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整车怠速间歇性抖动评价方法及控制
2021-11-27 19:34:59· 来源：汽车NVH云讲堂
【摘要】怠速间歇性抖动与常规怠速振动不同在于怠速间歇性抖动是非稳态量，不适宜用分析稳态数据的FFT或者计算OA法，所以需要引入新的计算方法。本文主要介绍怠
【摘要】怠速间歇性抖动与常规怠速振动不同在于怠速间歇性抖动是非稳态量，不适宜用分析稳态数据的FFT或者计算OA法，所以需要引入新的计算方法。本文主要介绍怠速间歇性抖动评价指标（Bobble Index 简称 BI）的计算方法以及该指标与主观评分的相关性。同时，本文介绍了两个怠速间歇性抖动的案例及其相应的控制方法。一种是由燃烧稳定性控制不良导致的怠速间歇性抖动，另一种是由碳罐电磁阀工作频率不合理导致的怠速间歇性抖动。
【关键词】怠速，间歇性抖动，燃烧稳定性，碳罐电磁阀，工作频率
1 前言
怠速间歇性抖动是指车辆怠速状态下出现不规则的振动[1]，让乘客感觉发动机工作不稳定或者随时有熄火的风险。通常负荷越小出现怠速间歇性抖动的可能性越大。而怠速振动是时域上持续稳定的振动。数据上，如图 1 中标框区域所示，怠速间歇性抖动主要表现为：出现间歇性异常振动频率，且低于发动机点火频率（22Hz~25Hz为点火频率）。
目前国内对怠速间歇性抖动的研究较少，缺少统一的评价指标，无法准确的量化其数值的大小。怠速间歇性抖动是非稳态量，振动数值大小随时间变化，因此不宜用FFT或者OA等分析方法来处理数据，所以本文引入BI作为衡量指标。例如，某款车在两种工况下怠速间歇性抖动差异明显，工况一存在明显怠速间歇性抖动，主观评分5.5分，工况二怠速间歇性抖动很小，主观感受6.8分，可以接受。分析计算两种工况OA值，BI值，以及频谱。如图2-a BI值能很好的反映出主观感受，如图2-bOA值相差很小，很难作为评判依据，如图2-c频谱有所差异，但是很难具体量化间歇性抖动的大小。
再例如，有两辆存在怠速间歇性抖动车辆，主观评分均为 5.5 分，如图3所示，为车辆的座椅导轨振动频谱分析图。BI 值计算结果基本相当，但是频谱上出现峰值的频率不同，同一频率幅值也有较大差异，所以很难作为量化怠速间歇性抖动的指标评价。
综上所述，怠速间歇性抖动与怠速振动存在差异，建议使用更适合的评价指标BI作为客观评判指标。
2 评价指标及计算方法
通常用标准差（Standard Deviation简称STD）作为指标来评估某一变量的波动量大小，所以引入STD的方法来衡量怠速间歇性抖动大小。
由于发动机点火频率大于间歇性抖动频率且能量较大，因此计算间歇性抖动的上限频率应低于点火频率。为了防止数据处理时点火频率能量泄露，通常计算频率上限（用λ表示）低于发动机点火频率2Hz较为合理。另一方面一方面数值计算时会引入低频误差，并且怠速间歇性抖动频率通常大于5Hz，所以计算频率下限大于等于5Hz[2]。
通过大量数据分析可知间歇性抖动的位移量与主观评分相关性更高，所以振动传感器测量结果以位移的形式输出。
综上所述，BI计算方法是：1）计算振动信号每个方向的5到λHz频率切片随时间的变化量，如图4所示；2）计算得到时域数据的STD值；3）将三个方向STD值合成RSS值作为怠速间歇性抖动的评价指标BI。
3 主、客观数据相关性分析
怠速间歇性抖动判定标准还是消费者的主观评分为最终依据，所以BI值与主观评分的相关性必须满足工程要求。表1是几种工况下 BI值与主观评分的统计结果。其中每个主观评分是都通过多人多次评估后的平均值得出。
如图5，对主、客观数据做相关性分析可知相关性系数R2=0.7944，满足工程要求。可认为 BI 能够作为怠速间歇性抖动的工程指标。
用该方法计算部分竞品车及在研车型整改前后各工况下的BI值，如图6所示，验证了BI值与主观评价的一致性。
4 怠速间歇性抖动控制案例
怠速时发动机是整车的主要激励源，怠速间歇性抖动基本上是由发动机工作不稳造成。目前已知原因有：1）燃烧稳定性控制不良[3]；2）碳罐电磁阀工作频率不合理导致的燃油浓度出现较大波动。
4.1 燃烧不稳定导致的怠速间歇性抖动
某款在研车型搭载三缸发动机，存在怠速间歇性抖动问题，主观评价较差。采集了三组怠速工况下发动机缸压样本量，分析判定原因是怠速时燃烧稳定性较差。燃烧数据上主要表现为燃烧缸压样本的燃烧指标STD_IMEP偏大，LNV_IMEP偏小[4]，如图7-a，7-b所示。进一步分析发现原因在于喷油压力不合理以及喷油时刻匹配不良。针对该问题的主要解决措施是：a) 降低喷油压力；b）为了保证喷油量恒定，增加喷油脉宽；c）提前喷油相位SOI，提高雾化质量。对燃烧稳定性改善效果[5]如图8-a，8-b所示，燃烧稳定性指标STD_IMEP降低，小于0.1bar，LNV_IMEP显著提高，大于75%。主观感受整车怠速间歇性抖动消失，BI值变化如图 9。
4.2 碳罐电磁阀导致的怠速间歇性抖动
碳罐系统主要作用是将油箱蒸发的油气抽入发动机内重新燃烧，避免排入大气污染环境，碳罐电磁阀作为两个系统的阀门，当两侧压差达到一定值时会以某一频率周期开起工作。
如果碳罐电磁阀开起频率不合理会导致进气系统燃油浓度出现较大波动。最终导致整车出现怠速间歇性抖动。相应的解决方案是在满足功能要求的情况下调节碳罐电磁阀工作频率找到最佳工作频率。
例如，另一在研车型由于碳罐电磁阀工作频率不合理（碳罐电磁阀初始工作频率A）导致怠速间歇性抖动。运用上述方案，在满足功能的情况下调节碳罐电磁阀工作频率，如图10所示，在不同碳罐电磁阀工作频率下，整车BI值差异较大。经过验证后锁定了碳罐电磁阀工作频率 B，解决了该车型怠速间歇性抖动问题。
5 结论
1）怠速间歇性抖动评价指标BI值计算方法：计算单方向相关频率切片RMS值随时间变化量的STD值，并将三个方向合成RSS值作为最终的BI指标。该客观数值与主观评分相关性满足工程要求。
2）发动机的燃烧稳定性会影响怠速间歇性抖动，一般要求控制发动机燃烧参数STD_IMEP小于0.1bar，LNV_IMEP大于75%。
3）碳罐电磁阀工作频率设置不合理会导致燃油供给出现较大的波动，所以针对具体车型需要设定与之相匹配的碳罐电磁阀工作频率以避免怠速间歇性抖动。
4）在后续的研究中可以深入的探讨碳罐电磁阀工作频率与油气浓度以及燃烧性能的详细关系。
作者：李传海，高攀，王健，滕晓雷，周昌水，樊廷祥，张玉良，吴盛强
作者单位：吉利汽车研究院（宁波）有限公司 宁波315336
来源：2019汽车NVH控制技术国际研讨会论文集
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