鄭 麗，毛雅風(fēng)，劉艷蕾，李 娜

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)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(yán)峻的大背景下，迫切需要開發(fā)出既滿足現(xiàn)實(shí)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(jì)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(dá)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(jī)進(jìn)行了匹配［2］。近年來，寶馬公司開發(fā)了一套發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)上［4］。在第39屆東京車展上，馬自達(dá)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(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能沒有引起足夠的重視，對(duì)怠速停止起動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)研究相對(duì)還比較少?，F(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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)，并對(duì)啟停式發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后的氣量控制、空燃比控制，以及氧傳感器控制進(jìn)行分析，對(duì)相應(yīng)控制進(jìn)行重新標(biāo)定，將排放和油耗控制在最佳水平。對(duì)整車在EUDC循環(huán)工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［7－8］，得出匹配啟停功能的車輛燃油經(jīng)濟(jì)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(biāo)定開發(fā)軟件［9］為某整車廠開發(fā)啟停發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)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(dòng)機(jī)控制單元、增強(qiáng)型起動(dòng)電機(jī)、智能發(fā)電機(jī)、AGM電池、電池傳感器EBS、DC/DC(可選)、起停主開關(guān)和人機(jī)界面、離合器踏板開關(guān)、空擋開關(guān)和制動(dòng)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(shí)驗(yàn)的車型中，采用鎖止式啟停主開關(guān)，因此需要在標(biāo)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(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)主要功能分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)燃油控制

發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)燃油控制主要是通過對(duì)空燃比、進(jìn)氣量、點(diǎn)火角的控制來實(shí)現(xiàn)的，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)氣流量控制圖。筆者主要關(guān)注啟停時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的點(diǎn)火角控制。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)點(diǎn)火角的控制圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)氣流量控制圖

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)點(diǎn)火角的控制

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

試驗(yàn)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(jì)性計(jì)算模型中的停機(jī)時(shí)間計(jì)算式為:

式中:T1為車速等于0 km時(shí)的時(shí)間;T2為由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度過低而禁止的自動(dòng)停機(jī)時(shí)間;T3為車速從自動(dòng)停機(jī)觸發(fā)限值至停穩(wěn)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的停機(jī)觸發(fā)策略，同時(shí)因?yàn)镹EDC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(dòng)停機(jī)的觸發(fā)條件;T4為駕駛員從踩離合器踏板至車輛起動(dòng)的時(shí)間，此時(shí)車速不為0的短時(shí)間片段，又根據(jù)ECU起動(dòng)的觸發(fā)策略，NEDC規(guī)定車輛起動(dòng)前，離合器踏板的操作會(huì)觸動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng);Nstop為自動(dòng)停機(jī)的次數(shù);Tidle為停機(jī)時(shí)間。燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算式為:

式中:nidle為平均怠速轉(zhuǎn)速;Vinj為每次噴射時(shí)的平均進(jìn)氣量;λ為理論空燃比;ρfuel為燃油密度;ρa(bǔ)ir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(jì)算100 km的節(jié)油量;Dnedc為NEDC的理論行駛距離。

對(duì)式(1)中的參數(shù) T1、Nstop進(jìn)行調(diào)整可計(jì)算出ECE工況下的百公里燃油經(jīng)濟(jì)性的提高值，如表2所示。加入T2后作進(jìn)一步地調(diào)整，便可得出在熱機(jī)狀態(tài)下的對(duì)比值，如表3所示。

表2 NEDC工況下啟停系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算值

表3 ECE工況啟停系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步增強(qiáng)，在熱機(jī)狀態(tài)下已超過了10%。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用HORIBA汽車排放分析儀，整個(gè)測試設(shè)備是由轉(zhuǎn)轂、風(fēng)機(jī)、控制程序、尾氣采集及分析儀、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及處理設(shè)備等組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

以國家標(biāo)準(zhǔn)NEDC循環(huán)為試驗(yàn)工況，在排放測試轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行試驗(yàn)。NEDC循環(huán)由4個(gè)城市工況循環(huán)(ECE)和一個(gè)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(yàn)車在靜置間(恒溫)放置不低于8 h，待發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在一定范圍內(nèi)時(shí)將其拖到轉(zhuǎn)轂上進(jìn)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(shí)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(yàn)裝置的布置如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置布置圖

尾氣的采樣精度設(shè)為1 s采一個(gè)點(diǎn)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(gè)溫度測點(diǎn)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(shí)用CAN總線工具CANalyzer測得總線信號(hào)，如車速、節(jié)氣門位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量和瞬時(shí)噴油量等，采樣的頻率設(shè)置成7.82 ms一個(gè)點(diǎn)。

