某SUV风扇开启瞬间发动机怠速波动的分析及解决

陈彦如　李　杨　李　辉　杨振杰　王雪松

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某SUV风扇开启瞬间发动机怠速波动的分析及解决

陈彦如1，2李杨1，2李辉1，2杨振杰1，2王雪松1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某SUV车型在发动机怠速工况，电子风扇开启瞬间，发动机转速由800 r/min突然掉至700 r/min，而后又快速爬升至850 r/min，再逐渐恢复正常怠速。转速波动引起车身明显抖动，严重影响整车的舒适性。通过分析发电机在风扇开启过程中输出功率的变化，确认此问题发生的机理是发电机对整车负载响应性与发动机储备扭矩不匹配。通过调整发动机储备扭矩，以满足发电机需求扭矩，使发动机在电子风扇开启瞬间转速平稳过渡，改善整车舒适性。

电子风扇开启瞬间转速波动发电机输出响应性储备扭矩

引言

随着汽车技术的进步，人们不但注重汽车的观赏性，而且对汽车乘坐的舒适性提出了更高的要求。汽车不再是一种代步工具，更是要享受驾驶的乐趣。所以汽车NVH性能受到顾客和汽车生产商的格外关注。NVH是指Noise（噪音）、Vibration（振动）、Harshness（粗糙度）的统称，而振动主要是顾客对方向盘、地板和座椅抖动的感受。发动机怠速转速较低，一般为800 r/min左右，且人们对于较低频率的振动非常敏感。低频振动会引起驾驶人和乘客的疲劳、晕车［1］，所以各大汽车厂商均提高了对怠速平稳性的关注度。

1　问题描述

某SUV车型是公司的主力车型，搭载1.5 L汽油增压发动机，冷却系统为电子风扇，装配了两个厂家的发电机。A厂发电机（以下简称A状态）是基于发电机NVH及电流输出性能而后期开发的。当装配A状态发电机时，电子风扇开启瞬间，车身出现明显抖动。具体的电子风扇启动过程为：发动机在怠速运行时，当水温达到规定值，电子风扇开启，发动机转速迅速由800 r/min降至700 r/min，而后发动机转速又快速爬升至850 r/min，再逐渐恢复正常怠速。车身出现明显抖动，严重影响整车的舒适性，主观评价不可接受，如图1所示。B厂发电机（以下简称B状态）为项目开发前期基于成本和周期要求而开发的发电机，在电子风扇开启瞬间，车身未出现明显抖动。具体的电子风扇启动过程为：在怠速运行时，当水温达到规定值，电子风扇开启，发动机转速由怠速800 r/ min逐渐升至820 r/min，而后发动机转速又逐渐恢复为800 r/min，车身未出现明显抖动，主观评价可接受，如图2所示。

图1　A状态发动机转速波动

图2　B状态发动机转速波动

2　问题排查分析

电子风扇开启过程，整车用电量增加，发电机提高输出电功率，满足整车用电量需求。因发电机输出电功率增加，使发动机输出功率相应增加。因A状态时发生发动机转速波动，B状态没有发生转速波动，两种状态发动机均完成整车电量平衡测试，满足发动机在怠速时单位时间内整车用电使用要求。排查分析方向应从电子风扇开启过程中，发电机输出电功率变化和发动机对发电机输出功率变化的响应方面进行。

电子风扇开启时，从以下两方面分析引起发动机转速波动的原因：1）当电子风扇开启瞬间，A状态发电机输出电功率不能满足整车用电需求，发动机电控系统因供电不足不能正常工作，引起发动机转速波动；2）发动机输出功率不满足风扇开启瞬间发电机的功率需求，发动机功率输出与发电机需求不匹配［2］。

2.1电子风扇开启时，发电机输出电功率分析

对同一台试验车分别换装A和B状态发电机，对比两状态发电机在怠速运行及电子风扇开启过程中输出的电功率大小，从实际确认A、B状态发电机对发动机电控系统的影响。

验证方法：

1）同一台试验车分别换装A和B状态发电机；2）检测发电机B+位置及蓄电池电极端电流、电压，计算输出功率；

3）怠速着车，当发动机水温达到95℃，触发电子风扇开启，测试上述测点的电流、电压；

4）试验过程中只有电子风扇及发动机在工作，关闭其它可关闭的用电设备，遵循单一变量原则；

5）测量3次取平均值，确定A、B状态发电机在风扇开启过程中电流、电压的变化。分析A、B状态发电机对发动机电控系统的影响。

验证结果：

1）A、B状态发电机B+位置及蓄电池电极端电流、电压测量数据如图3、图4、表1所示；对比A状态与B状态发电机在风扇开启瞬间放电量，A状态发电机瞬间冲击电流较大，需要更大的发动机扭矩输出才可满足。

