（动力机械及工程专业论文）混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位做作者签名闰7 童表 l1 年6 月f 弓日 指导教师签名： 溯| 年6 月多日 0 日 ，仁匕口动力汽车起停工况瞬态排放特性与 优化控制策略 t r a n s i e n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n do p t i m i z e dc o n t r o l s t r a t e g yo fah y b r i de l e c t r i cv e h i c l eo i ls t a n | s t o pc o n d i t i o n 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 对于进气道喷射式汽油发动机起动过程的排放问题的研究一直在进行，参数 多变性、非线性、时滞性是其固有瞬态特征。对于混合动力汽车用汽油机，起动 过程是由起动发电一体化电机( i s g ) 快速拖动发动机至高于或等于其怠速转速， 然后进行喷油点火，因此起动过程瞬态特性将更为突出，这对以频繁起停为节油 措施的混合动力汽车排放控制提出了新的挑战。本文在“8 6 3 计划“节能与新 能源汽车 重大项目“新型电容混合动力轿车整车产品研发 的资助下，通 过工况模拟的方式对混合动力汽车汽油发动机起停过程的瞬态排放特性进行了 实验研究，并提出了优化控制策略。 首先，设计了模拟混合动力汽油机快速拖动起动过程的实验平台，主要包括 以伺服电机为平台的i s g 电机模拟系统、碳氢和氮氧化物瞬态排放测试系统、发 动机控制器标定系统以及试验数据采集系统。 其次，本文以实验研究的方式从电机拖动转速、气缸压力、进气控制、喷油 控制以及点火正时等方面对电驱动发动机和传统发动机的进行了对比分析。并针 对混合动力汽车怠速停机、减速断油及停机重起动等典型工况的排放特性进行了 定性分析。 再次，根据控制起动过程瞬态排放的要求，在试验对比分析不同三效催化转 化器工作特性的基础上，对紧耦合式双级混合动力专用三效催化器进行了优化， 对其工作特性和转化机理进行了研究。在起动过程控制策略上通过混合气偏稀燃 烧、推迟点火和提高怠速转速的方式实现了三效催化转化器的快速起燃。 最后，转鼓排放实验表明，通过上述工作，整车排放指标已经完全达到了国 四排放规定的要求。 关键词：混合动力汽车发动机起停工况排放特性控制策略 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 江苏大学硕士学位论文 t h es t u d yo nt h ee m i s s i o nb e h a v i o ro fp o r tf u e li n j e c t e d ( p f i ) g a s o l i n ee n g i n e h a sl o n gb e e nc o n d u c t e d p a r a m e t e rv a r i e t y n o n l i n e a r i t ya n d h y s t e r e s i sa r ei t si n h e r e n t t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s i nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e y ) a p p l i c a t i o n ，t h ep f ie n g i n e i sc r a n k e db yt h ei n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ( i s g ) s y s t e mw i t hs p e e dt h a ti sh i g h e r t h a no r e q u a lt o t h ee n g i n e s i d l i n gs p e e d ，t h e ns t a r t i n gi n j e c t i o na n di g n i t i o n t h e r e f o r e ，t h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gr a p i ds t a r t i n gp r o c e s so fe n g i n eb e c o m e m u c hm o r ep r o m i n e n t e n g i n eo f fi ni d l i n g ，w h i c hl e a d st o 仃e q u e n t l ys t a r t s t o pt h e e n g i n e ，c a l lb ea ne f f e c t i v ew a yf o rf u e l - s a v i n g ，b u te m i s s i o nc o n t r o ld u r i n gt h i s c o n d i t i o nm a y