曹林 吳順清 楊顯利 王龍宇

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院,長春 130011）

0 引言

2018年6月，生態(tài)環(huán)境部和國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]，2019年排放法規(guī)在重型天然氣汽車產品上率先實施。法規(guī)在天然氣汽車失火監(jiān)測方面，只有“失火會導致催化器損壞”功能監(jiān)測一項要求，主機廠因缺乏細節(jié)指導，解讀各異，因此，失火監(jiān)控策略設計、設計管控都有缺陷。失火標定作為抑制失火的重要一環(huán)，并未考慮重型車車型多、工況多和場景多的復雜性，暴露出源自輕型車失火標定策略和方法上的缺陷，因此需要繼續(xù)改進重型商用車標定策略。

本文聚焦國六天然氣汽車標定兩大核心領域，即廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation,EGR）標定、過量空氣系數（λ）標定。結合重型天然氣車的車型特點和場景特點開展研究，從具體問題入手，制定行之有效的標定策略和方法，形成基于場景的重型天然氣汽車標定技術。

1 研究背景

典型場景包括整車運行在山區(qū)、高原、高寒、高濕地區(qū)。不同場景失火問題都要自身特點，嚴重性各不相同。失火后果具體表現(xiàn)：

（1）輕微失火后，發(fā)動機轉速不穩(wěn)、動力下降、油耗增加、排放惡化。

（2）嚴重失火后，發(fā)動機未燃混合氣進入排氣系統(tǒng)中繼續(xù)燃燒，造成三元催化器高溫失效，甚至燒損。三元催化器高溫失效不可逆，生產企業(yè)和用戶蒙受經濟損失（圖1）。

圖1 催化器燒損后的內部殘渣

2 失火原因分析

發(fā)動機失火原因復雜，在對諸多失火模式分析整理后，確定3種導致發(fā)動機失火的直接原因（圖2）：

圖2 發(fā)動機失火原因分析

（1）點火失??；

（2）EGR率高；

（3）可燃混合氣濃（λ偏濃）。

點火、EGR和可燃混合氣濃度是導致失火背后的深層原因，與發(fā)動機設計、零部件質量和整車標定策略都有關。其中，零部件質量涉及點火線圈、火花塞、EGR閥、加熱型氧傳感器、進氣質量傳感器和噴嘴，覆蓋了發(fā)動機進排氣、燃氣和點火系統(tǒng)。因此，解決零部件故障對抑制失火十分重要。

在“EGR率高”和“可燃混合氣濃”原因分析中，整車標定策略起重要作用。本文結合具體實例，從整車標定策略角度分析“EGR 率高”和“可燃混合氣濃”問題成因和解決方案。

3 EGR標定對失火影響研究

“EGR率高”和重型商用車使用場景復雜有關，針對以下4種場景下失火問題進行研究：

（1）EGR開啟標定對失火影響研究；

（2）抑制高原失火的EGR新策略研究；

（3）抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略研究；

（4）抑制高濕失火的EGR新策略研究。

3.1 EGR開啟標定對失火影響研究

EGR 開啟標定包括延遲標定、速率標定，結果直接影響發(fā)動機瞬態(tài)混合氣混合比，影響發(fā)動機瞬態(tài)性能、失火和爆震。建立有效的標定策略和方法是標定尋優(yōu)的關鍵。

3.1.1 標定方法

首先選取一個工況點：即轉速為1 000 r/min、負荷為35%，研究EGR 開啟延遲和開啟速率的最優(yōu)值，然后研究全轉速范圍內最優(yōu)值。

失火監(jiān)控主要是通過監(jiān)控參考催化器內溫度來實現(xiàn)，在其內部的前、中、后區(qū)域布置9個熱電偶，監(jiān)控不同位置的溫度，標定選取溫度相對穩(wěn)定的第4、5、6測溫點（圖3）。

