（动力机械及工程专业论文）新型电容混合动力汽车起动过程排放控制研究.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 随着全球能源危机的逐渐凸显以及排放法规的日益严格，本世纪 初我国制定并实施了新能源汽车发展规划。新能源汽车是指采用非常 规的车用燃料作为动力来源( 或使用常规的车用燃料但采用新型车载 动力装置) ，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的具 有新技术和结构的汽车。新能源汽车包括燃料电池汽车、混合动力汽 车和纯电动汽车等。其中，混合动力汽车以其最具产业化前景的优势 成为国内外研究的重点，也成为全球金融危机背景下汽车行业复兴计 划的技术制高点。 本文结合国家“8 6 3 ”重大项目“新型电容混合动力轿车整车产 品研发”展开研究，主要进行了三个方面的工作： 首先，阐述了汽车排放污染物的种类及生成机理，介绍了传统汽 车排放控制技术的现状和发展趋势。研究了混合动力汽车发动机起 停工作特性及其对排放控制的影响，分析了混合动力汽车排放控制的 研究方向。 其次，分析了混合动力总成的结构方案及其各部件的技术特性， 利用试验数据绘制了发动机、i s g 电机、超级电容的各种特性曲线和 m a p 图。设计了整车控制策略及其起动模式，并通过台架试验对混 合动力发动机起动过程进行了研究，制定了起动过程中i s g 电机的控 制策略。 i v 江苏大学硕士论文 最后，建立了混合动力起动过程台架试验系统，研究了混合动力 起停过程的排放性能，分析了混合动力整车和发动机主要参数对发 动机起动速度、h c 和n o x 排放的影响规律，重点研究了点火提前角 和发动机冷却水温度对起动过程中h c 排放和催化剂起燃性能的影 响。 本文研究内容可为混合动力整车控制策略及排放后处理方案提供 理论和试验指导。 关键词：汽车，混合动力，起动，排放，控制策略 v 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t 触t h eg l o b a le n e r g yc r i s i sh i g h l i g h t sa n dt h ee m i s s i o nr e g u l a t i o n b e c o m em o r ea n dm o r es t r i n g e n t ，a tt h eb e g i n n i n go ft h i sc e n t u r yc h i n a h a sd r a f t e da n di m p l e m e n t e dac l e a ne n e r g ys t r a t e g yi nt h ea u t oi n d u s t r y c l e a ne n e r g yv e h i c l e sr e f e rt oa u t o m o b i l e su s i n gu n c o n v e n t i o n a lf u e l sa s s o u r c e so fp o w e r ( o ru s i n gc o n v e n t i o n a lf u e l s ，b u tu s i n gn e wp o w e r t r a i n ) ， w h i c hi n t e g r a t ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi np o w e rc o n t r o la n dd r i v ea n dh a v e n o v e ls t r u c t u r e c l e a ne n e r g yv e h i c l e si n c l u d ef u e lc e l lv e h i c l e s ，h y b r i d v e h i c l e sa n de l e c t r i cv e h i c l e s h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) h a v i n g p r o s p e c to fi n d u s t r i a l i z a t i o nt u r n si n t ot h ep r i o r i t yf i e l d so fs t u d ya th o m e a n da b r o a d ，a l s ob e c o m e st h et e c h n i c a lk e yp o i n tt or e v i v ef o r t h e a u t o m o b i l ee n t e r p r i s eg r o u pa tt h eb a c k g r o u n do ft h eg l o b a lf i n a n c i a l c n s l s t h es t u d yo ft h i sp a p e rb a s e do n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f