b ean e w c h a l l e n g e t h i st h e s i s ，g r a n t e db yt h e “8 6 3 ”h i g h - t e c hp r o g r a m “e n e r g ys a v i n ga n dn e we n e r g yv e h i c l e s ，一- 叮h ed e v e l o p m e n to fan e wt y p e d u l t r a - c a p a c i t yb a s e dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ”，h a sc a r d e do u te x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t r a n s i e n te m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rs i m u l a t e ds t a r t s t o pc o n d i t i o no fap f i e n g i n e a n ds o m eo p t i m i z e de m i s s i o nc o n t r o ls t r a t e g i e sh a v eb e e np o i n t e do u t f i r s t l y , at e s tb e n c hu s e dt os i m u l a t et h eh i g h - s p e e dc r a n k i n gp r o c e s so ft h e h y b r i de n g i n eh a sb e e ni n t r o d u c e dw h i c hc o n s i s t e do ft h r e ep a r t s ：t h es i m u l a t i n g s y s t e mo fi s gb a s e do nas e r v e rm o t o r t h et r a n s i e n th ca n dn o xe m i s s i o nt e s t i n g s y s t e ma n dt h ec a l i b r a t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fh y b r i de n g i n ec o n t r o lu n i t ( e c u ) i n t e r a c t e dv i ac a n b u s s e c o n d l y , t h ec r a n k i n gs p e e d ，t h ei n c y l i n d e rp r e s s u r e ，t h ea i ri n t a k e ，t h ef u e l i n j e c t i o na n dt h ei g n i t i o nt i m i n ge t c ，w e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e dw i t ht r a d i t i o n a l e n g i n ec a s eb yc a s e q u a l i t a t i v ea n a l y s i so fe m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o c u s e do ns o m e t y p i c a lc o n d i t i o nl i k ee n g i n eo f fi ni d l i n g ，d e c e l e r a t i o nf u e lc u to f f ( d f c o ) a n d r e s t a r t i n gw e r ea l s oc a r d e do u t t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft r a n s i e n te m i s s i o nc o n t r o li nh e v a p p l i c a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yo fad e d i c a t e dt w o - s t a g et h r e e w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e r c ) f o rh e vw a ss t u d i e db ym e a n so ft h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t r a d i t i o n a lt w co nw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s m