圖3 催化器內測溫點分布

（1）EGR開啟延遲與失火關系

試驗采集數據（圖4）顯示，從左到右EGR 開啟延遲時間依次：0.5 s、1 s、1.5 s和2 s，隨著延遲時間增加：

圖4 EGR開啟延遲標定數據

·EGR率波動隨EGR開啟延遲縮短而變大：

·延遲時間0.5 s，EGR率波動幅度達到15%；

·延遲時間1.5 s，EGR率波動幅度降為7%。

催化器內中心溫度（4、5、6 測溫點）與EGR 開啟延遲時間關系不大，一直比較穩(wěn)定。

結論：EGR 開啟延遲對失火影響有限，EGR 率變化反應出失火趨勢明顯，但催化器溫度穩(wěn)定，無明顯失火現(xiàn)象。而且，隨著EGR 開啟延遲時間增加，失火減弱，爆震增加。

（2）EGR開啟速率和失火關系

EGR開啟速率用步長（r/step）表示，試驗采集數據（圖5）中，從左到右開啟步長依次為0.04、0.06、0.08和0.1 r/step。隨著步長增加，EGR開啟速率也增加：

圖5 EGR開啟速率標定數據

·催化器中心峰值溫度越高；

·EGR率波動幅度越大；

·失火率增加，在速率為0.1 r/step左右，失火率已接近故障診斷限值。

結論：EGR開啟速率比延遲對失火影響大，開啟速率受失火和爆震邊界的約束，各工況下最優(yōu)值不同。

綜上所述，轉速為1 000 r/min、負荷為35%工況時，EGR參數如下：

·EGR開啟延遲最優(yōu)值為2 s；

·EGR開啟速率最優(yōu)值為0.1 r/step。

（3）全轉速范圍內EGR開啟性能

由于EGR開啟工況在低負荷區(qū)，EGR開啟性能主要與發(fā)動機轉速有關。標定策略設計只考慮發(fā)動機轉速影響。全轉速掃點標定后，得到本車型EGR開啟延遲和EGR開啟速率的最優(yōu)值（圖6）。

圖6 EGR開啟延遲時間和速率最優(yōu)值

3.1.2 標定應用

EGR 開啟性能最主要應用在整車動力性標定中。整車動力性標定要求EGR開啟性能數據，在整車加速、爆震、失火三者之中尋求最優(yōu)值，達成平衡。

（1）改進前，EGR 從a 點進入（圖7），加速過程中，實際進氣負荷低于目標負荷8 kPa，達到目標值時間要12 s，表現(xiàn)為整車動力弱，發(fā)動機有失火現(xiàn)象。

圖7 動力性標定數據

（2）改進后，EGR 進入時間提前，且速率提升，達到目標值時間縮短6 s。整車表現(xiàn)動力充沛，發(fā)動機無失火和無爆震現(xiàn)象（圖7）。

3.2 抑制高原失火的EGR新策略研究

3.2.1 問題描述

重型車在瞬態(tài)工況下負荷變化大，EGR、空氣和燃氣難以實現(xiàn)“三氣”的理論配比，發(fā)動機易發(fā)生失火。特別在高原低氣壓環(huán)境下，進氣壓力上升緩慢，發(fā)動機更易發(fā)生失火。輕型車失火標定策略使用“需求負荷計量實際EGR率”的EGR計量策略，適用負荷變化小、路況單一的車型，不能適用重型車多車型、復雜路和多工況場景（表1），在高原低氣壓環(huán)境下失火問題明顯放大[2]。因此，提高瞬態(tài)下“三氣”的相互跟隨性，是抑制瞬態(tài)失火的關鍵。

表1 重型車和輕型車特征對比

3.2.2 新標定策略和效果

輕型車策略使用在重型車上，瞬態(tài)會出現(xiàn)實際負荷跟隨需求負荷延遲大，進而實際EGR 跟隨需求EGR 有延遲，瞬態(tài)下空氣與EGR 配比失衡，導致失火。