n e w s t y l eu l t r a c a p a c i t o rh y b r i dv e h i c l e w h i c hi s an a t i o n a l8 6 3k e y p r o j e c t ，a n dt h ef o l l o w i n gt h r e ek e ya s p e c t sw e r ed o n e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h et y p e so f v e h i c l ee m i s s i o n p o l l u t a n t sa n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，i n t r o d u c e dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n a n dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h et r a d i t i o n a lv e h i c l ee m i s s i o n sc o n t r o l t e c h n o l o g y , s t u d i e dt h eh e ve n g i n es t a r t s t o po p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n di t si m p a c to ne m i s s i o nc o n t r 0 1 t h er e s e a r c ht o p i c sa n ds t a t u so fh e v e m i s s i o nc o n t r o lw e r ea n a l y z e d s e c o n d ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ev e h i c l e ss t r u c t u r ea n dt h et e c h n i c a l v i 江苏大学硕士论文 c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t s t h em o d e l sr e l a t e dt oe n g i n e w e r eb u i l t t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so ft h ec o m p o n e n t s ( e n g i n e ，i s g m o t o ra n du l t r a c a p a c i t o r ) w e r ed r e w t h ev e h i c l ec o n t r o ls t r a t e g ya n d t h es t a r t i n gm o d e lo fv e h i c l ew a sd e s i g n e d a n dt h eh e ve n g i n es t a r t p r o c e s sw a ss t u d i e do nt h eb e n c h ，ar e a s o n a b l ec o n t r o ls t r a t e g yf o ri s g m o t o rw a sg i v e nb yc o m p a r i n gt e s tr e s u l t f i n a l l y , ab e n c hs y s t e mw a sd e s i g n e dt os i m u l a t et h eh e vs t a r t | s t o pp r o c e s s t h r o u g ht h eb e n c ht e s tt h ee m i s s i o nf e a t u r ed u r i n gs t a r tl s t o pp r o c e s sw a ss t u d i e d i tw a sg i v e nt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h em a i n p a r a m e t e r so fv e h i c l ea n de n g i n eo nt h ee n g i n es t a r tr e v ，h ca n dn o x e m i s s i o n sb ya n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t t h ei n f l u e n c eo ft h ei g n i t i o n a d v a n c ea n g l ea n de n g i n ec o o l a n t t e m p e r a t u r