l e a n b u r n i n gd u r i n gc r a n k i n ga n ds t a r t i n gp r o c e s s ，r e t a r d i n gi g n i t i o na n di m p r o v i n gt h e i d l i n gs p e e dc a nr e a l i z et om a k et h et w cl i g h t i n go f fm o r eq u i c k l ys oa st or e d u c et h e e m i s s i o no fh e vu n d e rs t a r t s t o pc o n d i t i o n l a s t l y , a c c o r d i n gt od r u me m i s s i o nt e s tr e s u l t ，、) l r i mt h ew o r km e n t i o n e da b o v e ， i 混合动力汽车起停- r ) j l 瞬态排放特性与优化控制策略 t h ev e h i c l ee m i s s i o nb e h a v i o rh a sa l r e a d ym e tt h er e q u i r e m e n to fs t a t e e m i s s i o n r e g u l a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ee n g i n es t a r t s t o p c o n d i t i o ne m i s s i o n i v c h a r a c t e r i s t i c s c o n t r o ls t r a t e g y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 目录 l 弓l 。言1 i s g 型混合动力总成结构与功能。2 电驱动发动机快速起动停机工作特性4 1 3 1 怠速停机对燃油经济性的影响。4 1 3 2 发动机快速拖动起动过程燃烧特性5 1 3 3 混合动力汽车起停排放特性5 1 3 4 发动机快速起动过程的噪声振动与驾驶舒适性7 1 3 5频繁起停对发动机工作寿命的影响8 传统三效催化转化器在混合动力工况下的工作特性8 课题背景与研究意义9 1 5 1 课题来源9 1 5 2 本文研究内容。1 0 本章小结。1 0 汽油机快速起停过程瞬态排放测试与标定平台设计u 弓i 一言1 1 快速起动过程试验台架设计1 1 伺服电机模拟系统1 2 瞬态排放测试系统1 3 2 4 1瞬态碳氢排放测试( 皿f r 5 0 0 ) 1 3 2 4 2 瞬态氮氧化物排放测试( f n o x 4 0 0 ) 1 4 混合动力发动机控制器介绍1 4 2 5 1混合动力发动机控制器硬件构架1 4 2 5 2 混合动力发动机控制器功能1 5 混合动力发动机控制器标定软件开发。1 6 2 6 1 基于c a n 总线的k w p 2 0 0 0 协议1 6 2 6 2 协议数据单元( p d u ) 描述及映射关系1 7 2 6 3 标定协议1 9 v 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 2 7 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 2 6 4 标定软件开发2 0 2 6 5 数据采集平台2 3 本章小结2 4 汽油机快速起停过程瞬态燃烧与排放特性 弓i 言：1 5 电驱动汽油机起动工况瞬态燃烧特性。2 5 3 2 1 拖动转速对起动时间的影响2 5 3 2 2 不同拖动转速的气缸压力2 7 3 2 3 进气控制对起动过程的影响2 8 3 2 4 喷油控制3 0 3 2 5 点火正时3 2 汽油机快速起动过程瞬态排放特性3 3 3 3 1 瞬态碳氢排放特性3 3 3 3 2 瞬态氮氧化物排放特性3 5 重起动工况瞬态排放分析3 6 3 4 1 减速断油工况瞬态排放。3 6 3 4 2 怠速停机工况瞬态排放3 9 本章小结4 2 混合动力汽车专用三效催化器快速起燃策略4 4 4 1 弓i 言l z i 4 2 三效催化转化器工作特性4 4 4 2 1 三效催化转化器作用机理。4 4 4 2 2 不同催化器性能对比试验4 6 4 2 3 汽油机冷起动排放后处理技术4 7 4 2 4 混合动力专用催化器设计4 8 4 3 三效催化转化器快速起燃控制策略4 9 4 3 1 推迟点火控制策略4 9 4 3 2 点火正时对瞬态碳氢排放的影响5 1 4 3 3 点火正时对瞬态氮氧化物排放的影响5 4 4 3 4 提高怠速转速5 5 4 3 5 偏稀燃烧控制策略5 5 江苏大学硕士学位论文 4 4 4 5 4 6 第五章 5 1 5 2 致谢 参考文献 混合动力汽车专用三效催化器工作特性5 7 4 4 1 双级三效催化转化器温度及排放转化特性。5 7 4 4 3 保护三效催化器控制策略6 0 整车转毂排放试验6 1 本章小结6 2 总结与展望6 3 总结6 3 不足与展望6 5 攻读硕士学位期间主持与参加的科研项目 攻读硕士学位期间发表的学术论文。 