2）根据电功率计算公式P=U×I，结合串、并联电路公式，计算出发电机在电子风扇工作前、启动瞬间、稳定工作时的输出电功率，如表2所示。结果表明，A状态发电机发电量在电子风扇启动过程中的

图3　A状态电流、电压变化

图4　B状态电流、电压变化

表1　A、B发电机测试数据

三个阶段均优于B状态发电机，可以提供给整车更多的电量，所以A状态发电机的输出电功率不会导致发动机电控系统供电不足，不是引起发动机怠速波动的原因。同时，装配A状态发电机时蓄电池充、放电量稳定，有利于延长蓄电池的使用寿命。

表2　A、B状态输出电功率对比W

2.2电子风扇开启过程发动机输出功率分析

通过对A、B状态发电机在电子风扇启动瞬间输出电功率分析，A状态优于B状态。但在电子风扇启动瞬间只有A状态会引起发动机转速的波动。电子风扇启动过程需求电量是变化的，必然会影响到发电机输出电功率的变化。而对于发动机，电控系统根据需求扭矩的变化，输出目标扭矩，电控系统调整发动机输出扭矩，满足整车动力系统和发电机的需求。

随后对电子风扇工作前、启动瞬间、工作稳定时发动机ECU数据流进行监控，对比A、B状态发电机对数据流的影响，如图5，图6所示。

发动机ECU数据流显示B状态时发动机实际输出扭矩与目标扭矩跟随性良好，无明显偏差，发动机转速无明显波动。而A状态时在发动机实际输出扭矩为最大值前，与目标扭矩跟随性良好，无明显偏差，但是发动机转速突然降至700 r/min，又快速爬升至850 r/min时，在发动机输出最大扭矩点后，因发动机转速严重超出怠速目标值，发动机电控系统调整输出扭矩，发动机实际输出扭矩出现较大幅度波动，且与目标扭矩跟随性不好。此时只有电子风扇有动作，可以确定是发电机输出电功率变化影响到发动机输出扭矩及转速的变化。关键点还是发电机输出电功率的变化，因此必须把2.1中电子风扇开启，发电机输出过程放大，分析电流、电压瞬时的变化情况。

2.3电子风扇开启过程发电机输出电流、电压分析

对比A、B状态发电机电流输出特性，结果为A、B状态发电机电流输出特性一致，无明显区别，如图7、8所示。发电机本身电流输出不是影响怠速波动的原因。

对电子风扇开启过程测试的发电机输出数据放大分析，A、B状态发电机输出电压一致；A状态发电机输出电流响应非常迅速，在0.036 s就达到最大电流81.4 A，如图9所示。B状态发电机输出电流非常平缓，在0.66 s才达到最大电流70.59 A，在0.036 s时电流几乎无变化，如图10所示。

图5　A状态ECU数据流

图6　B状态ECU数据流

图7　A状态发电机电流输出特性

图8　B状态发电机电流输出特性

可以得出初步结论，A、B状态发电机电流输出响应性不同，A状态发电机响应性显著高于B状态发电机。但是发动机输出功率是否与发电机响应性匹配，是否因发动机输出功率对发电机输出功率变化响应性差，引起发动机转速波动，有待进一步论证。论证过程如下：

图9　A状态发电机工作过程

图10　B状态发电机工作过程

1）电子风扇开启过程，发电机输出功率分析

在不考虑发动机摩擦功的情况下，根据电功率计算公式P=U×I，计算发电机输出电功率变化。计算结果如图11所示。降以增加驱动扭矩。当发动机降转速至700 r/min后，经计算发动机输出扭矩为14.21 N·m，可满足发电机需求扭矩。此时发动机转速严重偏离目标怠速值，发动机电控系统较大幅度调整发动机输出扭矩，尽快达到怠速目标值，所以发动机出现转速波动现象。

B状态，在风扇开启后0.036 s时，发电机输出电流没有变化，即发电机没有需求增加扭矩。而发动机输出储备扭矩增加至7.82 N·m，可以满足发电机扭矩3.60 N·m需求。当风扇开启0.66 s时，发电机达到最大发电量，所需扭矩为6.45 N·m，而发动机输出扭矩为8.64 N·m，同样满足发电机的扭矩需求，所以发动机转速没有出现波动现象。

图11　风扇工作过程发电机输出电功率变化

图12　A状态发电机需求扭矩与发动机输出扭矩

结果表明：

A、B状态发电机在电子风扇开启前与工作稳定时输出电功率接近。但是A状态发电机响应负载迅速，在0.036 s时就可达到最大输出功率1 129 W；B状态发电机输出电功率非常平缓，在0.036 s时，输出功率与风扇开启前几乎一致，约为310 W，到0.66 s时，B状态发电机才响应负载达到最大输出功率934 W。

