某混动总成发动机加速粗糙声解析

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1.1 问题现象

某系列乘用车型，搭载了由1.5L涡轮增压发动机与双电机传动系统共同组成的前置前驱混合动力总成，在低车速行驶情况下的爬坡加速工况或者在平直路面的小节气门开度加速工况，车内都能够明显地感知到发动机舱传递出来具有调制感的粗糙声，类似于“Roughness Noise”或者“Growl Noise”，这严重地降低了加速工况的发动机声品质水平。车内前排驾驶员位置噪声和发动机缸体振动的测试结果对比，如图1所示。经过振动噪声测量信号的反复滤波监听回放，在加速过程车内感知到的发动机粗糙声与 260 ~ 340Hz 频率范围的噪声阶次群特征之间存在密切的关联性，听觉上的声音品质周期性变化，归属于发动机半阶次谐波对动力总成的中频载波振动噪声的深度幅值调制现象。虽然，车辆在加速过程发生了几次换档操作，但调制噪声现象特征基本保持一致，并且车内噪声与发动机缸体振动的时频阶次特征也基本相同。

图1 某混合动力总成的发动机粗糙声测试对比

该发动机是混合动力专属的米勒循环直列四缸汽油机，传动变速系统的内部集成布置了串并联构型的双电机三档系统，包括双排行星齿轮机构、双离合机构、双制动器机构和电机控制模块组件等，如图2所示。相较于“纯电模式”和“并联模式”的行驶工况而言，当动力电池处于较低的SOC（State of Charge）电量状态，或者车辆运行在强制保电的“串联模式”下时，车辆加速过程的发动机输出功率跟随着动力电池组负载功率需求的变化而变化，发动机转速上升过程的运行状态也处于高负荷工作区间，此时的发动机加速粗糙声问题会更加显著。

图2 双电机混合动力系统的架构示意图

1.2 解决思路

基于加速粗糙声问题现象的分析，工程化的解决措施方案可以分为“激励源控制”和“传递路径控制”两个方面。通常，混合动力专用发动机为了达到最优热效率、低排放和轻量化的综合性能要求，往往采用高压缩比和高膨胀比的燃烧循环模式，比如米勒循环和阿特金森循环。在这种混合动力燃烧循环模式下，平均有效压力（BMEP）、行程缸径比、压缩比、缸内最大压力值、缸内压力升高率等燃烧 NVH 性能指标，往往都要高于传统动力总成的发动机。尤其在混动发动机低转速状态的高负荷工况，燃烧过程的火焰传播速度会更快，滞燃期也更短，缸内的压力峰值时刻往往还会提前，压升率也更高，导致更大的发动机振动噪声的燃烧激励载荷，同时各缸的燃烧稳定均匀性也更差。

因此，加速粗糙声问题“源控制”方面的关键措施，是调整发动机在串联充电工况的运行工作模式，通过优化发动机的转速、输出转矩和充电功率等方式，改善发动机的燃烧 NVH 特性，减少发动机内部的半阶次激励载荷，提高各缸的发火均匀性。对于加速粗糙声的“传递路径控制”方面，主要是要降低曲轴飞轮转子系统的弯曲扭转振动响应特性，常见的可工程化方案包括在曲轴前端增加动态吸振器、减小曲轴的轴向窜动间隙、提高缸体轴承座的总体刚度、增加曲轴的刚度、提高曲轴主轴颈的油膜动态压力分布稳定性、减小飞轮惯量、采用柔性飞轮、驱动半轴增加动态吸振器、提高发动机悬置和进排气橡胶软垫的隔振能力等。

1.3 措施方案

虽然，路径传递控制方面的措施方案可以在一定程度上改善加速粗糙声问题，但涉及设计变更，及重量、成本和周期等因素的负面影响，并不能从根本上消除这个问题。因此，该系列车型重新优化了串联充电模式下的发动机标定参数，在不产生任何物理结构的变更，以及重量、成本的增加的前提下，平衡兼顾了发动机的燃油经济性和 NVH 性能，彻底解决了加速粗糙声问题，如图3所示。具体的措施方案是在低电量的车辆匀速行驶状态，将发动机的运行工况点沿着“等功率特性线”从 1800r/min 调整到 1600r/min，同时将低车速的发动机“定点发电策略”改变为发动机转速缓慢变化的“功率跟随策略”，并将点火角度参数进行了略微的退后调整。值得注意的是，汽油发动机的最佳点火提前角优化与发电机运行工况、燃烧室结构、混合气浓度、点火能量、燃料品质、混合气的温度和压力等因素有关，点火提前角的选定优化过程中要兼顾发动机的经济性、动力性、排放和防止爆燃等方面。