增程式混合動力乘用車排放優(yōu)化

楊春龍

(菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)(上海)有限公司,上海 201851)

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車工業(yè)已經(jīng)逐步發(fā)展成為我國實體經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)支柱.汽車在提供便利的同時也造成了巨大的環(huán)境污染問題[1].為加快節(jié)能減排的進(jìn)程，發(fā)展新能源汽車成為當(dāng)下世界各國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù).混合動力汽車兼具純電動汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機車的優(yōu)勢，是短期內(nèi)新能源汽車發(fā)展的主導(dǎo)力量[2].在眾多混合動力系統(tǒng)架構(gòu)中，增程式或者稱之為串聯(lián)混動的架構(gòu)有諸多優(yōu)點.比如，增程式架構(gòu)布局簡單；可以實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和車輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的完全解耦，從而省去傳統(tǒng)意義上的變速器；始終純電驅(qū)動，擁有極好的駕駛性和動力響應(yīng)特性.文中以某款增程式混合動力乘用車為研究對象，通過優(yōu)化發(fā)動機運行參數(shù)和整車控制策略，使其排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國家六階段排放法規(guī)[3]的要求.

1 車輛

1.1 車輛動力總成架構(gòu)及主要參數(shù)

文中所涉及的增程式混合動力乘用車動力系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示.該車驅(qū)動部分來自布置在前后軸的兩臺永磁無刷電機，前軸驅(qū)動電機最大功率100 kW,后軸驅(qū)動電機最大功率140 kW.整車控制器可以根據(jù)實時的路面情況和駕駛員動力需求自動分配前后軸電機扭矩.驅(qū)動電機與車軸之間通過一個固定齒比的單速減速器進(jìn)行連接，無傳統(tǒng)意義上的多擋位變速器，簡化了整套動力系統(tǒng)的裝配復(fù)雜度，降低了控制難度.發(fā)動機飛輪端輸出軸與發(fā)電機輸入軸之間通過一套扭轉(zhuǎn)減震變速裝置連接在一起，二者組成一套增程器.增程器最大輸出功率被電控系統(tǒng)限制在60 kW.動力鋰電池容量為40 kW·h，車輛在充滿電的情況下可以純電行駛超過150 km.

圖1 增程式乘用車動力系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 車輛運行模式介紹

之所以開發(fā)增程式混合動力汽車，是為了解決現(xiàn)階段純電動汽車本身存在的諸多問題.比如動力電池容量有限導(dǎo)致續(xù)航里程短、里程焦慮、無固定停車位充電不方便、充電時間長等.增程式混合動力汽車嚴(yán)格來說還是純電驅(qū)動的汽車，具有和純電動車同樣出色的駕駛體驗，只是有了增程器的加持可以通過內(nèi)燃機做功帶動發(fā)電機發(fā)電，做到隨時隨地補充電能，能夠很大程度消除上面提到的純電動汽車的諸多弊端.因此，增程式電動車的設(shè)計初衷是有電時盡量用動力電池存儲的能量來驅(qū)動車輛，節(jié)能環(huán)保噪音低.只有當(dāng)動力電池電量不足或者需要大功率輸出時，才起動增程器使車輛可以正常行駛，增加續(xù)駛里程.

文中所涉及的增程式混合動力乘用車整車運行模式有兩種：增程模式和混合動力模式.增程模式優(yōu)先用電，只有當(dāng)動力電池SOC低于系統(tǒng)設(shè)置的30%時才起動增程器.同時，通過整車能量管理策略，保持住該SOC值不掉落，也即排放法規(guī)中定義的電量保持模式(CS)[3].混動模式是在動力電池SOC約60%時就起動增程器，電池保持充足的電量有利于提升整車的動力性能.駕駛員可以通過手動的方式在這兩種模式間進(jìn)行切換.

