陈玮，王金立，李凯，袁飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于角度域分析的汽油机活塞连杆敲击试验研究

陈玮，王金立，李凯，袁飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某款汽油发动机小批量生产时，热机怠速时，有较为明显敲击异响。为解决该异响问题，文章分析了活塞连杆敲击异响的产生机理，并使用了角度域分析方法对发动机的振动、噪声信号进行了采集分析，确定了敲击异响的活塞连杆组件。通过优化连杆大头配瓦间隙等参数，经过试验验证，敲击异响消失。

角度域；活塞连杆；敲击；间隙；润滑

CLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-201-03

引言

活塞连杆机构是往复发动机必要的运动机构，将燃烧膨胀功转化为曲轴组件的旋转运动，其工作环境较为恶劣，不仅对发动机的动力性、经济性和排放性能有较大影响，而且对发动机的NVH性能也有较大的贡献。

某L4汽油发动机小批量生产，热怠速时出现了较为明显的敲击声，本文对发动机活塞连杆机构的敲击音机理进行了总结，采集了发动机缸体振动以及近场噪声信号，通过角度域方法确定了产生敲击异响的缸数，通过拆解检测确定了异常的零部件，更换样件后，敲击异响消失。

1、活塞连杆敲击机理分析

活塞连杆敲击包括燃烧敲击（爆震）和机械敲击，燃烧敲击主要是缸内燃烧出现爆震波，此时会出现清脆的敲击声[1]。机械敲击指发动机负荷较小时也出现的敲击现象，与运动副的配合间隙和润滑情况有关。

1.1 燃烧敲击

燃烧敲击也称为爆震，汽油机发生爆震时，燃烧室内压力波作用于缸体和缸盖，使发动机产生剧烈的振动，主观可听到较为清脆的高频敲击声，根据敲击强度分为轻微爆震、强爆震和超级爆震。

通过燃烧室压缩比设计、优化点火正时、混合气加浓、分层和扫气等方式抑制发动机的爆震[2]，改善燃烧敲击。

1.2 机械敲击

活塞连杆总成包括缸套、活塞、活塞环总成、活塞销、连杆、连杆瓦和曲柄销等部件组成。

图1 活塞连杆机构

文献[3]阐述了活塞销与连杆小头敲击噪声的两种机制，即活塞销-连杆小头间隙过大及连杆小头形状公差不当引起的噪声；文献[4]对活塞以及活塞销产生的噪声进行了研究和分类；文献[5]讨论了活塞偏心量和缸内润滑情况活塞敲缸的影响。除以上文献讨论的因素外，连杆配瓦间隙过大、连杆瓦的压缩高度不足以及润滑不良等因素也会出现敲击异响。

1）活塞敲击

活塞敲击包括横向敲击和纵向敲击，表现为活塞头部裙部与气缸套之间的敲击，一般发生在活塞往复止点换向时刻，根据敲击力的方向可分为横向敲击和纵向敲击。

活塞敲击的主要因素有活塞头部群部与缸套的间隙、活塞曲轴偏心量、曲轴连杆的变形量以及润滑状况等。

2）活塞环敲击

活塞环敲击主要发生在环与环槽、环与气缸凸肩等，一般在压缩上止点前后，环塞环敲击会较为明显。

活塞环敲击的因素主要有活塞环-环槽的间隙、活塞环张力、以及缸套环槽磨损情况等。

3）活塞销敲击

活塞销敲击是活塞销在压缩上止点附近，与连杆小头产生敲击声，表现为“哒哒”声。活塞敲击对润滑条件较为敏感，冷启动时会比较明显。

活塞销敲击的因素主要有活塞销-活塞以及活塞销-连杆小头的配合间隙，运动副的润滑情况及油膜厚度等。

4）连杆瓦敲击

连杆瓦敲击是指连杆瓦与曲柄销和连杆大头之间产生的敲击。该敲击异响较轻，怠速时较小，加速时明显变大，发动机负荷增加，连杆瓦敲击也增大。

连杆瓦敲击的因素主要有配瓦间隙、轴瓦压缩高度和弹张量、螺栓力矩以及润滑等。

2、试验结果及分析

2.1 角度域工作原理

L4发动机曲轴每2转为一个工作循环[6]，因此通过角度域方法可以对每缸的燃烧、振动等情况进行准确的分析。

角度域分析是曲轴角度域上等转角采样，其基本概念是，当θ→∞(t →∞)时，对于任意转速n，其采样角度周期Tθ不变；其在时区上的采样时间Tt是发动机转速n的函数[7]。

