李亮 唐志剛 王佳興 李哲 孫豐山

摘要：針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混合動(dòng)力系統(tǒng)催化器燒蝕問(wèn)題，通過(guò)分析同步采集的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)和混合動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，確定混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配不當(dāng)，引起不合理燃?xì)鈬娚?，是?dǎo)致催化器燒蝕的主要原因。優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集及混合動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)、停機(jī)控制策略，改進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的匹配，能夠有效解決催化器燒蝕問(wèn)題。

Abstract： In view of the melting problem of the catalyst carrier of the natural gas engine matching hybrid power system， the synchronously collected engine data and hybrid power system data are analyzed to identify the cause. It was found that improper hybrid system matching caused unreasonable gas injection. By optimizing the acquisition of engine speed signals and the start and stop control strategies of the hybrid power system， it improves the matching problem of the hybrid power system and the engine. The results show that it can effectively solve the melting problem of catalyst carrier.

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);混合動(dòng)力系統(tǒng);催化器燒蝕

Key words： natural gas engine;hybrid power system;catalyst carrier melting

中圖分類號(hào)：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0044-04

0? 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提升，混合動(dòng)力公交車兼有電動(dòng)車的環(huán)保和傳統(tǒng)燃油車的續(xù)航能力，在整個(gè)公交車市場(chǎng)上扮演著重要的角色[1]?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、種類和策略的多樣性，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)與其匹配的難度，應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生了很多新問(wèn)題。如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)受混動(dòng)高壓電系統(tǒng)干擾，車輛異常熄火;混動(dòng)起停頻繁增壓器故障率高;催化器燒蝕等問(wèn)題。這些問(wèn)題若得不到及時(shí)解決，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和行車安全。本文針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混合動(dòng)力系統(tǒng)催化器燒蝕的問(wèn)題，分析了催化器燒蝕的可能原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1? 燒蝕原因

市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)催化器燒蝕問(wèn)題的車輛幾乎全部為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混合動(dòng)力車輛。其中匹配綠控系統(tǒng)混合動(dòng)力車輛，催化器燒蝕問(wèn)題尤為嚴(yán)重。問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)，催化器外表面發(fā)紅，內(nèi)部燒蝕，甚至排氣管冒火，直接影響行車安全。催化器燒蝕多由缸內(nèi)未燃燒的油氣吸附在催化器上，引發(fā)劇烈燃燒所致[2]。為分析未燃燒的油氣產(chǎn)生原因，本文對(duì)比了同一批次正常以及存在催化器燒蝕問(wèn)題車輛的路譜數(shù)據(jù)和單獨(dú)混動(dòng)系統(tǒng)不同的車輛的路譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)未燃燒的油氣主要由如下原因引起：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)受到電磁干擾，導(dǎo)致異常噴射;混動(dòng)系統(tǒng)ISG電機(jī)倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)異常;混動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)報(bào)文不合理;混動(dòng)系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)方式不合理。

1.1 電磁干擾

混動(dòng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)與高壓電池倉(cāng)距離近，純電動(dòng)運(yùn)行模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)受到高壓系統(tǒng)放電產(chǎn)生的電磁干擾影響，進(jìn)氣歧管壓力數(shù)據(jù)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)并未起動(dòng)，ECU接收到異常的轉(zhuǎn)速信號(hào)，引起節(jié)氣門(mén)打開(kāi)，噴射閥噴氣，由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際并未運(yùn)轉(zhuǎn)，燃?xì)鉄o(wú)法進(jìn)入缸內(nèi)燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)再次正常起動(dòng)時(shí)，燃?xì)庵苯舆M(jìn)入催化器內(nèi)部，如圖1所示。

1.2 倒拖起動(dòng)異常

1.2.1 起動(dòng)異常現(xiàn)象

離合器完全脫開(kāi)，電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算扭矩百分比已達(dá)到最大扭矩的60～70%，但發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速卻在200～400r/min之間波動(dòng)，無(wú)法完成起動(dòng)，存在未燃燃?xì)庵苯舆M(jìn)入催化器，如圖2所示。

1.2.2 倒拖轉(zhuǎn)速偏低

同一批次綠控和伊頓混動(dòng)系統(tǒng)，綠控系統(tǒng)存在起動(dòng)異常的現(xiàn)象。對(duì)比倒拖起動(dòng)正常的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同混動(dòng)系統(tǒng)倒拖扭矩都可達(dá)700N·m、起動(dòng)轉(zhuǎn)速都在500r/min以上，如圖3和圖4所示，而綠控混動(dòng)系統(tǒng)倒拖起動(dòng)異常時(shí)，電機(jī)最大倒拖扭矩低于400N·m，起動(dòng)轉(zhuǎn)速不足350r/min，如圖5所示。倒拖扭矩的大小直接影響倒拖轉(zhuǎn)速，而拖動(dòng)轉(zhuǎn)速的大小是影響發(fā)動(dòng)機(jī)能否正常起動(dòng)的關(guān)鍵因素。

進(jìn)一步分析兩種不同混動(dòng)系統(tǒng)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)速的控制策略，發(fā)現(xiàn)綠控最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速要求為350r/min，而伊頓混動(dòng)系統(tǒng)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)速在500r/min以上。起動(dòng)轉(zhuǎn)速在350r/min附近，起動(dòng)不穩(wěn)定，部分工況有失火風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)催化器燒蝕。

