楊春龍

(菲亞特克萊斯勒動(dòng)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(guó)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)支柱.汽車在提供便利的同時(shí)也造成了巨大的環(huán)境污染問(wèn)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(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要任務(wù).混合動(dòng)力汽車兼具純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)中，增程式或者稱之為串聯(lián)混動(dòng)的架構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn).比如，增程式架構(gòu)布局簡(jiǎn)單；可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)，擁有極好的駕駛性和動(dòng)力響應(yīng)特性.文中以某款增程式混合動(dòng)力乘用車為研究對(duì)象，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)和整車控制策略，使其排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)家六階段排放法規(guī)[3]的要求.

1 車輛

1.1 車輛動(dòng)力總成架構(gòu)及主要參數(shù)

文中所涉及的增程式混合動(dòng)力乘用車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示.該車驅(qū)動(dòng)部分來(lái)自布置在前后軸的兩臺(tái)永磁無(wú)刷電機(jī)，前軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率100 kW,后軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率140 kW.整車控制器可以根據(jù)實(shí)時(shí)的路面情況和駕駛員動(dòng)力需求自動(dòng)分配前后軸電機(jī)扭矩.驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車軸之間通過(guò)一個(gè)固定齒比的單速減速器進(jìn)行連接，無(wú)傳統(tǒng)意義上的多擋位變速器，簡(jiǎn)化了整套動(dòng)力系統(tǒng)的裝配復(fù)雜度，降低了控制難度.發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸之間通過(guò)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(dòng)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(guò)150 km.

圖1 增程式乘用車動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.2 車輛運(yùn)行模式介紹

之所以開(kāi)發(fā)增程式混合動(dòng)力汽車，是為了解決現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車本身存在的諸多問(wèn)題.比如動(dòng)力電池容量有限導(dǎo)致續(xù)航里程短、里程焦慮、無(wú)固定停車位充電不方便、充電時(shí)間長(zhǎng)等.增程式混合動(dòng)力汽車嚴(yán)格來(lái)說(shuō)還是純電驅(qū)動(dòng)的汽車，具有和純電動(dòng)車同樣出色的駕駛體驗(yàn)，只是有了增程器的加持可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做到隨時(shí)隨地補(bǔ)充電能，能夠很大程度消除上面提到的純電動(dòng)汽車的諸多弊端.因此，增程式電動(dòng)車的設(shè)計(jì)初衷是有電時(shí)盡量用動(dòng)力電池存儲(chǔ)的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛，節(jié)能環(huán)保噪音低.只有當(dāng)動(dòng)力電池電量不足或者需要大功率輸出時(shí)，才起動(dòng)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(dòng)力乘用車整車運(yùn)行模式有兩種：增程模式和混合動(dòng)力模式.增程模式優(yōu)先用電，只有當(dāng)動(dòng)力電池SOC低于系統(tǒng)設(shè)置的30%時(shí)才起動(dòng)增程器.同時(shí)，通過(guò)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(dòng)模式是在動(dòng)力電池SOC約60%時(shí)就起動(dòng)增程器，電池保持充足的電量有利于提升整車的動(dòng)力性能.駕駛員可以通過(guò)手動(dòng)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(dòng)機(jī)排放物生成機(jī)理

對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，排出來(lái)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(guó)六排放法規(guī)還對(duì)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(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)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(dòng)階段.

2.2 冷起動(dòng)對(duì)排放的影響

表1是該車型在全球統(tǒng)一的輕型車測(cè)試循環(huán)(WLTC)[3]中各個(gè)階段氣體污染物及總氣體污染物排放結(jié)果統(tǒng)計(jì).結(jié)合前面2.1節(jié)的理論分析和表1實(shí)際的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以很直觀的看出：冷起動(dòng)階段是氣體污染物形成最主要的時(shí)機(jī)，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(shí)際的模態(tài)分布.圖3是將冷起動(dòng)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(jì) 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(dòng)及之后的幾十秒鐘.因此，優(yōu)化排放的重點(diǎn)就是優(yōu)化冷起動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，使油、火、氣3者的配合恰到好處.試驗(yàn)證明冷起動(dòng)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(dòng)減排策略

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

圖3 冷起動(dòng)階段氣體污染物模態(tài)數(shù)據(jù)

冷起動(dòng)階段氣體排放物之所以高，無(wú)外乎以下3種原因：①為了更容易起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦檢測(cè)到冷起動(dòng)時(shí)會(huì)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(wú)法和空氣充分混合從而造成不完全燃燒；②發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電腦軟件邏輯需要專門針對(duì)常溫(20～30 ℃)范圍內(nèi)的起動(dòng)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(huì)造成起動(dòng)困難、失火等不良反應(yīng).圖4是該車型25 ℃冷起動(dòng)時(shí)實(shí)際的空燃比曲線.

針對(duì)冷起動(dòng)階段的空燃比優(yōu)化，首先要在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)后實(shí)際空燃比情況.通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基本上可以得出不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)最濃最稀空燃比范圍

通過(guò)圖4的實(shí)際空燃比曲線可知，該車型在冷起動(dòng)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(dòng)機(jī)有良好的燃燒環(huán)境.如上圖4所示，該車型在起動(dòng)后26 s進(jìn)入閉環(huán)，并及時(shí)將期望空燃比從濃狀態(tài)過(guò)度到理論空燃比.無(wú)數(shù)理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)只有運(yùn)行在理論空燃比附近才可以使排放最好.