為保證試驗(yàn)中各物理量的同步性，對(duì)各數(shù)據(jù)量的時(shí)間軸進(jìn)行了標(biāo)定，以期達(dá)到各物理量同步。標(biāo)定同步性的方法是使CANalyzer記錄的車速與排放實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)記錄儀記錄的車速在每一時(shí)刻均保持一致，建立兩種數(shù)據(jù)記錄的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 怠速停機(jī)后啟動(dòng)時(shí)空燃比對(duì)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(duì)比，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)為啟停功能關(guān)閉的數(shù)據(jù)，相當(dāng)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(duì)怠速停機(jī)啟動(dòng)的油耗數(shù)據(jù)g/(kW·h)

由表4可知，在基準(zhǔn)空燃比增加0.5的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)時(shí)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(dāng)在水溫為80℃啟動(dòng)時(shí)，基準(zhǔn)空燃比增加1時(shí)前7 s的節(jié)油率為(相對(duì)于按照基準(zhǔn)空燃比的啟動(dòng)):16.71%、9.12%、11.95%、18.45%、16.60%、14.29%、13.30%。同時(shí)也可以看出，對(duì)于同一空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)在水溫為80℃啟動(dòng)時(shí)的油耗明顯小于水溫為50℃時(shí)啟動(dòng)的油耗。由于啟動(dòng)的空燃比已做了重新標(biāo)定，從而需要考慮重新標(biāo)定后的空燃比對(duì)啟動(dòng)的性能是否造成了嚴(yán)重的影響。通過對(duì)啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的記錄，并根據(jù)不同啟動(dòng)空燃比和溫度下所測得的實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，再分析發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間及平順性，可得如圖6所示的啟動(dòng)空燃比修改后對(duì)轉(zhuǎn)速的影響曲線界面圖。其中曲線1為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在50℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線2為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在80℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線3為發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比增加0.5，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在50℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線4為發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比增加0.5，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在80℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線5為發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比增加1，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在50℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線6為發(fā)動(dòng)機(jī)在空燃比增加1，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在80℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線。

圖6 啟動(dòng)空燃比修改后對(duì)轉(zhuǎn)速的影響曲線界面圖

從圖6可以看出，對(duì)于同一空燃比，不同發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下啟動(dòng)以及對(duì)于同一水溫，不同空燃比下啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)時(shí)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(shí)現(xiàn)了在節(jié)油的情形下，保證了整車啟動(dòng)時(shí)的安全性、及時(shí)性和平穩(wěn)性。

3.3.2 進(jìn)氣量對(duì)油耗的影響

關(guān)于進(jìn)氣量對(duì)油耗的影響，筆者也進(jìn)行了4組實(shí)驗(yàn)，不同進(jìn)氣量對(duì)怠速停機(jī)啟動(dòng)的油耗數(shù)據(jù)如表5所示。

啟動(dòng)時(shí)進(jìn)氣量重新標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7

表5 不同進(jìn)氣量對(duì)怠速停機(jī)啟動(dòng)的油耗數(shù)據(jù)g/(kW·h)

所示。圖7中曲線1為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在50℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線2為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始空燃比，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在80℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線3為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始進(jìn)氣量降低20%后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在50℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線;曲線4為發(fā)動(dòng)機(jī)在初始進(jìn)氣量降低20%后，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在80℃時(shí)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線。從圖7中可以看出，進(jìn)氣量降低20%后，無論發(fā)動(dòng)機(jī)在水溫50℃還是80℃啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速的變化、啟動(dòng)時(shí)間，以及啟動(dòng)平順性均與初始進(jìn)氣量啟動(dòng)時(shí)相差不大，從而在節(jié)省燃油的前提下，確保了發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的及時(shí)性、安全性和舒適性。

圖7 啟動(dòng)時(shí)不同進(jìn)氣量對(duì)啟動(dòng)的影響曲線界面圖

根據(jù)以上分析，怠速停機(jī)后啟動(dòng)時(shí)，適當(dāng)降低對(duì)進(jìn)氣量的要求，不僅可以節(jié)省頻繁啟動(dòng)時(shí)的燃油消耗，也保證了啟動(dòng)的安全性。

4 結(jié)論

筆者基于ECE－EUDC循環(huán)工況對(duì)具有怠速停機(jī)功能的整車進(jìn)行開發(fā)。通過分析啟停式發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的節(jié)油因素，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理系統(tǒng)上進(jìn)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(dòng)時(shí)空燃比以及進(jìn)氣量和點(diǎn)火角的模型。通過在轉(zhuǎn)轂上對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明不僅可以保證啟停功能的安全性，還達(dá)到節(jié)油0.4 L/100 km以上的目的。

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