啟停發(fā)動機電控系統(tǒng)的開發(fā)與實驗研究

鄭 麗，毛雅風，劉艷蕾，李 娜

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

在全球化石油燃料日漸枯竭以及世界環(huán)境問題逐漸嚴峻的大背景下，迫切需要開發(fā)出既滿足現(xiàn)實使用用途又能減少怠速工況的新技術(shù)，怠速啟停系統(tǒng)作為一種新型而又簡約的節(jié)能技術(shù)受到了國內(nèi)外廣泛的重視。在20世紀80年代，日本五十鈴汽車就開始開發(fā)怠速啟停技術(shù)，隨后豐田汽車最先在Vitz轎車上應(yīng)用了智能怠速啟停系統(tǒng)［1］，1999年12月，三菱公司在排量為1 L的庇斯達奇奧轎車上搭載了怠速啟停系統(tǒng)，并與缸內(nèi)直噴式汽油機進行了匹配［2］。近年來，寶馬公司開發(fā)了一套發(fā)動機Start－Stop系統(tǒng)智能控制管理軟件［3］并廣泛用于寶馬1系、3系和5系的4缸和6缸發(fā)動機上［4］。在第39屆東京車展上，馬自達汽車公司展示了一種智能的直接啟停系統(tǒng)［5－6］。我國的汽車工業(yè)起步較晚，之前對汽車燃油經(jīng)濟性以及排放性能沒有引起足夠的重視，對怠速停止起動系統(tǒng)的相關(guān)研究相對還比較少。現(xiàn)階段吉利汽車、江淮汽車、長安汽車等都加大了節(jié)能型汽車研發(fā)的力度。

筆者采用直接開發(fā)發(fā)動機電控管理系統(tǒng)的方法，在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上通過增加相應(yīng)硬件輸入，開發(fā)啟停邏輯，完成啟停邏輯功能在整車上的實現(xiàn)，并對啟停式發(fā)動機在啟動后的氣量控制、空燃比控制，以及氧傳感器控制進行分析，對相應(yīng)控制進行重新標定，將排放和油耗控制在最佳水平。對整車在EUDC循環(huán)工況下進行實驗驗證［7－8］，得出匹配啟停功能的車輛燃油經(jīng)濟性和排放水平。

1 開發(fā)方案

1.1 整車參數(shù)

筆者利用INCA標定開發(fā)軟件［9］為某整車廠開發(fā)啟停發(fā)動機電控管理系統(tǒng)，該車型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車的整車參數(shù)

1.2 啟停系統(tǒng)的管理邏輯

啟停系統(tǒng)主要由啟停式發(fā)動機控制單元、增強型起動電機、智能發(fā)電機、AGM電池、電池傳感器EBS、DC/DC(可選)、起停主開關(guān)和人機界面、離合器踏板開關(guān)、空擋開關(guān)和制動真空度等傳感器組成。圖1為啟停功能控制系統(tǒng)原理圖。在該實驗的車型中，采用鎖止式啟停主開關(guān)，因此需要在標定中將啟停開關(guān)的類型設(shè)為鎖止式。

圖1 啟停功能控制系統(tǒng)原理圖

2 啟停式發(fā)動機電控系統(tǒng)主要功能分析

2.1 發(fā)動機電控系統(tǒng)燃油控制

發(fā)動機電控系統(tǒng)燃油控制主要是通過對空燃比、進氣量、點火角的控制來實現(xiàn)的，圖2為發(fā)動機啟動時進氣流量控制圖。筆者主要關(guān)注啟停時發(fā)動機在啟動時的點火角控制。圖3為發(fā)動機電控系統(tǒng)點火角的控制圖。

圖2 發(fā)動機電控系統(tǒng)進氣流量控制圖

圖3 發(fā)動機電控系統(tǒng)點火角的控制

2.2 燃油經(jīng)濟性計算

試驗車輛由普通車輛加裝啟停系統(tǒng)改造而成。NEDC工況啟停系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性計算模型中的停機時間計算式為:

式中:T1為車速等于0 km時的時間;T2為由于發(fā)動機冷卻液溫度過低而禁止的自動停機時間;T3為車速從自動停機觸發(fā)限值至停穩(wěn)的時間，根據(jù)發(fā)動機ECU的停機觸發(fā)策略，同時因為NEDC規(guī)定離合器踏板操作已于車速降至限值前完成，車速的限值即作自動停機的觸發(fā)條件;T4為駕駛員從踩離合器踏板至車輛起動的時間，此時車速不為0的短時間片段，又根據(jù)ECU起動的觸發(fā)策略，NEDC規(guī)定車輛起動前，離合器踏板的操作會觸動發(fā)動機自動起動;Nstop為自動停機的次數(shù);Tidle為停機時間。燃油經(jīng)濟性的計算式為:

式中:nidle為平均怠速轉(zhuǎn)速;Vinj為每次噴射時的平均進氣量;λ為理論空燃比;ρfuel為燃油密度;ρair為空氣密度;cinj為每次噴射燃油的消耗量;csec為每秒理論的燃油消耗量;η為考慮了怠速噴油加濃以及電池充電消耗因素等的折算系數(shù);cfe為計算100 km的節(jié)油量;Dnedc為NEDC的理論行駛距離。

對式(1)中的參數(shù) T1、Nstop進行調(diào)整可計算出ECE工況下的百公里燃油經(jīng)濟性的提高值，如表2所示。加入T2后作進一步地調(diào)整，便可得出在熱機狀態(tài)下的對比值，如表3所示。

表2 NEDC工況下啟停系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性計算值

表3 ECE工況啟停系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性

由表3可以看出，相比于NEDC的綜合工況，在市區(qū)工況、啟停更為頻繁的ECE工況下，啟停系統(tǒng)的節(jié)油能力進一步增強，在熱機狀態(tài)下已超過了10%。

3 實驗驗證

3.1 實驗設(shè)備

實驗選用HORIBA汽車排放分析儀，整個測試設(shè)備是由轉(zhuǎn)轂、風機、控制程序、尾氣采集及分析儀、數(shù)據(jù)采集存儲及處理設(shè)備等組成。

3.2 實驗方法

以國家標準NEDC循環(huán)為試驗工況，在排放測試轉(zhuǎn)轂上進行試驗。NEDC循環(huán)由4個城市工況循環(huán)(ECE)和一個郊區(qū)工況循環(huán)(EUDC)組成，即新歐洲混合行車工況［10－11］，如圖 4 所示。測試工況可參考GB18352.3－2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法。

圖4 ECE－EUDC循環(huán)工況

將試驗車在靜置間(恒溫)放置不低于8 h，待發(fā)動機水溫在一定范圍內(nèi)時將其拖到轉(zhuǎn)轂上進行固定。分別采集分析催化器的前后兩端尾氣，并分別在催化器前后端的排氣管處安裝氧傳感器，用于采集尾氣的氧濃度。同時為測量排氣的溫度，分別在催化器的前后兩端排氣管和催化器的本體上安裝了K型熱電偶。試驗裝置的布置如圖5所示。

圖5 實驗裝置布置圖

尾氣的采樣精度設(shè)為1 s采一個點的采樣頻率(通常稱為秒采數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)的記錄儀可提供循環(huán)工況NEDC下的車速、各個溫度測點的瞬態(tài)值，以及催化器前后兩端各排放物瞬態(tài)濃度和質(zhì)量。同時用CAN總線工具CANalyzer測得總線信號，如車速、節(jié)氣門位置、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣量和瞬時噴油量等，采樣的頻率設(shè)置成7.82 ms一個點。

為保證試驗中各物理量的同步性，對各數(shù)據(jù)量的時間軸進行了標定，以期達到各物理量同步。標定同步性的方法是使CANalyzer記錄的車速與排放實驗室數(shù)據(jù)記錄儀記錄的車速在每一時刻均保持一致，建立兩種數(shù)據(jù)記錄的對應(yīng)關(guān)系。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 怠速停機后啟動時空燃比對油耗的影響

筆者主要側(cè)重于擁有啟停功能的智能汽車與無啟停功能的傳統(tǒng)汽車的對比，基準數(shù)據(jù)為啟停功能關(guān)閉的數(shù)據(jù)，相當于傳統(tǒng)車型。后4組數(shù)據(jù)為啟停功能開啟情況下測得的，如表4所示。

表4 不同空燃比對怠速停機啟動的油耗數(shù)據(jù)g/(kW·h)