eo nh ce m i s s i o na n d c a t a l y s tl i g h t o f fc h a r a c t e r i s t i cw e r es t u d i e dd e t a i l e d l y t h es t u d yc a np r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r o p t i m i z a t i o n o fh e vc o n t r o l s t r a t e g y a n d p o s t t r e a t m e n tp r o g r a m s s c h e m et oo b t a i ns u p e ru l t r a - l o we m i s s i o n k e yw o r d s ：v e h i c l e ，h y b r i d ，s t a r t ，e m i s s i o n ，c o n t r o ls t r a t e g y i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团 。 学位敝储虢闭娣 2 汐| o 年6 只? 口日 j 荡 r 戤峭 名 月 签 侈 咚 易 教 年 导 。 匕日 h 摊 o 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。j 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 撇文作一：同脚 2 0 细、6 i o 江苏大学硕士论文 1 1 选题背景 第一章绪论 汽车为人类的经济发展和社会进步作出了巨大贡献，但随之带来的石油枯竭 和环境污染等问题日益彰显。研究表明，汽车排放占整个大气污染的5 0 以上， 已经成为大气污染的主要来源【1 】。相关文献显示，世界上空气污染最严重的1 卟 城市中7 个在中国【2 】，国家环保中心预测2 0 1 0 年我国汽车尾气排放将占空气污染 源的6 4 。因此，研制更低能耗、更低排放的新型交通工具对于环境保护具有重 要的意义。 混合动力汽车( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，h e v ) 是目前最具有产业化和 市场化前景的节能车型之一f 3 羽。混合动力汽车的研发起始于上世纪7 0 年代，但 由于计算机、电气、电池及控制水平的制约而发展缓慢，直到9 0 年代才有功能比 较完善的混合动力样车面世。混合动力汽车采用内燃机和电动机作为动力源，既 发扬了传统石油燃料汽车高比功率及续航能力强的长处，又具有节能和低排放的 优点。与传统汽车相比，混合动力汽车的整车控制器可根据车辆的运行工况对发 动机和电机进行控制，使其保持在最佳效率区间运行，同时保证电池具有足够的 电能储备，无须停车充电【6 】。 目前，国外技术上较为成熟的混合动力轿车已经批量生产，并在全球销售。 我国的混合动力轿车的研发起步于2 0 世纪末，2 0 0 1 年我国“十五 已将混合动力 轿车的研发列入国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，各大汽车企业( 集团) 联合高 校开始投入巨资进行混合动力汽车的研发。经过十多年的科技研发，混合动力汽 车技术己逐步成熟。长安、一汽、上汽、奇瑞、比亚迪、吉利等国内汽车企业都 推出了各种混合动力样车。但是，混合动力汽车真正推向市场需要满足各种强制 性法规( 安全、排放、性能等) 的要求，因此混合动力汽车相关技术还需要进一 步深入细致研究。 本文以国家“8 6 3 ”重大项目“新型电容混合动力轿车整车产品开发 为 载体，对混合动力的重要部件发动机、i s g 电机和超级电容进行建模分析，并利 用台架试验研究了新型电容混合动力汽车的起动过程的工作特性和排放性能，优 1 江苏大学硕士论文 化了混合动力汽车起动过程的排放控制策略。该研究对完善整车控制策略、优化 动力总成匹配、降低整车排放及油耗具有重要的意义。 1 2 汽车污染物排放及其生成机理 在我国，乘用车发动机以汽油机为主，此类汽车排放污染物主要包括c o 、 h c 、n o ；、微粒物( 由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物等组成) 和硫化物等。这些 污染物主要通过汽车排气管、曲轴箱和燃油系统排入大气。 1 2 1c o 生成机理 c o 产生的主要原因是发动机燃料的不完全燃烧。当空燃比a f 小于理论空 燃1 ：1 二( 1 4 7 ) 时，c o 的生成量随着空燃比的减小而增多；当空燃比a f 大于1 4 7 时， 由于缸内混合气不均匀、燃烧室内局部区域可能缺氧等同。在发动机起动和怠速 工况时，c o 排放量较大，主要是由于燃烧温度较低，燃料的挥发性和着火性能 差，残余废气稀释所致。 1 2 2i t c 生成机理 h c 生成的主要原因是在燃烧过程中燃料未能燃烧或者未完全燃烧。h c 排放 物主要包括排气排放物、曲轴箱排放物和蒸发排放物。