2 排放優(yōu)化

2.1 汽油發(fā)動機排放物生成機理

對于汽油發(fā)動機來說，排出來的有害氣體污染物主要包括一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?THC、NMHC)和氮氧化物(NOx).國六排放法規(guī)還對顆粒物的質(zhì)量(PM)和數(shù)量(PN)進(jìn)行了嚴(yán)格限制[2].由于PM和PN屬于固態(tài)污染物范疇，文中暫不做討論.

CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，發(fā)動機起動和運行過程中，混合氣偏濃是產(chǎn)生CO的最直接原因.

THC和NMHC也是由于燃料不完全燃燒造成的，而且主要集中在冷起動階段.

2.2 冷起動對排放的影響

表1是該車型在全球統(tǒng)一的輕型車測試循環(huán)(WLTC)[3]中各個階段氣體污染物及總氣體污染物排放結(jié)果統(tǒng)計.結(jié)合前面2.1節(jié)的理論分析和表1實際的試驗數(shù)據(jù)，可以很直觀的看出：冷起動階段是氣體污染物形成最主要的時機，在總排放結(jié)果中占據(jù)了非常高的比例.圖2是氣體污染物在完整的WLTC循環(huán)中實際的模態(tài)分布.圖3是將冷起動階段氣體污染物模態(tài)數(shù)據(jù)局部放大后的效果.

表1 WLTC循環(huán)氣體污染物排放結(jié)果統(tǒng)計 mg/km

從圖2的模態(tài)分布中可以很清楚的看到，絕大多數(shù)氣態(tài)污染物均出現(xiàn)在冷起動及之后的幾十秒鐘.因此，優(yōu)化排放的重點就是優(yōu)化冷起動階段發(fā)動機各項運行參數(shù)，使油、火、氣3者的配合恰到好處.試驗證明冷起動排放物控制得好，可以起到事半功倍的效果.

圖2 WLTC循環(huán)氣體污染物模態(tài)分布

2.3 冷起動減排策略

表1的排放結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在整個WLTC排放循環(huán)中，氣體污染物在冷起動階段幾乎占到整個排放循環(huán)總量的75%～90%.因此，排放工作的重點就是要控制冷起動階段排放物的產(chǎn)生[5].

圖3 冷起動階段氣體污染物模態(tài)數(shù)據(jù)

冷起動階段氣體排放物之所以高，無外乎以下3種原因：①為了更容易起動，發(fā)動機電腦檢測到冷起動時會噴入比理論空燃比濃得多的燃油，這就導(dǎo)致有大量的汽油無法和空氣充分混合從而造成不完全燃燒；②發(fā)動機氣缸內(nèi)壁溫度低，熱態(tài)的火焰或燃油顆粒接觸到冷的氣缸壁形成淬熄效應(yīng)，加劇不完全燃燒的傾向；③三元催化器床溫?zé)o法快速達(dá)到最佳工作溫度，轉(zhuǎn)化效率低下.

首先，為了控制I型排放，發(fā)動機電腦軟件邏輯需要專門針對常溫(20～30 ℃)范圍內(nèi)的起動空燃比進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和標(biāo)定.太濃，容易出CO及THC；太稀，會造成起動困難、失火等不良反應(yīng).圖4是該車型25 ℃冷起動時實際的空燃比曲線.

針對冷起動階段的空燃比優(yōu)化，首先要在發(fā)動機盡量靠近催化器的位置，加裝寬裕氧傳感器采集設(shè)備，以便可以記錄發(fā)動機起動后實際空燃比情況.通過大量的試驗數(shù)據(jù)，基本上可以得出不同排量發(fā)動機起動后最濃空燃比和穩(wěn)定后的空燃比范圍，如表2所示.