新策略核心是“實際負荷計量實際EGR率”，直接使用進氣負荷傳感器測得實際負荷，以實際負荷為基礎計算實際EGR 率，更接近實際需求量，根本解決瞬態(tài)失火問題（圖8）。

圖8 EGR瞬態(tài)標定新策略

標定策略改進前后，在海拔2 800 m 的高原地區(qū)進行了連續(xù)換擋工況試驗，結果見圖9。

圖9 高原連續(xù)換擋標定數據

原策略下，瞬態(tài)工況下EGR 率異常波動、催化器內部高溫、失火率增加、發(fā)動機轉速劇烈波動，失火情況嚴重。

新策略下，EGR 率波動減小、催化器內部溫度降低、失火率減小、發(fā)動機轉速穩(wěn)定。失火風險降低，具體測試數據如表2所示。

表2 連續(xù)換擋加速數據分析（海拔高度為2 800 m）

3.3 抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略

3.3.1 問題描述

天然氣燃燒產物中水含量多，低溫寢車后，會出現(xiàn)EGR 閥內部結冰現(xiàn)象（圖10）。車輛行駛前要對EGR 閥做化冰處理，化冰后的大量水瞬間激增，車輛加速時發(fā)動機失火風險加大，嚴重影響車輛行車。

圖10 EGR閥低溫結冰

化冰后EGR 閥開啟,水進入氣缸后，失火造成發(fā)動機轉速劇烈波動，并觸發(fā)了失火保護（圖11）。

圖11 EGR閥化冰后失火標定數據

3.3.2 新標定策略和效果

新策略從結冰預防、化冰標定2 方面優(yōu)化升級，提前采取措施降低EGR 閥結冰風險，化冰后采取根據EGR 結冰嚴重程度限制發(fā)動機扭矩輸出、調整監(jiān)控等級措施，保護發(fā)動機安全，保證行車安全（表3）。

表3 EGR化冰失火標定策略

新策略應用后，在不改變EGR 閥布置前提下，環(huán)境溫度高于-25 ℃，EGR閥化冰后發(fā)動機正常運行，方案已實現(xiàn)產品應用。

3.4 抑制高濕失火的EGR新策略

3.4.1 問題描述

在高濕、高熱環(huán)境下，濕熱空氣在中冷器內冷凝，冷凝的水跟隨混合氣進入燃燒室，燃燒過程中也產生大量水，導致出現(xiàn)失火現(xiàn)象[3]。本機型在不同濕度下，額定功率點性能變化如下（圖12）：

圖12 缸壓和放熱率的濕度特征

（1）燃燒重心推遲上止點前2.2°；

（2）燃燒持續(xù)期延長到上止點后2.6°；

（3）循環(huán)變動增加0.7%；

（4）氣缸壓力平均下降12%；

（5）放熱率下降14%。

3.4.2 新標定策略和效果

在海南高濕環(huán)境下失火問題：在環(huán)境溫度為30 ℃、絕對濕度22 g/kg 條件下，穩(wěn)態(tài)行駛發(fā)動機轉速在1 000～1 500 r/min行駛時出現(xiàn)高濕失火現(xiàn)象，發(fā)動機轉速波動幅度超過10%。