h c 的生成机理主要涉及 以下几个因素： ( 1 ) 失火 失火是由于点火失败或混合气不合适等原因造成的缸内未燃烧现象，是发动 机h c 排放升高的一个主要原因。尤其是冷起动时缸壁温度较低，水蒸气易发生 凝结，润湿火花塞的机会较多，失火发生几率增加。所以要满足严格的排放法规， 首先必须控制冷起动失火的发生【8 】。 ( 2 ) 不完全火焰传播 冷起动时缸内温度较低，液体燃料只有部分蒸发，实际进入缸内的燃料减少。 在某发动机上的试验研究发现，起动首循环的实际缸内过量空气系数只有0 7 7 9 1 ， 所以冷起动工况下大团火焰在传播时容易熄灭。近来研究发现在稳定工作条件下 也有部分火焰熄灭【1 0 1 ，但由此产生的h c 对总体贡献比例不大。c h e n g 等认为稳 2 江苏大学硕士论文 定工况下不完全火焰传播贡献的h c 排放量占总量的比例不大约为总体的5 ，但 同时指出当燃烧条件恶劣时，不完全火焰传播造成大量的h c 排放，因此不完全 火焰传播也是冷起动h c 排放的原因之一【1 1 1 。 ( 3 ) 壁面淬熄 壁面淬熄是指温度较低的燃烧室壁面对火焰的迅速冷却，使活化分子的能力 被吸收，链式反应中断，在壁面形成0 1 o 2 i i l i n 的不燃烧或者不完全燃烧的火焰 淬熄层，从而产生大量未燃的h c 。 ( 4 ) 狭缝效应 狭缝主要指活塞头部、活塞环和气缸壁之间的狭小缝隙、火花塞中心电极的 空隙和火花塞的螺纹、喷油器周围的间隙等处。汽油机工作时总有一些液态油滴 或燃油蒸汽隐藏在这些缝隙中，因火焰无法传入其中而不能燃烧，因此成为未燃 烧h c 的来源之一。 ( 5 ) 壁面油膜和积炭吸附 在进气和压缩过程中，气缸壁面上的润滑油膜，以及沉积在活塞顶部、燃烧 室壁面和进气门、排气门上的多孔性积炭，会吸附未燃混合气和燃料蒸汽，在膨 胀和排气过程中这些吸附的燃料蒸汽随之进入气态的燃烧产物中，这些燃料蒸汽 少部分被氧化，大部分形成h c 随已燃气体排出气缸。 1 2 3n o x 生成机理 n o x 主要成分是n o 和n 0 2 ，而在发动机n o x 排放中n o 占绝大部分。n o 的生 成机理，目前采用的是泽耳多维奇( z c l d o y i c h ) 理论，反应方程式如下： 0 2 马2 d( 1 1 ) o + n o 。马加+ ( 1 2 ) n + 0 2 与们+ d( 1 3 ) 其中反应式( 1 1 ) 、 ( 1 2 ) 、 ( 1 3 ) 主要发生在充量系数西。等于1 附近。 由式( 1 1 ) ( 1 3 ) 可知，n o 的生成与燃烧温度和氧的含量有密切的关系，温度越 高，含氧量越大，越易生成n o 。 ( 1 ) 空燃比觚对n o 。的影响 研究表明：当空燃比揪小时，混合气较浓，燃烧温度和含氧量均较低， 3 江苏大学硕士论文 因此n o 。的生成量较少；空燃比揪大时，混合气较稀，含氧较多，但燃烧产 生的温度较低，产生的n o x 较少；而当空燃比脯在1 6 0 附近时燃烧温度最高且 含氧较高，因而产生了大量的n o x 【1 2 1 。 ( 2 ) 点火时刻对n o x 的影响 增加点火提前角，会提高发动机燃烧温度，从而增j j n n o ，的排放量。因此， 为降低n o x 的排放，可适当减少点火提前角，降低发动机的工作温度，抑s j n o x 的排放。 ( 3 ) 转速对n o ；的影响 在混合气较浓时，转速越高，n o ，的排放量越大；混合气较稀时，转速越高， n o ；的排放量却越低。 ( 4 ) 负荷对n o 。的影响 发动机负荷越大，发动机缸内温度越高，n o ；的排放量越多；而发动机负荷 较小时，残余废气相对较多，发动机缸内温度低，n o x 的排放量较少。 1 3 汽车整车及起动过程排放控制 1 3 1 汽车整车排放控制技术及发展趋势 汽车整车排放控制技术主要分为三类【1 3 】： ( 1 ) 前处理净化技术，即源头法。通过改善燃油品质，或者使用替代能源及 清洁能源，减少燃油中的有害成分。 ( 2 ) 机内净化技术。优化发动机结构，利用先进的计算机及控制技术对进气、 燃油供给、燃烧过程进行精确控制，改进燃烧品质，减少有害污染物的生成；或 者是研制新型汽车动力系统，如开发混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车 以减少内燃机的使用。 ( 3 ) 机外净化技术。改进三元催化转化器性能及结构，提高汽车有害排放污 染物的转化效率，尽量减少有害污染物的排放。 对汽油机而言，采取机内净化和机外净化技术相结合的处理方法，可以使排 放污染物尽可能降到最低，以满足日益严厉的排放法规。汽车排放控制技术的发 展情况如表i 1 所示。 4 江苏大学硕士论文 表1 1 汽车排放技术发展历程 t a b 1 。1t h ed e v e l o p m e n tp r o g r e s so fe m i s s i o n sc o n t r o lt e c h n o l o g y 时间段技术方法 1 9 6 0 、 1 9 7 5 废气再循环系统( e g r ) ，二次空气喷射，曲轴箱强制通风系统。 1 9 7 6 - 一1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 9 5 无触点点火系统，燃油多点喷射技术，使用三元催化转化器( r r w c ) ，使用控 制反馈系统。 