基于燃烧分析与角度域分析的发动机敲击异响排查

摘 要：文章基于西门子 LMS测试设备和软件，通过对某自主品牌四缸发动机“哒哒声”敲击异响的时域/频域信号分析确定异响响应频段，以此响应频段为参考基础进一步通过发动机倒拖测试以及发动机燃烧分析、角度域分析确认异响与发动机点火角相关，并进行针对性的验证，调整点火角消除该异响。

关键词：异响 响应频段 角度域分析 燃烧分析 点火角

发动机异响是由某些不正常激励引起的噪声，是影响整车驾驶舒适性的重要因素。如何识别和消除发动机异响是发动机开发过程中需要解决的主要问题之一。由于发动机结构复杂，包含的零件较多，发动机异响产生的原因也较为复杂。发动机异响夹杂在其他正常的工作噪声中，以往没有专业的NVH测试工具条件下，只能通过人的主观感受、换件验证等方式进行排查，缺少针对性且时间、成本耗费较高，难以满足目前的项目开发节点和售后市场快速响应要求。

借助专业的NVH测试设备可以快速识别异响源，并且能够对相应的改进措施进行量化的分析对比。异响响应信号往往具有随机性，在时域上表现为相对明显的脉冲信号，频域上往往具有更高的声压幅值，这是初步识别异响的主要判断依据。一般情况下，再结合异响时刻各个位置（振动传感器布置）振动响应、异响的阶次等方法就能快速地对异响进行排查。而对于一些成因比较复杂发动机异响，则需要进一步结合发动机的燃烧分析、角度域分析等方法，才能够准确地对异响原因进行识别和分析。

1 发动机异响问题

某自主品牌2.0L四缸发动机在转速1000-2500r/min条件下，存在连续的“哒哒”声敲击异响，将该发动机（连测功机）安装到NVH台架上，采用西门子 LMS测试设备进行数据采集分析。根据异响的大概位置，布置噪声测点2个，位置为发动机前端、后端近场位置；振动测点6个，位置为：发动机缸体4个、缸盖和前罩壳各1个（如图1）。同时采集缸压火花塞点火脉冲信号以及曲轴位置传感器信号。

2 异响排查与分析

2.1 信号的采集

发动机转速从0到3000r/min（覆盖异响转速区间）全油门加速，采集发动机噪声信号（采集频带范围设定在0-10000Hz，覆盖发动机主要的噪声频段）、振动信号、缸压信号、点火信号、曲轴位置信号。

2.2 数据处理

根据采集的噪声信号处理得到彩图（图2，横坐标为频率，左纵坐标为时间，右纵坐标为声压级），通过采集的音频回放截取某一异响明显时刻（2.05秒时刻，转速1100rpm，扭矩105Nm），由图像可知，800-2400Hz频带声压有明显峰值。初步判断为该异响的响应频段。对噪声信号进行滤波（图3），保留800Hz-2400Hz（横坐标为时间，纵坐标为声压），能够明显看出异响表现（尖锐毛刺）。

2.3 倒拖发动机测试

用测功机倒拖发动机，转速从0到3000r/min未出现异响，主要表现为齿轮传动副阶次的噪声。

2.4 结合发动机燃烧分析

通过将采集到的异响时间段发动机缸压信号、发动机噪声信号以时间为横坐标进行同步采集分析，发现该异响（噪声信号保留800-2400Hz进行滤波）与缸压峰值存在关联性（异响时刻刚好处于发动机某一缸的缸压峰值时刻）。发动机点火顺序为：1-3-4-2，当某一缸的缸压达到峰值后，敲击异响脉冲随后出现（图5）。结合发动机倒拖测试结果，判断该异响为燃烧异响。

2.5 发动机角度域分析

取其中与某个缸压峰值（例：1缸）关联的异响点，结合火花塞点火脉冲信号、曲轴位置信号、缸体振动信号与噪声信号进行同步分析（图6）。根据曲轴位置传感器信号可判断活塞运行位置：该发动机曲位信号轮共36齿缺2齿，每齿角度为10°，缺齿后第12齿下行处为1#缸活塞处于上止点。缸压火花塞在活塞到达上止点前0.5齿发出点火脉冲信号（即该工况点火提前角为5°）。随后1缸缸体振动响应出现明显峰值，紧接着出现敲击异响。据此可判断该发动机异响与点火角偏大有关。点火角偏大（点火时间越提前），发动机爆震倾向越大，容易产生敲击异响。

3 措施以及验证

3.1 措施验证

考虑将点火提前角推后验证是否能消除该敲击异响。由于该发动机处于量产状态，点火角调整会影响发动机动力性和油耗，因此调整范围不宜过大，初步验证点火角推后0～4°效果。在该发动机台架上调整点火角，按照点火角推后0°（原点火角）、2°、3°和4°分别验证。首先按照2.1步骤分别采集每一组点火角数据噪声信号，从噪声彩图（图7）对比可以看出，随着点火角推后敲击异响的响应特征（条状波纹）明显减少。进一步对每一组彩图数据进行滤波处理，保留800Hz-2400Hz（图8）。可以明显看到，异响表现（尖锐毛刺）随着点火角推后明显减少。点火角推后2°后，声压级降低83.9-77.3=6.6dB，结合现场主观感受，异响明显减弱。点火角减小4°后，声压级降低83.9-76.7=7.2dB，异响消失。

3.2 改进方案

综上分析，通过将点火提前角推后可以明显改善直至消除该敲击异响。结合发动机油耗和动力性表现，根据试验数据：点火角推后4°以上对发动机的动力性、油耗影响较大。而点火角推后3°后，该异响已基本消失（个别工况轻微异响已被发动机和整车正常工作噪声掩盖），且能同时兼顾动力性、油耗。综合考虑，将发动机异响工况点火角推后3°-4°。

4 结语

本文首先通过发动机异响噪声彩图以及滤波处理分析得到异响的响应频段，后续的分析以及对比都是以此异响频段作为基础。结合发动机倒拖测试结果以及发动机缸压和异响响应时刻的联系，对异响原因进行初步识别（与发动机燃烧相关）。进一步通过发动机角度域分析以及后续的措施验证锁定异响的根本原因（与点火角相关）。最后进行针对性地改进解决该发动机异响问题。

参考文献：

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