圖4 冷起動(dòng)階段空燃比控制

其次，可以通過(guò)增加排氣量、推遲點(diǎn)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(guò)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(guò)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(shí)際應(yīng)用的三元催化器上是沒(méi)有鉑元素的，通過(guò)鈀和銠按照一定的比例進(jìn)行配比來(lái)達(dá)到凈化尾氣的作用.三元催化器剖視圖和實(shí)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(guò)量空氣系數(shù)λ)直接相關(guān).圖6所示為該車型上實(shí)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(kāi)始,轉(zhuǎn)化率成指數(shù)級(jí)上升，到350 ℃及以上溫度時(shí),轉(zhuǎn)化率變得極高.

從發(fā)動(dòng)機(jī)控制角度來(lái)說(shuō)，常溫冷起動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性前提下，盡可能的推遲點(diǎn)火提前角，讓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生后燃，有利于排氣溫度的提升；③增加儲(chǔ)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(dòng)后實(shí)際的催化器床溫上升曲線.

圖8 冷起動(dòng)后催化器床溫變化曲線

如上圖8所示，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)電腦(ECU)主動(dòng)向整車控制器(VCU)發(fā)送暖氣請(qǐng)求，對(duì)應(yīng)上圖8最下面的“催化器起燃標(biāo)志”.VCU收到該請(qǐng)求后,進(jìn)入暖機(jī)運(yùn)行工況.由于該車型發(fā)動(dòng)機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，如果暖機(jī)過(guò)程單純運(yùn)行在怠速工況,那么就會(huì)造成進(jìn)氣流量非常小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速升溫.經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定了以一個(gè)相對(duì)合適的扭矩運(yùn)行.這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)，同時(shí)，還可以將發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)起動(dòng)大約69 s后,ECU請(qǐng)求退出起燃.前面講到，為了使催化器床溫盡快升高，通過(guò)提高轉(zhuǎn)速、推遲點(diǎn)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(lái)說(shuō)都是極其不經(jīng)濟(jì)的，因此,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(shí)退出暖機(jī)工況，讓VCU進(jìn)行正常的扭矩請(qǐng)求來(lái)維持動(dòng)力電池SOC，同時(shí)盡可能的運(yùn)行在發(fā)動(dòng)機(jī)高效率區(qū)間，有利于節(jié)能減排.

3 電量平衡控制策略

國(guó)家環(huán)保部門對(duì)混合動(dòng)力汽車的排放測(cè)試有專門的測(cè)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(dòng)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(dòng)力汽車，因此，所有有關(guān)排放的控制策略和試驗(yàn)方法應(yīng)該和插電式混合動(dòng)力汽車保持一致.前面已經(jīng)提到，該車在動(dòng)力電池SOC較高時(shí)優(yōu)先用電，當(dāng)動(dòng)力電池SOC降低到一定程度時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)補(bǔ)充整車需求能量.國(guó)六排放法規(guī)規(guī)定，當(dāng)車輛運(yùn)行在電量保持模式(CS)時(shí)，排放循環(huán)和能耗循環(huán)始末動(dòng)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(wú)法拿到國(guó)家環(huán)保部門簽發(fā)的排放和能耗合格證書(shū).

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

定點(diǎn)發(fā)電策略主要是根據(jù)所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖，根據(jù)車輛所需功率不同，在萬(wàn)有特性圖上找到最佳熱效率的多個(gè)工況點(diǎn).當(dāng)車輛需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，盡可能地將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況固定在先前選取的工況點(diǎn)附近，以獲得最大的燃油經(jīng)濟(jì)性.但是這種策略的缺點(diǎn)就是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況無(wú)法很好地跟隨駕駛員駕駛意圖.無(wú)論駕駛員加速還是減速，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況是相對(duì)固定的.還有就是當(dāng)車速比較低時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)基本上是在中高負(fù)荷中高轉(zhuǎn)速，如果此時(shí)需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，那么噪音和震動(dòng)就會(huì)相對(duì)比較大，主觀感受會(huì)比較差.因此，定點(diǎn)發(fā)電策略多用在商用車或者對(duì)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(dòng)機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷跟著增加；相反，駕駛員減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)與舒適性(NVH)得到全面優(yōu)化，類似傳統(tǒng)單純依靠?jī)?nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛，主觀感受要好于定點(diǎn)發(fā)電式.但該策略的缺點(diǎn)同樣也很明顯，就是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在高效區(qū)的時(shí)機(jī)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(jì)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(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)集合.從圖9可以很清楚地得出以下結(jié)論：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)暖機(jī)、小功率發(fā)電的主要運(yùn)行工況.

2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 800 r/mim以前無(wú)法工作在熱效率最高的區(qū)域.

3)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

4 結(jié) 論

1)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段的污染物排放.

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

3)要根據(jù)實(shí)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).