发动机电子控制，可变气门正时及升程( r e c ) 以及优化发动机起动过程和改 进催化剂性能等。 进一步优化发动机控制策略，缸内直喷技术( g d i ) ，稀薄燃烧，电预热催 化剂，进行燃油挥发性控制，增加车载故障诊断系统( o b d ) ，停缸技术，均 1 9 9 6 - - 至今 质混合气压燃烧技术( h c c i ) ，低温燃烧技术，发展混合动力及纯电动汽 车等。 目前国际上的汽车排放标准主要分为三大体系，即美国、欧盟和日本排放 标准。其他各国的排放标准基本是参照或者按照这三大体系制定。我国参照的是 欧盟排放标准，欧盟轻型车排放标准各阶段排放限值图如1 1 所示。 图1 1 欧i 标准、欧i v 标准和欧v 标准的排放限制 f i g 1 1e m i s s i o nr e g u l a t i o n sf r o me u r o t oe u r o v 由表1 2 可见，我国轻型车排放标准在法规执行时间正逐步向欧盟排放标准 看齐【1 4 1 。2 0 1 0 年7 月1 日起，我国将实施第四阶段排放标准与欧盟现行排放标准 欧接轨。这就意味着我国排放标准越来越严格，同时也对汽车排放控制技术提 出更高的要求。 5 江苏大学硕士论文 表1 2 欧盟和我国轻型汽车排放标准的实施年份 t a b 1 2t h ei m p l e m e n t a t i o ny e a rf o re ua n dc h i n e s el i g h tv e h i c l ee m i s s i o ns t a n d a r d s 1 3 2 汽车起动过程中的排放特性及控制 欧i 排放标准实施以前，相应的排放测试循环开始之前都有4 0 s 怠速暖机过 程。欧i i i 、欧采用的n e d c 测试循环以及美国的f t p 7 5 测试循环都是从发动 机起动瞬时就开始采样，而5 0 - 8 0 的c o 和h c 是在该过程中产生的【1 5 】。因 此降低汽车的“起动排放”显得尤为重要。 目前降低轿车发动机起动和怠速工况下的排放的先进技术方法主要有如下 几种【1 6 1 ： ( 1 ) 碳氢吸附器 在发动机排气尾管中安装碳氢吸附器以吸附冷起动怠速排出的h c ，当发动 机暖机后h c 脱附。 ( 2 ) 高能点火与二次和多次点火技术 采用二次和多次点火技术可以增大初始火核半径，降低混和气较稀时的失火 概率，从而改善起动和怠速工况h c 丰 f 放。 ( 3 ) 电加热催化器和二次空气联合技术 电加热式催化转化器可以使催化转化器迅速从常温升至3 0 0 。c , - - , 6 0 0 * c 。通常 其要与二次空气泵联合使用以保证有充足的氧气来使c o 和h c 氧化。这种技术极 大地改善了起动工况的排放【1 7 1 。 ( 4 ) 可变气门正时及升程 6 江苏大学硕士论文 通过改变进气凸轮轴和排气凸轮轴的相对角度，使起动怠速时气门重叠角变 化进而使内部e g r 量变化，以便降低c o 和h c 排放，改善发动机起动及怠速排放 水平。 ( 5 ) 二段燃烧与反应式排气管 采用二段燃烧来提高排气温度，提前激活催化剂，使用反应式排气管可使排 气在排气管中滞留，激活与空气的反应，并使二段燃烧膨胀行程后期的燃烧反应 在排气管中继续，加快催化剂的激活。 ( 6 ) 优化催化器布置形式和结构 为了减少排气进入催化器前的热量损失，缩短催化器的起燃时间，在发动机 的排气系统设计时，采用紧耦合型布置形式，将催化器尽可能靠近排气歧管口的 位置布置；同时尽可能使靠近排气口的催化器容量小些。为了更好实现超低排放， 还可以采取两极催化转化器技术，效果更加明显。 1 4 混合动力汽车发动机起停工作特性及其排放 根据混合动力汽车结构参数、控制策略和行驶工况的不同，在行驶过程中发 动机可能需要多次起动停机，因此混合动力汽车发动机相对于传统汽车有更多 的起动次数。 1 4 1 混合动力汽车频繁起停工作特性 以目前已经成功推向市场的混合动力汽车车田p r i u s 和本 e t i n s i g h t 为例，运 行美国f f p 驾驶循环时，丰田p r u i s 发动机有4 6 的时间处于停机状态，本田i n s i g h t 发动机有1 8 的时间处于停机状态【1 8 l 。美国韦恩州立大学对某型并联混合动力汽 车在f u d s ( f e d e r a lu r b a nd r i v i n gs c h e d u l e ) 驾驶循环中发动机起停机次数进行 了仿真估计，结果表明发动机在单个驾驶循环中起停了6 5 次【1 9 1 。本文研究的新 型电容混合动力汽车在n e d c 测试循环下起停次数达到了1 0 次，如图1 2 所示。 这一定程度上反映了发动机的起停工况的研究在混合动力汽车开发过程中的重 要性。 7 江苏大学硕士论文 图1 2 新型电容混合动力n e d c 循环下发动机起停情况 f i g 1 2t h es i t u a t i o no fh e ve n g i n es t a r t s t o pu n d e rn e d c 1 4 2 混合动力汽车频繁起停对排放的影响 基于混合动力汽车工作特性，发动机需要频繁地起动停机，这将对混合动 力汽车的排放产生重大影响。