表2 不同排量發(fā)動機起動最濃最稀空燃比范圍

通過圖4的實際空燃比曲線可知，該車型在冷起動后最濃空燃比約為14.19，穩(wěn)定后到燃油系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)前上升到14.58附近，接近理論空燃比.此外，要盡可能早地讓燃油系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)及理論空燃比，這樣才能保證發(fā)動機有良好的燃燒環(huán)境.如上圖4所示，該車型在起動后26 s進(jìn)入閉環(huán)，并及時將期望空燃比從濃狀態(tài)過度到理論空燃比.無數(shù)理論和試驗數(shù)據(jù)證明，汽油發(fā)動機只有運行在理論空燃比附近才可以使排放最好.

圖4 冷起動階段空燃比控制

其次，可以通過增加排氣量、推遲點火的方式讓三元催化器的床溫迅速升高.三元催化器通常是指含有鉑(pt)、鈀(pd)、銠(Rh)3種貴金屬涂層，然后,通過特殊工藝將涂層附著在陶瓷做成的蜂窩狀的載體中，最后嵌入在鋼結(jié)構(gòu)外殼內(nèi).

在尾氣凈化過程中，鉑和鈀主要起催化CO和THC的作用，而銠主要起催化NOx的作用.目前工程上實際應(yīng)用的三元催化器上是沒有鉑元素的，通過鈀和銠按照一定的比例進(jìn)行配比來達(dá)到凈化尾氣的作用.三元催化器剖視圖和實物圖如圖5所示.

圖5 三元催化器

三元催化器的轉(zhuǎn)化率和載體床溫、空燃比(或稱之為過量空氣系數(shù)λ)直接相關(guān).圖6所示為該車型上實際應(yīng)用的催化器轉(zhuǎn)化率和床溫的關(guān)系曲線，圖7為轉(zhuǎn)化率和空燃比的關(guān)系曲線.

圖6 催化轉(zhuǎn)化率和床溫的關(guān)系

圖7 催化轉(zhuǎn)化率和空燃比的關(guān)系

從圖6可以很清晰的看出，該車型所搭載的三元催化器床溫大概從270 ℃開始,轉(zhuǎn)化率成指數(shù)級上升，到350 ℃及以上溫度時,轉(zhuǎn)化率變得極高.

從發(fā)動機控制角度來說，常溫冷起動后，為了使催化器床溫盡快升高，通常采取如下辦法：①適當(dāng)提高怠速轉(zhuǎn)速；②在保證發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性前提下，盡可能的推遲點火提前角，讓發(fā)動機產(chǎn)生后燃，有利于排氣溫度的提升；③增加儲備扭矩，這樣可以增加進(jìn)排氣量，進(jìn)一步加快排氣溫度的上升.

圖8是該車型常溫25 ℃起動后實際的催化器床溫上升曲線.

圖8 冷起動后催化器床溫變化曲線

如上圖8所示，發(fā)動機起動后，發(fā)動機電腦(ECU)主動向整車控制器(VCU)發(fā)送暖氣請求，對應(yīng)上圖8最下面的“催化器起燃標(biāo)志”.VCU收到該請求后,進(jìn)入暖機運行工況.由于該車型發(fā)動機不參與驅(qū)動，如果暖機過程單純運行在怠速工況,那么就會造成進(jìn)氣流量非常小，無法實現(xiàn)快速升溫.經(jīng)過多次試驗，最終確定了以一個相對合適的扭矩運行.這樣不僅可以實現(xiàn)快速暖機，同時，還可以將發(fā)動機輸出功率以發(fā)電的形式存入電池，提高了能量利用率.

上圖8中，在發(fā)動機起動大約69 s后,ECU請求退出起燃.前面講到，為了使催化器床溫盡快升高，通過提高轉(zhuǎn)速、推遲點火角和增加進(jìn)排氣流量的方法.但是這些方法從燃燒理論來說都是極其不經(jīng)濟的，因此,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到催化器床溫已經(jīng)達(dá)到催化器轉(zhuǎn)化效率高的溫度后,要及時退出暖機工況，讓VCU進(jìn)行正常的扭矩請求來維持動力電池SOC，同時盡可能的運行在發(fā)動機高效率區(qū)間，有利于節(jié)能減排.