攻读硕士学位期间获得的奖励 6 6 6 7 7 1 7 2 7 3 v 的可持续发展。据统计，2 0 0 7 年，我国汽车燃油消耗约9 5 0 0 万吨，占石油消耗的 2 8 ，同年我国进口石油及产品超过1 8 亿吨，石油对外依存度达4 6 ，到2 0 2 0 年，汽车消耗的能源将占到石油总量的5 0 以上，届时石油对外依存度将超过6 0 。 联合国开发计划署发布的中国人类发展报告指出，目f ； 全球2 0 个环境污染最 严重的城市，中国占1 6 个【2 】。环境污染不仅导致高昂的经济成本和环境成本，也 对公众健康构成危害，使我国全面建设小康社会对环境的要求面临巨大挑战。在 2 0 0 9 年召开的“哥本哈根会议 上，作为京都议订书的签约国中国，更 是率先向世界庄严承诺“到2 0 2 0 年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2 0 0 5 年 下降4 0 4 5 网。为了改善生存环境，遏制大气环境状况的进一步恶化，几乎 所有的工业国家都制定了污染物排放量控制标准( 简称“排放标准 ) 以限制汽车 的排气污染。由于各个国家政治、经济和技术的发展水平不同，采用的排放标准 也不相同。对于汽车的排放标准，主要分为轻型汽车( 含轿车) 和重型汽车两类。 目前，世界上实行的排放标准主要有美国、欧洲和日本三大体系，而其中美国和 欧洲的排放体系为各国广泛引用，中国采用的就是欧洲排放标准体系【4 】，见表1 1 。 针对我国实际情况，我国政府已制定了汽车排放的控制目标：2 0 0 0 年达到欧洲9 0 代初期水平，2 0 0 4 年达到欧洲9 0 年代中后期水平，2 0 1 0 年实现与国际水平同步， 这对我国汽车工业将是一个巨大的技术挑战，开发低能耗、燃油效率高、低排放 甚至是零排放的汽车是大势所趋。 从长远看，燃料电池汽车和纯电动汽车将是最终的车用动力解决方案，但目 前燃料电池、动力电池价格过于昂贵、技术尚未完全成熟、配套基础设施缺乏， 在我国大规模的商业化应用存在诸多障碍嘲。比较而言，混合动力汽车技术相对成 熟，在可预见的未来能够实现产业化，而市场规模的扩大以及国产化程度的提高 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 也会降低混合动力汽车的成本。在过去的十年间，我国自主品牌，如吉利、奇瑞、 长安等，在混合动力汽车技术上已有了长足的进步，但也应看到一些关键核心技 术与国外先进水平仍存在较大差距，针对混合动力汽车的应用基础研究还相对缺 乏。 表1 1 轻型汽油车排放限值及实施日期( e , k m ) t a b 1 1l i g h tg a s o l i n ev e h i c l ee m i s s i o n sl i m i t i n gv a l u ea n di m p l e m e n t a t i o nd a t e ( g k i n ) 1 2is g 型混合动力总成结构与功能 起动发电一体化电机( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r , i s g ) 广泛应用于弱混和中 混混合动力汽车，属于并联方式网。其它类似原理方案包括i m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t a n c e ) ，i s a ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r ) ，b s g ( b e l ts t a r t e rg e n e r a t o r ) 等。 单轴并联方案主要是指发动机和辅助电机( 电动机发电机) 在一根联接轴上进行 转矩合成的混合方式，大功率的电机将代替传统的起动电机和发电机。这种方式 结构简单，系统集成度高，是极具市场潜力的混合方式。 图1 1 单轴并联混合动力系统结构示意图 f i g 1 1t h ec h a r to fs i n g l ea x l ep a r a l l e lh y b r i dp o w e r t m i ns y s t e m 本课题所研究的混合动力方案，集成进气道喷射式( p f i ) 汽油发动机、i s g 电机和双离合器等部件，选用超级电容作为能量储存器，使发动机实现快速起动、 工作点集中在经济区，回收部分制动能量等功能。从而可以提高整车低速转矩， 优化整车的运行工况，使整车排放达到欧标准，整车燃油消耗降低1 5 。2 0 。 图1 1 是单轴并联混合动力系统结构示意图。 2 江苏大学硕士学位论文 此方案是将盘式一体化起动机发电机直接安装在发动机曲轴输出端，电机转 与曲轴通过花键连接，取代了飞轮以及原有的起动机和发电机，i s g 电机作为汽 的辅助动力源。该系统可以实现发动机快速起停、电动助力、高效大功率电能 出和再生制动能量回收等功能。此混合动力方案可以改善整车的燃油效率和排 性能，又可提高整车的动力性，i s g 电机还可以作为有源飞轮实现发动机曲轴的 动减震。