极寒工况下燃油车低温冷机怠速异常抖动优化

摘要：传统燃油汽车在-20 ℃以下极端异常寒冷工况下运行工作，将产生明显的冷机怠速现象。为此，对燃油车辆转速波动、发动机振动特性及内部燃烧相关参数进行模拟测试，通过详细对比发动机喷油量、进气压力和点火提前角等实验参数，基于角度域、频谱和时域分析汽车在怠速工况下的异常抖动原因。经排查，因燃油车发动机内部点火提前角、喷油量与实际进气压力控制稳定性不佳，易引起瞬态转速波动，导致发动机右悬置胶料低温结晶，使悬置隔振刚度性能下降恶化，引起车内间歇性一阶异常抖动。因此建议对悬置胶料配方优化，并使用顺丁胶提高发动机右悬置胶料结晶温度，来解决冷机怠速抖動问题。

关键词：极端寒冷工况；燃油车；低温冷机；怠速异常抖动；优化措施

中图分类号：U472.9  收稿日期：2023-02-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.026

1 极寒工况下燃油车低温冷机怠速异常抖动机理

汽车主要动力来源是发动机，是极端寒冷工况下燃油车低温冷机怠速异常抖动产生的主要根源[1]。因此，对于市面上常见传统燃油汽车，在分析低温冷机怠速异常抖动机理时，应从源头、抖动传递路径及响应点三个方面进行分析。

a.从抖动源头分析。一般情况下，若传统燃油汽车发动机刚体模态被激发，发动机旋转件缺乏良好动平衡性，且当燃油车燃烧异常时，都会引起燃油车发动机在极端寒冷工况下异常抖动[2]。

b.从抖动传递路径分析。①如果部分器件存在异常抖动，则传统燃油汽车发动机异常抖动会迅速通过刚体模态、发动机旋转件等结构路径向整车传递，从而快速引起传统燃油汽车整车发动机异常抖动。②如果汽车在路况不佳路面行驶，势必会引起汽车轮胎胎皮力传递率大增，同时若汽车轮胎总成端面跳动或动平衡性较差，也会使汽车动力源，即源头振动激励大增，由此会使传统燃油汽车整车发动机异常抖动增大[3]。

c.从抖动最终响应点分析。如果传统燃油汽车制动管路、燃油管路或空调管路固定管夹隔振性差，且动力总成前后悬架系统隔振性能不足、衬套隔振差等，均会引起传统燃油车整车抖动大增。如果汽车所处外界环境为高寒或者极端高温环境，汽车整车隔振元件刚度会受高寒、高温环境影响，尤其传统燃油汽车惯用隔振元件为橡胶类材料，所以汽车隔振性在寒冷冬天会有显著变化波动，且会随橡胶硬度变化而变化；此外，若传统燃油车车身接附点动刚度不高，车身附件模态频率耦合或模态响应大，都会引起整车振动响应点共振，进而导致燃油车低温冷机怠速异常抖动[4]。

2 试验测试分析与问题解决方案

2.1 燃油车低温冷机怠速异常抖动特征

首先，测试分析燃油车整车怠速振动特征，如图1所示，通过对燃油车车内座椅导轨处振动情况进行振动加速度传感器测试分析，其中车内振动水平用汽车座椅上振动情况来表示，这种振动可被人体直接感受到。另外，汽车发动机整体燃烧性能都可通过发动机输出转速来反映。因此，在试验分析整车怠速振动特征时，需通过对汽车发动机曲轴瞬时转速进行测试来准确判断燃油汽车发动机是否属于稳定燃烧工况。

如图1所示，在试验测试时，为了对燃油汽车正常怠速工况进行测试，需要做好以下工作：a.需对车辆整车热车，并进行数据监测，当汽车发动机水温保持在90 ℃以上即可。b.需对车辆冷却风扇实际状态进行检查，确保汽车冷却风扇被关闭，以便将汽车冷却风扇振动所引起的整车怠速振动排除。c.采用专业数据采集软件和采集系统来测试汽车整车怠速振动情况，同时采集汽车在极端寒冷工况下的怠速振动信号。为了能够更加准确地反映试验测试结果，本研究将整车测试时间长度控制在30 min内，在试验过程中，由专业测试人员在车内客观采集整车在某一段时间内的怠速稳态振动水平，并对数据采集结果进行主观评价与分析。

在试验测试过程中，测试人员在不同时间段主观能够感受到车内低频振动波动时而明显，时而存在较大差别，这种振动波动幅度随测试时间延长逐渐增大。为了测试传统燃油汽车低频间歇性抖动情况，本研究依次针对汽车座椅内不同时间段的抖动数据进行频谱分析，如图2所示，测试发现，被测燃油车辆在不同时间段内怠速转速为650 r/min，此时汽车发动机1阶振动波动转动基频为11.29 Hz，当被测车辆发生明显抖动时，正常工况下1阶振动幅值是异常工况下1阶振动的1.6倍。由此判断，被测车辆间歇性抖动主要由于车内乘客感受到的1阶振动波动引起。

在上述试验测试基础上，继续针对图2所示的两种不同工况，在抖动明显和不明显两种情况下对汽车发动机曲轴瞬态转速信号进行采集提取，通过频谱分析车内抖动不明显和抖动明显时发动机转速波动特征，发现车内出现明显抖动时，传统燃油汽车发动机会产生较大的1阶转速波动；相反，当车内抖动较小时，汽车发动机1阶转速波动就会大大减小，此时1阶转速波动是车内抖动明显时的1/2。据此可以得知，燃油汽车间歇性抖动是由1阶转速波动引起的，因此在异常波动优化时，须提高汽车发动机燃烧稳定性，避免发动机转速波动不稳引起整车间歇性抖动，从而改善车内乘客体验和感受。