3 電量平衡控制策略

國家環(huán)保部門對混合動力汽車的排放測試有專門的測試方法，具體可查閱參考文獻(xiàn)[1].文中所涉及的增程式混合動力乘用車，按照文獻(xiàn)[1]的車型劃分，應(yīng)該歸屬為插電式混合動力汽車，因此，所有有關(guān)排放的控制策略和試驗方法應(yīng)該和插電式混合動力汽車保持一致.前面已經(jīng)提到，該車在動力電池SOC較高時優(yōu)先用電，當(dāng)動力電池SOC降低到一定程度時起動發(fā)動機來補充整車需求能量.國六排放法規(guī)規(guī)定，當(dāng)車輛運行在電量保持模式(CS)時，排放循環(huán)和能耗循環(huán)始末動力電池SOC數(shù)值應(yīng)保持在同一水平上，否則視為不合格，無法拿到國家環(huán)保部門簽發(fā)的排放和能耗合格證書.

一般來說，增程式電動車的電量保持模式(CS)有兩種策略:一種是定點式發(fā)電策略；另外一種是功率跟隨策略.

定點發(fā)電策略主要是根據(jù)所搭載的發(fā)動機萬有特性圖，根據(jù)車輛所需功率不同，在萬有特性圖上找到最佳熱效率的多個工況點.當(dāng)車輛需要起動發(fā)動機時，盡可能地將發(fā)動機運行工況固定在先前選取的工況點附近，以獲得最大的燃油經(jīng)濟性.但是這種策略的缺點就是發(fā)動機運行工況無法很好地跟隨駕駛員駕駛意圖.無論駕駛員加速還是減速，發(fā)動機的運行工況是相對固定的.還有就是當(dāng)車速比較低時，由于發(fā)動機的高效區(qū)基本上是在中高負(fù)荷中高轉(zhuǎn)速，如果此時需要起動發(fā)動機，那么噪音和震動就會相對比較大，主觀感受會比較差.因此，定點發(fā)電策略多用在商用車或者對整車NVH要求不高的車型上.

功率跟隨策略，顧名思義就是發(fā)動機運行工況跟整車功率需求的變化是類似線性相關(guān)的.駕駛員踩加速踏板加速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷跟著增加；相反，駕駛員減速時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷也隨之減小.這樣做的好處是可以使整車的噪聲振動與舒適性(NVH)得到全面優(yōu)化，類似傳統(tǒng)單純依靠內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛，主觀感受要好于定點發(fā)電式.但該策略的缺點同樣也很明顯，就是發(fā)動機運行在高效區(qū)的時機比較有限，影響整車油耗.

文中所涉及的車型為了更好的兼顧整車NVH性能，犧牲了部分燃油經(jīng)濟性而選取了功率跟隨策略.圖9所示為該車WLTC排放循環(huán)電量保持模式(CS)發(fā)動機實際運行工況點集合.從圖9可以很清楚地得出以下結(jié)論：

1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 200 r/mim附近，橫軸轉(zhuǎn)速不變，縱軸扭矩變化，此區(qū)域是催化器起燃和發(fā)動機暖機、小功率發(fā)電的主要運行工況.

2)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 800 r/mim以前無法工作在熱效率最高的區(qū)域.

3)發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 800 r/mim～3 800 r/mim區(qū)間，可以工作在最低油耗率為240 g/(kW·h)的高效區(qū).

圖9 WLTC排放循環(huán)電量保持模式發(fā)動機運行點

4 結(jié) 論

1)應(yīng)重點關(guān)注和優(yōu)化發(fā)動機冷起動階段的污染物排放.

2)三元催化器選型和實際的催化轉(zhuǎn)化率參數(shù)很重要.在項目之初就要根據(jù)整車配置進(jìn)行催化器選型和測試催化轉(zhuǎn)化率，確保催化器性能.

3)要根據(jù)實際車輛的定位選擇不同的電平衡控制策略，使NVH和整車能耗做到最優(yōu).