通过对发动机、i s g 电机、超级电容等零部件的机械和电控系统的优化 配，可以实现混合动力轿车的各个功能模块： ( 1 ) 快速起动及怠速停车 当车辆起步时，i s g 电机在短时间内( 通常为0 1 0 2 秒) 将发动机拖转到喷 油转速( 发动机首次喷油时的转速，可为8 0 0r m i n 及以上) ，发动机开始进行燃油 喷射。由于发动机转速高、惯性力大、需要的加浓燃油量比较小，燃烧室内混合 气温度也较高，发动机更容易着火，排放也有比较好的改善。当汽车遇到红灯时， 发动机会切断供油( 断油停机) ，让发动机停止运行，同时i s g 电机也停止工作， 需要起步时，i s g 电机在短时间内完成起步工况阴。 ( 2 ) 加速助力 当汽车加速时，i s g 电机提供一部分辅助功率，由于电机的转矩输出响应快， 瞬间提供的转矩大，因此适合城市频繁加速工况，通过电机提供的瞬时转矩，提 高发动机瞬态工况的动力性。 ( 3 ) 运行充电 混合动力起动工况下，i s g 电机拖动转矩大，母线瞬间电流高达2 8 0 a ，超级电 容的能量损耗很大，若此时超级电容的电压下降至最低充电门限时，混合动力进 入怠速充电模式，i s g 电机对电容进行小转矩充电，维持超级电容的电压平衡。 在行驶过程中，当超级电容电压低于最低充电电压门限时，为了维持超级电 容的电压平衡，优先对超级电容充电。当发动机处于低速、小负荷工况时，发动 机燃烧效率低、比油耗高，为了改善发动机在小负荷时的工作特性，应尽量让发 动机工作在比较经济高效的区域，所以通过i s g 电机对超级电容进行充电提升发动 机工作区域。 ( 4 ) 制动能量回收 汽车处于减速或制动工况时，根据车速、加速踏板以及刹车踏板信号，判断 整车处于减速制动工况，电机对超级电容进行充电，实现制动能量回收。 3 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 1 3电驱动发动机快速起动停机工作特性 对于不同的交通路况，轻中混型混合动力汽车需不同程度的频繁停机并重新 起动发动机。美国w a y n es t a t e 大学对并联混合动力汽车在f u d s ( f e d e r a lu r b a n d r i v i n gs c h e d u l e ) 驾驶循环中发动机起动停机( 以下简称“起停 ) 次数进行仿 真估计，结果表明发动机在单个驾驶循环中被起动了6 5 次 8 1 。这一定程度上反映 了发动机的起停工况在混合动力汽车工况中的频繁性。起停工况可以被看作是混 合动力汽车发动机特有的一种瞬态工况。发动机起动过程中转速和负荷回发生剧 烈变化，控制策略及其复杂，对整车性能会产生重要影响。根据文献报导 9 - 1 6 1 ，目 前关于混合动力汽车发动机起停的研究主要有：燃油经济性综合评估、排放控制、 车辆驾驶性和舒适性优化。 1 3 1怠速停机对燃油经济性的影响 对于混合动力汽车来说，取消怠速工况可以减少燃油消耗并降低排放，然而 对于整车燃油经济性的评价还需要考虑其它的诸多因素。发动机起动并达到稳定 的过程本身是油耗恶化的过程，起动时电机消耗的能量也应折算成等效油耗。此 外，在发动机停机时为保证其它部件正常工作所消耗的能量( 如保持变速箱油压 等) 也应折算成等效油耗量加于考虑并进行综合评价。 日本k o g a k u i n 大学的m o r i t a k a t g l 提出了一个怠速停机对整车燃油经济性影响 的评价公式，如公式( 1 1 ) 所示。 只= 瓦一( & + s 3 ) 虬 ( 1 1 ) 其中：只为整车节省的燃油量；i 为发动机正常怠速的耗油量；正。为怠速停机时 间；是为重起所需的额外功；s 3 为起动时电池供电对应的燃油消耗量；m 。为怠速 停机的频率。 在不同路况以及不同怠速停机频繁程度情况下对整车的燃油经济性进行了评 价，结果表明单位距离内停机频率升高将会提高经济性。但是无效的怠速停机( 停 机时间小于7 秒) 频率升高将使燃油经济性恶化。因此，在制定整车控制策略时 应对起停过程的燃油经济性进行综合考虑，这一点对于中强度和强度混合动力汽 车尤为重要，因为强混合动力汽车发动机停机次数更多，单次停机时间也较短。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 发动机快速拖动起动过程燃烧特性 普通汽车发动机起动时的拖动转速在2 0 0r m i n 左右，而混合动力汽车起动时， 拖动发动机的转速比较高，首循环着火时可达8 0 0r r a i n 以上，因此，混合动力汽 车发动机燃烧开始的几个循环与普通汽车存在很大不同。发动机最初几个循环特 别是首循环的燃烧对启动过程后续阶段的燃烧有很大的影响，因此对于混合动力 汽车发动机来讲，拖动和起动过程的控制优化极为重要。b r i g i t t em c a s t a i n g o 】等 对进气道喷射式汽油机拖动和起动过程中喷油策略对排放和发动机稳定性的影响 进行了研究。发动机首循环燃烧时由于转速较低，相对于曲轴转角燃烧速度较快， 因此点火时刻通常在上止点后。当首循环着火时的转速升高时，平均有效压力也 升高了，意味着燃烧更稳定。因此采用较高转速拖动起动时，首循环的燃烧控制 需要重新进行标定以保证可靠平稳的起动。