美国阿贡国家试验室对本田i n s i g h t 混合动力汽车 和丰田p r i u s 混合动力汽车进行了起动停机排放测试 2 0 2 1 1 ，结果表明混合动力汽 车发动机在起动和停机时都会出现排放峰值，如图1 3 和图1 4 所示【2 2 1 。 丰田p r i u s 采用的是进气道喷射式的汽油机，所以在起动和停机时存h c 排 放峰值，发动机暖机时峰值减小。本田i n s i g h t 采用缸内直接喷射式汽油机，热 机起动时n o ；峰值比冷机起动时高，排放比冷机时低。由于汽油机起动时空燃 比不能控制在理论空燃比附近，三元催化转化器的转化效率低，不能将排放完全 转化掉，因此需要对混合动力汽车发动机起停过程的排放控制策略进行优化。 发动机起动后空燃比应尽量快速地稳定到理论空燃比附近，同时应避免不完全燃 烧和失火，从而降低排放。然而由于起动过程中空燃比不能进行闭环控制，这就 为混合动力汽车发动机频繁起动过程的排放控制提出了难题。即使采用宽域型氧 8 江苏大学硕士论文 传感器也不能很好地对起动过程的空燃比进行闭环控制。因为氧传感器的时间延 迟使最初的3 7 个循环的空燃比不能得到精确测量【2 l 】。 口 辅 电 喜 蝗 辎 再 a 墨 蜊 磐 图1 3n e d c 循环下丰田p r i u s 混合动力汽车频繁起停排放特性 图1 4 本田i n s i g h t 发动机起动时的h c 和n o 排放特性 f i g 1 4t h eh ca n dn o e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fi n s i g h te n g i n ed u r i n gs t a r tp r o c e s s 混合动力汽车由于频繁的起停发动机，相邻的两次起动之间必然会互相影 响。发动机停机时会有一部分油膜残留在进气道内，当发动机重新起动时对排放 产生影响。对于通常的断电停机来说，总会有2 - 3 个气缸内存在未点燃的混合 气，在发动机重新起动时，这些混合气会被排出气缸形成排放。当采用断油控制 的停机策略后，发动机重新起动时排出的h c 会降低。当发动机再次起动时，进 气歧管油膜如果没有形成，起动初期几个循环会发生失火现象，也会造成h c 排 放升高，当采用快速油膜策略时h c 排放峰值会降低。 对于混合动力汽车来讲，n o ；和h c 的排放量与停机时间的长短有关系。当 停机时间很长时，发动机温度接近环境温度，发动机的起动为冷起动，尾气中只 有极少量的n o 。产生，而h c 的排放量却相对较高；当发动机停机时间较短时， 9 江苏大学硕士论文 发动机温度较高，其起动为热起动，尾气中n o 。的排放量相对较高。n o x 的排 放量取决于停机时间的长短，停机时间越长，发动机的温度越低，产生的n o x 的也就越少。 1 4 3 混合动力汽车的排放控制技术 ( 1 ) 采用先进的排放后处理技术。丰田p r i u s 采用了h c 的吸附系统及两级 催化剂技术，其排放达到了美国加州超低排放标准，几乎接近“零排放”。 、 ( 2 ) 优化整车及发动机控制策略或者采用快速加热系统来改善发动机冷起 动性能，促使发动机快速暖机和保证催化剂在最短的时间内起燃。 ( 3 ) 新一代发动机技术。丰田p r i u s 的发动机应用了高膨胀比的阿特金森循环 ( a t k i n s o nc y c l e ) 取代了常规的奥托循环( o t t oc y c l e ) ，保证在通常驾驶情形 下发动机始终处于最佳燃效状态，大大降低了排放。英国的口公司推出一种新型 混合动力发动机，采用了新的增压技术和转矩助力器。可使c 级轿车装用的涡轮 增压汽油机在提供1 2 5 k w 功率的同时，c 0 2 排放量只有a e 0 9 k m 。 1 4 4 混合动力汽车起停排放控制研究现状 长期以来，混合动力汽车的研究主要集中在结构方案设计、系统集成、参数 匹配、整车控制策略仿真优化、控制器软硬件开发、电机及电池管理等方面。随 着混合动力技术的积累和成熟以及市场的要求，混合动力汽车产业化成为必然趋 势。企业以及高校的科研人员以经济性和排放性为切入点，展开了对混合动力汽 车的新一轮研究。在整车排放控制方面，通过建立和分析混合动力汽车排放的数 学模型，并在试验的基础上对稳态和瞬态的排放进行研究。或者是利用仿真分析 控制策略对混合动力经济性和排放性的影响情况，通过对仿真结果与试验数据的 差异性分析来进行控制策略的优化【2 3 1 。在混合动力发动机起停排放控制环节， 清华大学黄开胜等研究了混合动力汽车起动暖机过程的标定策略，通过对拖动和 暖机工况的空燃比、喷油及点火参数进行重新标定，显著加快了三元催化器的起 燃温度和速度，改善了排放【冽。同济大学梁海波等以及上海通用汽车公司林帆 通过研究n e d c 循环工况下混合动力整车的瞬态排放情况，分析了减速断油及怠 速停机过程中，氧浓度及温度的变化对催化器转化效率的影响规律，对混合动力 1 0 江苏大学硕士论文 起停排放控制策略提供了理论指导瞄；- 6 1 。 