浅谈混动专用发动机（二）----混合动力发动机的噪声与振动

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随着混合动力专用发动机的技术发展，在NVH方面，与传统发动机技术相比，呈现出了一些不同的技术特点。一方面，这些变化来自于日益严格的法规约束；另一方面，也来自于混合动力专用发动机与传统发动机的机械结构与运行工况有较大差异。

法规方面影响

混合动力总成，在车辆低速工况中，大部分时间发动机并不运行，仅由电驱动的新能源车辆在低速行驶中几乎没有噪音，显得过于安静了。这样对于行人、骑行者或一些有视觉障碍的人士来说，在未察觉的情况下，反而构成了相当程度的危险。在此背景下，欧洲经济委员会(ECE)于2016年10月5日颁布第138号法规，要求电池驱动和混合动力汽车必须安装一个声学车辆警报系统AVAS（Acoustic Vehicle alerting System）为在低速行车条件下，提醒行人注意。于2017年10月更新版本为UN R138.01。



该法规提供了有关AVAS技术细节信息，告知新能源汽车制造商如何测试其系统以证明其符合法规。然而在车辆的中高速运行时，当混合动力总成中发动机被激活运行时，往往工作在中等及以上的转速及负荷工况，此时还应满足车外噪声控制的法规要求。对车外噪声污染的控制开展的时间较早，欧盟最早颁布的汽车噪声法规是在70年代初，即70/157/EEC《欧共体型式认证指令——汽车噪声》，中国于2002年发布GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》。



法规要求按照一定的测试方法和工况，被申报测试的新车型的噪声污染水平应达标，凡不符合标准要求的车型不得核准定型。这项标准是逐渐严格化控制的，经历了长达半个世纪的进化，在最新的欧盟法规ECE R51中，第二、三阶段噪音标准将逐步被调低，并分别于2022年和2026年覆盖所有新生产的汽车。在未来12年中，普通车型的噪音限制将从现在的74分贝逐步降低到68分贝。



一般技术趋势对NVH特性的影响

为应对混合动力专用发动机在噪声声学方面所面临的种种挑战， 结合总体技术发展趋势，认识到这些技术特点对混动专用发动机NVH性能往往会产生一些影响，客观分析认为，从发动机总体性能、机械结构、系统架构和控制策略方面，往往需要考虑以下几个方面的问题，可以从图中看到这些技术方向，对NVH的性能开发提出了一些新的挑战。



油电混合动力总成NVH性能目标的分解化

面对总体NVH目标，影响的层面是千头万绪，因此往往需要在总体性能方面先明确一个目标，这个目标可以来法规要求，也可以来自更高要求的产品定义。接下来，按照该目标对，分解到整车的系统架构层级。动力总成系该层级中关键的组成部分，在明确了子系统的分解目标后，进一步的将宏观指标细分到逐个发动机动力总成的零部件目标级别。



完成各指标的详细分解后，在产品的开发环节中，以各组成件的性能目标，逐项开展设计验证，逐级达成技术目标。这个过程就是产品体系正向开发的“倒V”形质量交付门流程。完整的开发流程，其既定的总体技术目标得以可控的实施。下面简单列举混合动力发动机产品开发中，技术分解比较重要的几个环节。

混合动力发动机新燃烧方式的声学差异

为提高热效率，混合动力发动机往往采用高压缩比和膨胀比的燃烧循环，如米勒循环。在这种燃烧循环中，火焰传播速度更快，滞燃期更短。



因此，米勒燃烧会产生更高峰值的燃烧压力，和更高的压力上升率（特别是在部分负载条件下）。从试验数据上看，米勒燃烧更快（特别是在燃料燃烧放热的前50%期间），因此，其峰值压力会更倾向提前和突出，压力上升速率变化较大。这些燃烧特性提高了燃烧波的高频率成分，会带来更高的噪声水平和尖锐的声音特性。

发动机缸数的影响

为降低总体摩擦功，以及考虑混合总成的紧凑性，还提出有减缸的设计。如领克03车型搭载有DHE15-ESZ三缸1.5L涡轮增压发动机。发动机的缸数不同，意味着同等转速下，发动机输入的激振振幅和频率都有较大的差异。因此，三缸机与四缸机的振动呈现出不同的特点，以某1.2L排量发动机为例，对比三缸和四缸的曲轴扭矩-曲轴角关系输出，得到如下对比关系：



因此同等的曲轴平均转矩下，三缸机的振幅更大，频率成分也更偏低。这两个特点的耦合就造成了往往被消费者所诟病的“三缸机振动大”。作为补偿，在三缸发动机的设计中，当排量高于1.2L，为实现良好的动平衡性能，曲柄连杆机构通常会配置平衡轴。

混合动力总成启停

混合动力发动机与传统发动机的启停方面，其最大的区别在于混合动力发动机的启动转速远高于传统起动机。对于较常见的P2混合动力总成架构，发动机的启动往往具有较高的转速，因此扭转冲击也更明显。双电机+发动机混合动力作为常见的混动架构，启发电机辅助发动机的启动。



在这种架构中，启动转速相对传统方式高出约350%~400%。传统起动机通过啮合起动齿轮，发动机未起燃时拖动转速仅在200r/min上下；因此，这造成了两者起动时，NVH特性存在极大差异。双质量飞轮提供了一种解决方案。



在原理方面，双质量飞轮可将质量分为两部分，其2级质量能在不增加飞轮的惯性矩的前提下提高传动系的惯性矩，可使其扭转的系统固有频率降低到发动机怠速转速以下，因此在P2电机拖动发动机启动时，其受迫振动频率可远远超越共振点。为了减少混动发动机的扭矩冲击，配备双质量飞轮具有相对明显的优势。

结语

混合动力专用发动机的噪声与振动技术问题相对传统发动机而言，所面对的问题维度更广泛，约束条件也更纷杂。但万变不离其宗，以用户视角为核心，通过第一视角观察，总是能够在更深的层次发现潜在的提升价值。

注：文章中引用数据和图片来源网络