上式中：n为发动机转速，r/min；z为气缸数；λ为发动机冲程数，二冲程时为1，四冲程时为2。

2.2 角度域数据采集

本次试验同步采集了飞轮起动齿圈脉冲、1缸燃烧压力以及缸体的振动信号，并以1缸Pmax时刻定义0度角，见图2所示。

图2 飞轮起动齿圈脉冲与1缸缸压信号

2.3 角度域数据分析

热怠速时，通过数字滤波分析可确定敲击异响的主要频段为850-2200Hz，主要是曲柄连杆敲击传递到发动机缸体，从而激起缸体的结构辐射噪声，见图3。

试验数据显示，160。CA和640。CA附近缸体的振动幅值较为明显，较其他缸点火时高2-3倍左右，可判定该敲击可能来自第2、3缸，见图4。

图3 热机怠速频谱

图4 缸体振动曲线，热怠速

2.4 优化件验证

通过拆解测量，第2、3缸的连杆瓦的压缩高度和自由弹张量较小，且轴瓦-曲柄销之间的配合间隙超出设计上限。对2、3缸的连杆瓦重新选配，恢复样机进行试验验证，怠速时，缸体的振动降低50%左右，敲击异响消失，见图5。

图5 优化前后缸体振动，热怠速

3、结论

（1）角度域测试可确定异常的缸数，结合拆解测量分析，锁定了异常的参数，并通过更换异常连杆瓦，消除了发动机怠速敲击噪声。

（2）对轴瓦的内径公差、压缩高度等参数重新进行了设计优化，并通过了冷拉缸验证，确定了较为合理的轴瓦设计数。

[1] 李向荣,魏镕,孙柏刚，杜魏,周磊等内燃机燃烧科学与技术[M] 北京航空航天大学出版社,2012.

[2] 徐雅齐,王志,王建昕,李东升等,增压直喷汽油机超级爆震的不同抑制方法[J],内燃机学报,2014,32（1）：26-31.

[3] Nasser Moshrefi, Gray Mazzella, Dave Yeager, et al Gasoline Engine Piston Pin Tick Noise[C] SAE Paper 2007-0102290.

[4] Reiner Kunzel, Michael Tunsch, Martin Werkmann. Piston Related Noise with Spark Ignition Engines Characterization, Quantification and Mechanisms of Excitation[C]. SAE Paper 2000-01-3311.

[5] 冯圆,杨瑞文,陈红兵,黄春生,王勇等 增压发动机怠速敲缸噪声研究[J],车用发动机,2013,6:75-78.

[6] 魏春源,张卫正,葛蕴珊等 高等内燃机学[M] 北京理工大学出版社,2001.

[7] 曹恒,孙宝元,段军等,基于曲轴角度域闭环辨识柴油机模型[J]，大连理工大学学报,2001,41（1）：73-76.

Experimental Study of the SI Engine Piston Conrod Knock Based on Angle Domain Analysis

Chen Wei, Wang Jinli, Li Kai, Yuan Fei
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

When some gasoline engine is small batch production, the knock noise is clear on hot idle condition. In order to solve the this problem, this paper analyzes the mechanism of piston conrod knock noise, the engine vibration and noise have been acquired and analyzed using the angle domain method, to make sure which assembly of piston and conrod bring the knock noise. Through optimizing the clearance between conrod big end and the bearing etc. the knock noise disappear after test.

Angle Domain; Piston conrod; Knock; clearance; lubrication

U461.9

A

1671-7988 (2017)10-201-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.069

陈玮，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。