1 5 本文工作及研究内容 本文研究内容是国家“8 6 3 计划节能与新能源汽车项目“新型电容混合动 力轿车整车产品开发 研发过程中的一个重要环节。主要内容如下： ( 1 ) 分析了汽车有害污染排放物的生成机理和汽车排放控制的技术手段与 发展趋势，研究了降低混合动力汽车起动过程排放的主要方法，以及汽车频繁起 停对排放的影响规律。 ( 2 ) 对新型电容混合动力汽车主要部件( 发动机、电机、储能装置) 进行 了选型和改装，分析了各部件的主要特性，建立了各主要部件的数学模型，制订 了整车控制策略；通过台架试验，研究了整车的起动模式和起动过程中i s g 电 机的控制策略。 ( 3 ) 通过模拟混合动力发动机的起动过程，分析了拖动转速和发动机的各 主要参数在起动过程中对h c 、n o x 排放的影响规律；研究了点火提前角和冷却 水温度对h c 排放的影响规律，并对起停过程中相关参数进行了优化标定，为整 车和发动机的控制策略提供了试验基础。 江苏夫学碰i 论文 第二章新型电容混合动力汽车结构及部件特性 新型电容混合动力系统采用单轴并联式设计，在发动机和变速器之n j 增加了 起动电机，发电机一体化电机( x s gf e 机) ，用i s g 机代替飞轮与发动机曲轴通过 花键连接，并选用超级电容作为能量储存器。 2 1 新型电容混合动力系统方案 并联式混合动力系统特点：发动机和电机的驱动线路是并行设计的，它们可 以分别单独地或共同驱动车辆。电机能够宴现起动发动机、加速助力、制动能量 回收、给储能装置充电运行等模式。电机的运行模式由控制器根据行驶工况要求 确定。本系统由于电机功率和超级电容功率所限没有纯电动功能。该设计方案咀 上海华普海峰1 j l 轿车动力总成为基础，增加了i s g 电机、超级电容，自主开发 了整车控制器( v c u ) 、发动机控制器( e c u ) 、电机控制器( m c u ) 。此混合动 力方案可以改善整车的燃油经济性和排放，同时在动力性上可以达到18 l 发动机 相应车型的效果。图21 、图22 分别为新型电容混合动力系统结构示意图和总装 围。整车性能参数如表21 所示。 匾圈医巫囱 i 渊! 陋 l ! i ；- = | - l l ： i 压习 囤2 l 新型电容混合动力汽车结构示意图 f i 9 2 1 t h e d i a g r a m m a a cs k e l c ho f p a r a l l e lh y b r i ds y s t e m 江苏大学顿士论文 囤z 2 新型电容混台动力总成总蓑囤 f i g z 2m g e n e r a la s s e m b l ya r a w i a g o f h e v p o w e r t r a l n 袁2 1 整车桂能目标参数 t a b 2 1 l , i y b r i d e l e c t r i c v e l i c l e t e d x n i c a l p a r a m e t e r s 整车性能目标参数 蛀高车速 o - 1 0 0 k m h 加速时问 城市工况( b c e 工况) 5 0 h 仲制动距离( 满载) 5 0 k n 帅韧速槽行距离 捧放标准 1 6 0 k m h 1 1 扛 比j 6 i 车型节油1 5 ：1 2 0 m 巧5 0 m 符合欧以上捧放标准符合e o b d 标准 2 2 新型电容混合动力总成各部件参数 22 1 发动机厦其电控系统 本系统采用的发动机由j l 4 7 9 q a 改进而成，采用了自主开发的可在线标定 电控单元( e c u ) 和电子节气门( e i ) 。根据动力总成设计需要取消了飞轮和 起动电机，并对发动机曲轴、发动机转速信号盘、皮带轮系等机械结构进行了重 新设计布置，其技术参数如表2 2 所示。 江苏大学硕士论文 表2 2 发动机技术参数 t a b 2 2t h ee n g i n et e c h n i c a lp a r a m e t e r 在混合动力系统中由于存在发动机、电池和电机组成的多能源动力总成。传 统的节气门踏板与节气门之间的刚性机械连接方式不能实现动力源之间的功率 分配，因此混合动力发动机必须选用电子节气门，采取柔性连接方式。在柔性连 接方式中，油门踏板的作用仅相当于一个反映驾驶员操纵意图( 转矩需求) 的传 感器，节气门的实际开度由混合动力整车控制器( v c u ) 根据当时的整车状态并 考虑发动机特性以及经过功率分配之后确定，从而保证发动机运行于最佳工况， 达到最佳的经济性和排放性能【韧。 本文研究的系统采用德尔福( d e l p h i ) 电子节气门，该总成由直流无刷电机、 减速齿轮( 传动齿轮、中间齿轮、扇形齿轮) 、回位弹和节气门位置传感器等部件 构成。电子节气门接插件包括六个管脚，分别为两路电子节气门p w m 驱动信号、 两路电子节气门位置反馈信号、5 v 电源和信号地线，图2 3 为该节气门实物图。 e c t 的基本控制原理是发动机控制器通过p w m 信号控制流过节气门直流电机的 电流方向和大小来调节节气门开度，从而改变进气量。对混合动力汽车而言，整 车控制器根据接受到的踏板信号查表得到发动机需要输出的转矩，然后发信号给 发动机控制器( e c u ) ，e c u 自动调整电子节气门开度，满足整车对发动机的转 矩需求，图2 4 为混合动力汽车电子节气门控制逻辑框图。 