另外，本研究在测试分析汽车发动机转速波动和整车振动时，通过试验方式同步测试了燃油汽车发动机四缸点火信号和进气压力。与此同时，本研究结合发动机转速波动CAN信号，分别对汽车发动机喷油、进气、点火特征三个影响汽车发动机燃烧性能的进气特性进行测试分析。

2.2 发动机进气压力和喷油量波动情况

基于前文研究试验，在一定时间范围内测试了车内1阶振动不稳定时的发动机异常波动。通过提取汽车座椅在30 min内的一阶实验振动信号，然后与进气压力信号分析对比，得到如图3所示关于汽车发动机的进气压力。

图3测试结果显示，车内座椅1阶振动在30 min之内的测试数据与进气压力信号均存在较为明显的异常波动情形，在这种试验工况之下，汽车发动机车内1阶振动幅值与发动机进气压力呈正比关系，当汽车发动机进气压力增大时，燃油车车内1阶振动幅值也在逐渐增大。相反，当汽车发动机进气压力减小时，燃油车车内1阶振动幅值也在逐渐减小。本研究通过提取分析汽车发动机进气压力的谷峰值数据，发现车内1阶振动分别出现于30 min内的峰值和谷值的时刻，由此表明，燃油车车内1阶间歇性抖动主要受汽车发动机进气压力波动的影响。

另外，汽车发动机进气压力的波动变化还会引起汽车发动机喷油量的波动与变化[5]。针对前文试验结果数据，本研究又分别提取了车内抖动不明显与明显两个不同试验工况下的进气压力变化数据与喷油量数据，发现在20 s的测试时间里，发动机喷油量信号与整车CAN信号的变化与波动均存在较为明显的抖动，且二者存在显著的关联性。如图4所示，汽车發动机在发生不明显抖动和明显抖动时的平均喷油量分别为0.61 L/h和0.66 L/h，相比而言，后者比前者增大约7.5%。由此充分说明，汽车发动机不稳定喷油控制，也会引起发动机及整车产生明显波动。

2.3 发动机点火提前角波动分析

在汽车车辆工程理论中，发动机燃烧性能会受到点火提前角影响[6]，这一试验参数是本研究试验的重点所在，首先在试验环节，本研究提取了同步采集的车内不明显抖动和明显抖动试验数据，通过对汽车发动机四个缸的点火控制电压信号进行角度域转换，然后将点火控制电压与曲轴信号盘的缺齿信号关联，基于不同情况分析点火提前角波动特征。

在试验测试时，首先提取四缸点火控制信号，然后根据每个零度原点的点火电压与各缸之间的上止点角度，对点火提前角进行测试，如图5所示，抖动明显与不明显两个工况下的点火信号波动存在较大差异，二者在点火提前角发生明显减小的情况下，点火时刻发生显著延迟。这就表明，在抖动不明显与抖动明显这两个时间段内，燃油汽车发动机存在明显的点火控制差异。基于此，本研究又分别结合这两种不同测试工况，统计了汽车发动机同一缸在20 s内的点火提前角。研究发现，在汽车发动机存在明显异常抖动工况下，汽车发动机波动量和点火提前角明显偏大，且逐渐变得分散。

3 结语

由试验结果可知，当汽车发动机发生明显异常抖动怠速时，传统燃油车发动机四缸点火提前角波动方差更大，而波动均值更小，这一工况下实测数值是汽车发动机不发生明显异常抖动怠速时的3.5倍。由此表明，汽车整车间歇性抖动怠速主要受发动机点火提前角控制不稳定因素影响，它对汽车整车实测结果的影响贡献最大。基于上述试验测试结果与结论，在优化解决极端寒冷工况下燃油车低温冷机怠速异常抖动问题时，首先必须要有效改善悬置橡胶在高寒环境中的隔振性能，建议使用耐低温性能好的顺丁胶替代原有的耐低温性能比较差的苯胶，通过优化胶料成分，将原状态和优化后的右悬置分别置于-25 ℃的极端寒冷环境下，经过连续72 h放置，然后在相同条件下进行悬置低温动刚度比对，发现胶料优化后与优化前，右悬置动刚度分别为662.7 N/mm与1 243.3 N/mm，此时汽车座椅导轨主观评价抖动振动为0.011 g，满足整车抖动指标阈值控制要求，因此汽车发动机怠速抖动故障得以解决。

参考文献：

[1]池振坤，石京杰，李杨，等.汽车发动机怠速抖动故障分析与排除[J].内燃机与配件，2021（21）：144-145.

[2]相龙洋，顾彦，黄亚.汽车怠速间歇性异常抖动研究[J].汽车实用技术，2019（8）：136-138.

[3]相龙洋，顾彦.汽车怠速异常抖动分析及诊断[J].汽车实用技术，2019（2）：172-174.

[4]杨阳.浅谈长安悦翔1.5 L发动机怠速不稳、异常抖动[J].汽车实用技术，2018（7）：170-171.

[5]郑伟娟，李元宝，赵伟.动力总成引起的轿车转向盘异常振动问题的研究[C]//2010中国汽车工程学会年会论文集.中国汽车工程学会，2010：91-93.

[6]张伟，张培婷，肖建斌.常用橡胶的低温性能研究[J].特种橡胶制品，2019，40（4）：27-29.

作者简介：

高晓勇，男，1983年生，工程师，研究方向为汽车检测与维修。