初始气门重叠角：减小发动机初始气门重叠角，怠速燃烧状态改善明显，并且重叠角减少的幅度越大，燃烧稳定性改善越明显。

表4 调整初始气门重叠角度参数对比

点火角：怠速点火角控制在2～8 deg的范围内波动，增加点火角，燃烧状态略有改善。

表5 调整怠速点火角参数对比

点火线圈充磁时间：增加点火线圈充磁时间，点火能量变大，怠速燃烧稳定性基本无变化，排除因点火能量不够导致燃烧不良的可能。

表6 调整点火线圈充磁时间参数对比

经过FTA逐项排查，最终锁定了发动机无负载怠速运转时燃烧不稳定是导致无规律间隙性抖动的主要原因，而气门重叠角设置、点火提前角设置为影响怠速燃烧稳定性的重要因素。

3 优化方案及验证

根据悬置设计、发动机旋转件动平衡量、发动机台架标定数据调整验证数据对比，确定优化气门重叠角设置、点火提前角设置为改善发动机怠速工况下燃烧稳定性的主要措施。气门重叠角分别为-5、-10、-15、-20、-25、-30，点火角分别为+3、+5；分别两两组合进行验证，在整车上发动机怠速无负载运转时3个关键燃烧参数对比结果如表7所示。

根据表7所示，相对原状态发动机怠速气门初始重叠角减小20°、点火角增加3°时，发动机怠速燃烧稳定性最优。同时在车辆驾驶员座椅导轨布置传感器测量结果如图9所示，座椅导轨振动X向一阶振幅得到了极大的减小，同时二阶幅值基本没变化，从而使一阶幅值远远小于二阶幅值，座椅上乘员基本感受不到间歇性抖动的存在。

表7 优化措施验证结果

4 结语

通过发动机台架测试和实车试验验证，得出以下结论：

（1）发动机燃烧稳定性是整车NVH性能主要影响因素，当发动机怠速燃烧稳定性差时，会使车内乘员感受到无规律的间歇性抖动。

图9 座椅轨道振动X向测试对比

（2）发动机平均指示缸内压力相关的三个参数IMEPH_COV、IMEPH_STD、IMEPH_LNV是评价发动机燃烧稳定性的关键指标。

（3）三个参数，IMEPH_COV、IMEPH_STD 约小、IMEPH_LNV越大，发动机燃烧稳定性越好；当前在发动机行业内的参考值为：IMEPH_COV≤17.5、IMEPH_LNV≥75、IMEPH_STD≤0.1，接近参考值时，发动机怠速燃烧稳定性基本满足设计要求，车辆上乘员基本感受不到车辆的抖动。