1 4 江苏大学硕论文 圉2 3 电子节气门实物圈 f i r z 3 t h e p i c t u r e o f e l e c t r o n i c t h r o t t l eb o d y 图2 4 簏合动力汽车电子节气门驱动控啻j 框图呻】 f i g 2 4 d r i v e r c o n t r o ld i a g r a m o f h e ve l e c t r i c t h r o t t l e b o d y i 本系统发动机采用自主开发出的h e 0 9 发动机管理系统( e m s ) ，e m s 主要 出传感器、电控单元( e c u l 和执行器三个部分组成，通过对发动机工作的息速控 制、氧闭环、充气效率、喷油量、点火提前角、减速断油和加速加浓等参数的优 化控制，使发动机的动力性、经济性和排放性最佳。h e 0 9 系统中发动机控制策 略是基于速度密度法测量进入发动机气缸的空气，并据此控制输出相应的喷油 量、点火提前角和电子节气门开度；同时为了满足混合动力整车转矩控制的要求， 增加了发动机转矩估计模型，实现发动机初步的转矩管理控制策略。e m s 的子系 统包括喷油控制系统、点火控制系统、怠速控制系统、燃油蒸发控制系统、e g r 控制系统、增压控制系统、可变进气控制系统、燃油蒸发电控系统、曲轴箱强制 通风电控系统、二次空气喷射系统、车载故障诊断系统( o b d ) 等 蛳。 江苏人学坝i 论文 222 起动电机发电机一体化电机( 1 s g 电机) 混合动力汽车动系统中i s g 电机及其控制系统需具备以下特性：具有低速 大转矩的特性，以保证发动机在冷机状态下快速平稳地起动；宽广的工作速度范 围( 5 0 0 r m i n 6 0 0 0 r r a i n ) ，以满足拖动、能量回收和加速助力的要求可实现 转速及转矩两种拧制模式之间切换；有较高的丁作效率，能够适应高温、涉水等 恶劣的工作条件。本系统i s g 电机采用全浮式计，其主要优点是由刚度较大 的电机壳体承受除转矩外的各种载荷，而这样曲轴仅承受转矩并且其弯曲变形比 原发动机还小。此种方案可以减轻曲轴的负担，延长发动机使用寿命。i s g 电机 实物、技术参数分别如图2 5 、表23 所示。 田2 j i s g 电机妻物图 f i g 2 5 t h ep i c t u r e o f i s g m o o r 表2 3 i s 0 电机及控制系统技术每教 t a b23 t h e t h 晡c 缸p a r a m e t e r s o f i s g m o o ra n d n t r o ls y s t e m 江苏大学硕士论文 2 23 超级电窖o j a r a - c a p a c i t o r ) 超级电容又叫双电层电容器、黄金电容或法拉电容。它是一种电化学元件， 通过极化电解质来储能，但其储能的过程为物理过程，期间并不发生化学反应， 因此这种储能过程是可逆的。因此，超级电容器反复充放电可以达到数十万次， 这个特点在很大程度上提高了储能元件的使用寿命f 删。 超级电容工作特点f 3 1 】： ( 1 ) 超级电容是绿色能源( 物理电池) ，不污染环境。 ( 2 ) 充电速度快。1 0 秒内达到额定容量的9 5 ，同时循环使用寿命长( 约1 0 万次) ，不易损坏。 ( 3 ) 效率高，充放电效率高达9 8 ；化学电池充放电效率为7 0 。 ( 4 ) 超级电容功率密度高( 1 0 0 0 1 0 0 0 0 w k g ) ；化学电池功率密度仅为 ( 3 0 0 w k g ) 。 f 5 ) 超级电容工作温度范围宽( 加7 0 ) ，容量变化小；在温度环境为 御时，铅酸电池电动车续驶里程减少9 0 ，超级电容器只减少1 0 。 ( 6 ) 相对成本低。超级电容器价格只比铅酸电池高1 倍但由于超级电容的 寿命比化学电池高1 0 1 0 0 倍，因此相对成本降低很多。 因此用超级电容作为混台动力汽车的储能装置非常适宜。本系统采用上海奥 威科技超级电容，其实物如图26 所示，性能参数如表2 3 所示。 ，! ：- 二- j 翌壁舅婴塑rj ，二辩、# j 图2 6 超级电容实物图 f i g 2 6 m p i c t u r e o f u l t r a c a p a c a o r 1 7 江苏大学硕士论文 表2 3 超级电容性能参数 t a b 2 3u l t r a - c a p a c i t o rp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 性能指标超级电容器 额定电压( v ) 工作电压范围( v ) 单体标称容量( f ) 最大功率密度( w k g ) 有效功率密度( w k g ) 能量密度( w l l 蚝) 单体电池内阻( m i a ) 额定工作电流( a ) 最大工作电流( a ) 使用温度范围( ) 搁置温度范围( ) 循环寿命 2 3 新型电容混合动力总成部件特性 2 3 1 发动机特性 发动机的工作过程非常复杂，具有显著非线性特性。本文采用试验方法，通 过插值、