由表4可知，在基準空燃比增加0.5的基礎(chǔ)上，啟動時前7 s的節(jié)油率分別為:6.63%、8.96%、7.96%、13.90%、11.76%、7.12%、9.48%。當在水溫為80℃啟動時，基準空燃比增加1時前7 s的節(jié)油率為(相對于按照基準空燃比的啟動):16.71%、9.12%、11.95%、18.45%、16.60%、14.29%、13.30%。同時也可以看出，對于同一空燃比，發(fā)動機在水溫為80℃啟動時的油耗明顯小于水溫為50℃時啟動的油耗。由于啟動的空燃比已做了重新標定，從而需要考慮重新標定后的空燃比對啟動的性能是否造成了嚴重的影響。通過對啟動時發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的記錄，并根據(jù)不同啟動空燃比和溫度下所測得的實際發(fā)動機轉(zhuǎn)速與目標轉(zhuǎn)速進行對比，再分析發(fā)動機啟動的時間及平順性，可得如圖6所示的啟動空燃比修改后對轉(zhuǎn)速的影響曲線界面圖。其中曲線1為發(fā)動機在初始空燃比，發(fā)動機水溫在50℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線2為發(fā)動機在初始空燃比，發(fā)動機水溫在80℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線3為發(fā)動機在空燃比增加0.5，發(fā)動機水溫在50℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線4為發(fā)動機在空燃比增加0.5，發(fā)動機水溫在80℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線5為發(fā)動機在空燃比增加1，發(fā)動機水溫在50℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線6為發(fā)動機在空燃比增加1，發(fā)動機水溫在80℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線。

圖6 啟動空燃比修改后對轉(zhuǎn)速的影響曲線界面圖

從圖6可以看出，對于同一空燃比，不同發(fā)動機水溫下啟動以及對于同一水溫，不同空燃比下啟動時，啟動時間變化不大，且最終穩(wěn)定轉(zhuǎn)速也相差不大，約在50 r/min左右。從而實現(xiàn)了在節(jié)油的情形下，保證了整車啟動時的安全性、及時性和平穩(wěn)性。

3.3.2 進氣量對油耗的影響

關(guān)于進氣量對油耗的影響，筆者也進行了4組實驗，不同進氣量對怠速停機啟動的油耗數(shù)據(jù)如表5所示。

啟動時進氣量重新標定后的實驗數(shù)據(jù)如圖7

表5 不同進氣量對怠速停機啟動的油耗數(shù)據(jù)g/(kW·h)

所示。圖7中曲線1為發(fā)動機在初始空燃比，發(fā)動機水溫在50℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線2為發(fā)動機在初始空燃比，發(fā)動機水溫在80℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線3為發(fā)動機在初始進氣量降低20%后，發(fā)動機水溫在50℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線;曲線4為發(fā)動機在初始進氣量降低20%后，發(fā)動機水溫在80℃時啟動的轉(zhuǎn)速曲線。從圖7中可以看出，進氣量降低20%后，無論發(fā)動機在水溫50℃還是80℃啟動時，轉(zhuǎn)速的變化、啟動時間，以及啟動平順性均與初始進氣量啟動時相差不大，從而在節(jié)省燃油的前提下，確保了發(fā)動機啟動時的及時性、安全性和舒適性。

圖7 啟動時不同進氣量對啟動的影響曲線界面圖

根據(jù)以上分析，怠速停機后啟動時，適當降低對進氣量的要求，不僅可以節(jié)省頻繁啟動時的燃油消耗，也保證了啟動的安全性。

4 結(jié)論

筆者基于ECE－EUDC循環(huán)工況對具有怠速停機功能的整車進行開發(fā)。通過分析啟停式發(fā)動機電控系統(tǒng)的節(jié)油因素，在傳統(tǒng)發(fā)動機電控管理系統(tǒng)上進行相關(guān)功能的開發(fā)研究，新增氧傳感器加熱控制邏輯、催化器失效診斷邏輯、啟動時空燃比以及進氣量和點火角的模型。通過在轉(zhuǎn)轂上對其進行試驗，結(jié)果表明不僅可以保證啟停功能的安全性，還達到節(jié)油0.4 L/100 km以上的目的。

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