发动机三缸机与NVH研究

杨园园，朱云波，郭梦梦，于 洋

（宁波吉利汽车研究开发有限公司，浙江 宁波 315336）

引言

传统车辆的NVH是提升车辆品质的重要指标，而影响NVH的重要因素是发动机，所以研究发动机对NVH的影响显得尤为重要。

1 概述

发动机三缸机结构特点介绍：小排量、高压缩比、直喷、增压。

主要设计理念：面容比高、散热比例相对小，热效率高；对比同排量四缸机，摩擦损失小，油耗更低；三缸排气间隔角度240°，排气过程存在的干涉少，使排气更通畅，缸内的残余废弃量少，压缩比有所提高。

2 三缸机曲轴平衡特点

2.1 简述

发动机三缸机的平衡一般是通过曲轴平衡块实现的平衡。

常见的平衡方法是：单轴平衡法，双轴平衡法，过量平衡法等。

理论分析，发动机三缸机的不平衡力矩可以通过四轴平衡进行消除。即除了可以在曲柄上加平衡重外，还可以增加两根与曲轴相同转速的平衡轴平衡一阶惯性矩；如果需再平衡二阶往复惯性力矩，则还需一组等同于曲轴两倍转速的双轴平衡装置，但是由于发动机结构及成本等方面的限制，大多只平衡一阶往复惯性力矩。

如果不加平衡轴，采用过量平衡法可以达到提高平衡效果的目的。过量平衡法既简单，又能提高平衡效果，降低垂直方向振动效应。

2.2 市场主流三缸机特点

第一种：单平衡轴和偏心皮带加双质量飞轮的设计方案。

第二种：降低噪声减轻振动设计，增压器使用全铝材料，并使用无声平衡轴和解耦式平衡轴齿轮设计方案。

第三种：去平衡轴设计理念，通过在飞轮和皮带上实现“不平衡”设计，并通过悬置系统改进发动机，通过飞轮和前段皮带轮消除振动的设计方案。

表1 相关品牌车型介绍

2.3 三缸机平衡特点

三缸机平衡特点如图1所示：

图1 平衡特点展示图

2.4 某三缸机曲轴设计特点

不带平衡轴，曲轴平衡重的设计特点如下所示：

（1）完全平衡旋转惯性力矩；

（2）平衡50%的一阶往复惯性力矩。

图2 变速箱悬置振动加速度

图3 发动机悬置振动加速度

3 三缸机平衡及NVH所带来的挑战

（1）三缸机的曲轴转速不均性更大；

（2）怠速转速稳定控制难度加大；

（3）附件皮带机变速箱齿轮NVH控制难度加大；

（4）悬置怠速避频设计受限。

应对措施：

（1）提高点火转速；

（2）提高怠速转速；

（3）主动隔振悬置；

（4）单质量飞轮采用大惯量；

（5）采用DMF或离心摆飞轮；

（6）减少附件皮带抖动。

图4 3、4缸机转速波动比较

图5 3、4缸机怠速悬置模态匹配

图6 提高发动机启动转速飞轮转速波动

图7 OAD减小皮带载荷效果

4 应对策略

4.1 怠速抖动

问题表现：三缸发动机（无平衡轴）配置车型在空挡、匀速、加速等任意工况通过1 000～1 100 rpm转速范围区间，存在明显的整车抖动抱怨。此抖动为一阶的振动，频率特征约为16～18.5 Hz。故，三缸机如果取消平衡轴，动力总成将存在一阶激励。

问题分析：

悬置的刚体模态：动力总成悬置系统的刚体模态频率在Roll-16.7 Hz，Yaw-18.3 Hz模态。

发动机1000 rpm转速附近一阶激励与悬置刚体模态产生耦合共振，导致整车抖动现象。

解决方案：

优化悬置：增大阻尼，采用非解耦液压悬置。

图8 非解耦压悬置曲线图

4.2 加速抖动

问题表现：

三缸机（无平衡轴）配置车辆在1/2挡大扭矩工况下加速过程中存在明显的整车抖动；

1挡大油门起步，离合器半啮合工况以及1/2挡全油门WOT加速工况，2 000 rpm以上整车抖动明显。抖动特征为一阶惯性力矩，频率范围在30～80 Hz。

问题分析：

一阶激励：三缸机由于取消了平衡轴，动力总成存在一阶激励。

传递路径：确定一阶激励能量主要通过半轴一转向节传递至车身。

解决方案；

通过将左右半轴万向节节型由A型更改为B型，从而改变工作传递路径，在问题工况下整车抖动有明显改善。

4.3 点火抖动

三缸发动机由于其不平衡性，在点火过程中容易引起整车抖动问题。

发动机点火抖动整车匹配相关因素：

发动机点火过程是由启动电机拖动飞轮齿圈，带动曲轴达到发动机开始燃烧的转速，保证混合气体的形成，压缩和点火能够顺利进行。另外，由于启动瞬间扭矩冲击较大，悬置系统的隔振与限位对点火抖动性能影响也较大。

图9 点火路径

三缸机点火抖动问题应对措施：

（1）提高启动电机拖动转速，降低发动机转速波动；

（2）匹配DMF与悬置刚体模态共振频率，避免共振；

（3）调整悬置刚度，提升瞬态冲击振动隔振与限位。

图10 影响因素

4.4 熄火抖动

问题表现：

三缸机熄火后由于其不平衡性导致转速波动的瞬间变化引起整车抖动抱怨。

转速波动优化方案：

（1）优化节气门开度；

（2）优化VVT相位；

（3）调整DMF阻尼。

5 总结

三缸发动机的平衡技术是实现发动机稳定，促进整车良好NVH的重要因素，针对三缸发动机易出现的抖动问题，采取对应的优化方案，可实现整车的NVH要求。