新策略將潮濕空氣作為惰性氣體處理。濕度偏大時，適當降低實際EGR率，保持總EGR率不變。降低高濕度下失火風險；濕度降低，實際EGR率再恢復正常。

新策略應用后，試驗采集數據顯示：

（1）環(huán)境溫度為30 ℃；

（2）絕對濕度24 g/kg。

EGR 率減少3.5%，抵消濕度過高的影響，失火消除（圖13）。

圖13 高濕失火標定數據

4 λ標定對失火影響研究

λ偏濃易失火，此時多余甲烷后燃，可能造成催化器失效或燒損。λ偏差標定的要求在±3%內。

4.1 λ偏差成因

λ偏差成因和標定精度、硬件狀態(tài)、環(huán)境溫度和壓力以及天然氣氣質差異因素有關。整理分析相關失火問題后，確定λ偏差的7方面主要原因：

（1）瞬態(tài)油量偏差；

（2）進氣模型偏差；

（3）噴嘴流量偏差；

（4）開環(huán)標定偏差；

（5）緩沖罐泄漏；

（6）點火系統(tǒng)故障；

（7）傳感器故障。

4.2 怠速開環(huán)標定

4.2.1 問題描述

開環(huán)標定偏差，主要在冷起動后的怠速工況。發(fā)動機起動后，氧傳感器在露點達到溫度前的工作，稱為λ開環(huán)工作，環(huán)境溫度越低開環(huán)時間越長。此時，進氣溫度低、機油粘度大、附件阻力大，無油量閉環(huán)修正的λ值，極易出現(xiàn)偏差[4]。

怠速開環(huán)的基礎標定在熱機下完成，核心標定工作是確認λ失火邊界。

4.2.2 熱機怠速λ開環(huán)標定

（1）λ失火邊界評估

怠速工況最直接評估λ值合理性的參量是催化器內部溫度和發(fā)動機轉速變化率，可作為λ邊界的評價指標（表4）。

表4 熱機怠速λ邊界評價指標

（2）λ邊界標定

當λ<1 時，順序設定λ為1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75。

當λ>1時，順序設定λ為1.05、1.1、1.15、1.2、1.25。

當λ<1時，隨著λ濃度升高，催化器溫度急劇上升，當達到λ達0.75時，溫度升至800 ℃，超過催化器失效溫度，失火趨勢加劇。

λ>1，隨著λ濃度減稀，催化器內部溫度平穩(wěn)，由于天然氣機λ稀燃邊界約為1.57，λ裕度充足，怠速可適當偏稀，對催化器安全和發(fā)動機氣耗都有益處（圖14）。

圖14 怠速λ邊界標定試驗采集曲線

在熱機怠速工況下，λ與轉速波動和催化器溫度的統(tǒng)計曲線見圖15。

圖15 怠速λ與評價指標

分析λ、催化器溫度、發(fā)動機波動后，熱機怠速λ為0.97～1.04，發(fā)動機無失火，運行平穩(wěn)安全。

4.2.3 暖機怠速λ開環(huán)標定

（1）λ標定難點

·暖機發(fā)動機摩擦扭矩不斷變化；

·暖機轉速逐步減??；

·大排量發(fā)動機怠速各缸燃燒循環(huán)變動大；

·燃氣、點火硬件一致性差異。

以上因素疊加，暖機比熱機標定難度大。暖機開環(huán)標定要借助λ計量設備，時時監(jiān)控開環(huán)λ變化值。

（2）λ邊界標定

·暖機怠速催化器溫度邊界與熱機相同；

·暖機轉速波動a，隨著環(huán)境溫度降低，要適當放寬2%～5%。

環(huán)境溫度-10 ℃時，λ開環(huán)到閉環(huán)全過程怠速試驗采集曲線見圖16。

圖16 怠速標定采集曲線（-10 ℃）

從試驗采集曲線看出，開環(huán)到閉環(huán)λ值過渡平穩(wěn)，閉環(huán)時刻自學習斜率>0.95，截距系數<0.05。過渡過程穩(wěn)定無失火，按照暖機怠速邊界要求，確定暖機怠速的開環(huán)λ值范圍是0.95～1.08，發(fā)動機運行正常，無失火，滿足工程目標要求。

5 結束語

本文基于實際天然氣汽車失火問題展開研究，圍繞問題涉及的國六失火標定技術短板深入分析，提出解決方案，效果明顯，已完成技術落地，實現(xiàn)產品應用。本文涉及的失火技術具有普遍代表性，對解決類似車型失火問題具有借鑒意義。