2）发动机输出扭矩与发电机需求扭矩分析

A、B状态发电机响应性是最大可疑点，需进一步分析发动机输出扭矩是否与发电机需求扭矩响应性相匹配，以确认是否因发动机输出扭矩对发电机扭矩需求响应性差引起发动机转速波动。利用发动机功率计算公式P=T×n/9 550［3］，把A、B状态发电机输出电功率转化成需求扭矩，与发动机输出扭矩对比，分析其之间的关系。

根据A、B状态发电机在电子风扇开启过程中需求扭矩响应性不同，在ECU数据流中分析出与之相应的输出扭矩值。在风扇启动前，发动机运转平稳，其输出扭矩与动力总成运转消耗的扭矩和发电机消耗的扭矩平衡，可视为无扭矩储备。电子风扇启动过程中发电机输出电功率逐渐增加到额定值，发动机电控控制策略是在电子风扇启动信号发出后，发动机电控系统立即发出提高输出扭矩信号，初步储备一定的扭矩，后随着发电机电功率输出的变化，电控系统相应调整扭矩输出，使发动机运转平稳。

发动机输出扭矩分析：

A状态，在风扇开启后0.036 s时，发动机输出储备扭矩为9.96 N·m，不能满足发电机需求扭矩13.48 N·m的要求，如图12所示。所以发动机转速下

图13　B状态发电机需求扭矩与发动机输出扭矩

3　方案制定及验证

A状态在电子风扇开启瞬间引起发动机转速波动的原因已查明，为发电机输出功率响应性较快，需要消耗较多的储备扭矩，而发动机输出的扭矩储备不足所至。解决方案为：根据怠速工况风扇开启瞬间发电机扭矩需求情况，标定发动机输出储备扭矩，减小对发动机转速的冲击。如图14所示。调整发动机风扇开启时储备扭矩，整车验证发动机在怠速运行时，当水温达到规定值，一级风扇开启瞬间，发动机转速由800 r/min逐渐降至790 r/min，转速波动在目标怠速范围内，车身未出现明显抖动，主观评价可接受，达到预期目的。如图15所示。

图14　A状态调整后扭矩输出

图15　A状态调整后ECU数据流

4　结论

1）A状态在电子风扇开启瞬间引起发动机转速波动的原因为：发电机输出电功率对整车电路负载变化响应较快，需要消耗更多的发动机储备扭矩。虽然发动机实际输出扭矩与目标输出扭矩跟随性较好，但发动机输出储备扭矩不足，不能满足发电机因电子风扇启动瞬间的扭矩需求，致使发动机以降低转速来增加输出扭矩，此时发动机转速严重偏离目标怠速值，发动机电控系统调整发动机输出扭矩，所以发动机出现转速波动现象，影响整车的舒适性。

2）发电机开发时不但要考虑电量平衡满足整车使用要求，还需要考虑到发电机对整车负载响应性与发动机储备扭矩的匹配。

1蓝浩伦，李飞，乔鑫，等.某小型SUV驾驶人地板抖动问题的研究与优化［C］//中国汽车工程学会.2015中国汽车工程学会年会论文集（Volume3）.北京：机械工业出版社，2015：865-867

2鲍晓东.汽车发动机怠速不稳的原因与诊断研究［J］.汽车零部件，2009（5）：54-57

3周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1999

Analysis and Solution of the Engine Idle Speed Irregularity of an SUV at the Time of the Electronic Fan Start

Chen Yanru1，2，Li Yang1，2，Li Hui1，2，Yang Zhenjie1，2，Wang Xuesong1，2
1-R&D Center，Great Wall Motor Company（Baoding，Hebei，071000，China）2-Automotive Engineering Technical Center of Hebei Province

A certain SUV models at the engine idle speed，when the electronic fan switched on，the engine speed will drop to700rpm from 800 rpm suddenly，afterwards the speed climbs to 850rpm quickly，and then return to the normal idle speed gradually.The engine speed irregularity will cause the body jitter obviously，which affects the ride comfort of the vehicle.Through analysis of the output power change of the generator in the process of the electronic fan switched on，it's confirmed that the mechanism of the problem is that the response time of the generator to the vehicle load mismatched with the engine store torque.Through adjusting the response time of the engine store torque to satisfy the demand torque of the generator，the engine speed will change smoothly at the time of the electronic fan start，thus the ride comfort of the vehicle is improved.

Electronic fan，The time of E-fan start，Speed irregularity，Response time of the generator，Store torque

U464.138+.4

A

2095-8234（2016）03-0088-06

陈彦如（1980-），男，工程师，主要研究方向为发动机NVH开发。

2016-03-19）