1.3 停機(jī)報(bào)文發(fā)送不合理

在混動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足停機(jī)條件時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)控制器會(huì)向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送停機(jī)報(bào)文，正常情況下停機(jī)報(bào)文的發(fā)送都是持續(xù)到發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后再停止發(fā)送，如伊頓混動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)報(bào)文至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為0r/min，如圖6所示。實(shí)際跟車時(shí)發(fā)現(xiàn)，綠控混動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在50～300r/min范圍內(nèi)，均存在停止發(fā)送停機(jī)報(bào)文的現(xiàn)象。圖7、圖8顯示，在停機(jī)報(bào)文停止發(fā)送后，發(fā)動(dòng)機(jī)重新開(kāi)始噴氣，圖7中由于停機(jī)報(bào)文停止發(fā)送時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏高，在轉(zhuǎn)速降至130r/min左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)，而圖8中由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，慣性力小，發(fā)動(dòng)機(jī)未能起動(dòng)。

顯然，過(guò)早停止發(fā)送停機(jī)報(bào)文，發(fā)動(dòng)機(jī)有低速燃燒不充分的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)催化器燒蝕。

1.4 停機(jī)方式不合理

混動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送停機(jī)報(bào)文指令使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，伊頓混動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)停機(jī)過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)正常供電，而綠控混動(dòng)系統(tǒng)在停機(jī)的同時(shí)斷點(diǎn)火鑰匙電。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，是否斷鑰匙電直接影響氧傳感器的加熱控制方式。斷點(diǎn)火鑰匙停機(jī)后，氧傳感器會(huì)退出加熱，下一次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需重新進(jìn)行加熱，加熱完成前發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于空燃比開(kāi)環(huán)控制，如圖9所示。通過(guò)停機(jī)報(bào)文方式停機(jī)，鑰匙電并未斷開(kāi)，氧傳感器持續(xù)保持加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)再次起動(dòng)會(huì)很快進(jìn)入閉環(huán)控制，空燃比控制精確，扭矩響應(yīng)精準(zhǔn)。

混合動(dòng)力公交車起停頻繁，采用綠控混動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在整個(gè)過(guò)程中基本都處于開(kāi)環(huán)控制，因此燃?xì)鈬娚淞靠刂凭炔睿ぞ仨憫?yīng)不準(zhǔn)確，存在燃燒不充分的風(fēng)險(xiǎn)。

2? 燒蝕解決方案

2.1 提高抗電磁干擾能力

①增加轉(zhuǎn)速濾波，通過(guò)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力界定濾波工況范圍，對(duì)轉(zhuǎn)速上升斜率過(guò)大的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理;

②將無(wú)源磁電式轉(zhuǎn)速傳感器更換為有源霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，增加信號(hào)抗干擾能力，提高轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出準(zhǔn)確性。

2.2 優(yōu)化倒拖邏輯

①提升ISG電機(jī)倒拖起動(dòng)最低轉(zhuǎn)速至500r/min，如圖10所示，確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)，解決偶發(fā)性起動(dòng)異常的問(wèn)題。

②增加ISG電機(jī)連續(xù)倒拖3次失敗，停止倒拖的保護(hù)邏輯，并報(bào)相應(yīng)起動(dòng)故障，有效的保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，確保行車安全。

2.3 優(yōu)化停機(jī)報(bào)文發(fā)送

考慮到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)50r/min以上才開(kāi)始判缸點(diǎn)火，混動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)報(bào)文至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速50r/min以下停止發(fā)送，解決因停機(jī)報(bào)文停止發(fā)送時(shí)間點(diǎn)不合理造成的后燃風(fēng)險(xiǎn)，更改后效果如圖11所示。

2.4 優(yōu)化停機(jī)控制方式

優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制方式，確保混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)報(bào)文時(shí)點(diǎn)火鑰匙不下電。采用新的停機(jī)控制策略，停機(jī)10min中內(nèi)氧傳感器持續(xù)加熱，在此期間再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)將快速進(jìn)入燃?xì)忾]環(huán)控制，空燃比控制精確，扭矩響應(yīng)精準(zhǔn)，滿足城市公交頻繁起動(dòng)使用要求，同時(shí)避免燃?xì)鈬娚洳粶?zhǔn)導(dǎo)致的異常燃燒問(wèn)題，從而保護(hù)催化器不被燒蝕。更改后閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間，如圖12所示。

3? 結(jié)論

本文就天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)匹配混合動(dòng)力催化器燒蝕問(wèn)題進(jìn)行研究，結(jié)合整車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)扭矩、噴射脈寬、進(jìn)氣歧管壓力、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度等參數(shù)對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際工作情況進(jìn)行了深入分析，明確了催化器燒蝕與轉(zhuǎn)速信號(hào)電磁干擾、電機(jī)倒拖起動(dòng)轉(zhuǎn)速不足、過(guò)早停止停機(jī)報(bào)文發(fā)送以及發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制方式不合理等因素有關(guān)。

針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集方式以及混合動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)、停機(jī)控制策略進(jìn)行解決，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)廣泛驗(yàn)證，本文提出的方案能較好地解決市場(chǎng)上混合動(dòng)力系統(tǒng)匹配不當(dāng)所引起的催化器燒蝕問(wèn)題。

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