h a l i ms a n t o s o t l l l 等对汽油机拖动过程 及其对首循环燃烧的影响进行了研究。当拖动转速从3 0 0r m i n 升高到9 0 0r m i n 时，随着拖动转速的升高，首循环h c 排放降低。此外，当拖动转速较高时，虽然 改善了燃油雾化，促进了混合气的形成，但由于进气道压力低，充气效率下降， 实际进入气缸内的燃油占总喷油量的比例反而下降。因此，混合动力汽车发动机 起动时的首循环控制策略需要重新进行标定优化，以实现发动机在起动初期的可 靠燃烧。 1 3 3 混合动力汽车起停排放特性 图1 2 为某款混合动力汽车在n e d c 工况下的排放累计分布图蚴。从图中可 以看出，约8 0 的n o x 、约6 0 的h c 和约5 0 的c o 来自于工况循环的前2 0 0 s ， 其中相当主要的一部分来自于冷起动过程。 发动机的起动过程是一个高度瞬态的过程。对于进气道喷射式的汽油机，起 动时发动机转速、进气道压力都在急剧变化，进气道内油膜动态平衡破坏，燃烧 恶化，排放增加。当发动机停机时，进气道内的油膜也会进入排气系统形成排放。 美国a r g o n n e 国家实验室对t o y o t a 混合动力汽车p r i u s 和h o n d a 混合动力汽 车h l s i g h t 进行了起动停机排放测试，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嗍，如图1 3 所示。由于p r i u s 采用的是进气道喷射式的汽油 机，因此在起动和停机时存在h c 排放峰值，发动机热机时峰值减小。i n s i g h t 采用 的是缸内直接喷射式汽油机，热机起动时n o x 峰值比冷机起动时高，h c 排放比冷 s 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 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，即便是热机起动 三效催化剂起燃的情况下，由于转化效率低，也不能将排放完全转化掉，所以需 要对混合动力汽车发动机起动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，同时应避免不完全燃烧和失火，从而降低排 放。然而，由于起动过程的空燃比不能进行闭环控制，这就为混合动力汽车发动 机频繁热机起动过程的排放控制提出了难题。即便采用宽域型氧传感器( u n i v e r s a l e x h a u s tg a so x y g e ns e n s o r ，u e g o ) ，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。 6 喜 糍 图1 2i s g 型混合动力汽车典型工况排放积累量示意图蚴 f 追1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fi s gt y p e dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l eo nt y p i c a lr o a dc o n d i t i o n o z 图1 3 混合动力频繁起停的排放模态数据 f 追1 3h y b r i df r e q u e n ts t a r t i n g s t o p p i n ge m i s s i o nm o d ed a t a 江苏大学硕士学位论文 1 3 4 发动机快速起动过程的噪声振动与驾驶舒适性 在发动机起动和停机的时候，如果其振动得不到适当的控制，驾驶员将会感 觉到汽车非期望的运动。在起动时，驾驶员通常能感觉到的振动分为两个阶段：1 ) 起动阶段；2 ) 初始燃烧阶段。在起动阶段，汽车进行先前进然后后退的摆动，最 终加速度在零点上下摆动。在初始燃烧阶段，汽车颠簸前进，然后加速度在零点 附近上下摆动。这种振动在发动机减速以及停机的时候也会被驾驶员感觉到。f o r d 公司m i n glk u a n 9 1 1 4 的研究指出：发动机起动时，车座的加速运动跟踪了从动力 总成到车体的动态响应；类似地，发动机停机时，车座的加速运动也跟踪了动力 系统和传动系统的动态响应。 从根本上来讲，发动机起停的n v h ( n o i s e ，v i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 是由动 力系统的滚动模式、发动机和阻尼的扭振模式、传动系统的扭振模式和不适当的 电动机转矩补偿所激励导致的。而这些激励又源于发动机起停时缸内的压缩、一 定转速时发动机与阻尼的共振、初始燃烧阶段发动机的转矩的突然升高以及发动 机的后冲和反向旋转。因此，发动机的n v h 主要从振动激励源最小化、振动的隔 离与抑制、适当的转矩补偿以及用起动电机短时间内迅速提高转速这几个方面来 进行降低。h i r o s ek a t s u h i k o 1 s l 的研究表明，通过进气门迟关和推迟点火可以分别 降低拖动过程和燃烧初始阶段( 图1 4 中区域a 和b ) 振动的振幅。 - 、狎畸 憋乏1 1 念 i i t 羽kc j o l i q a b d c ， r t ：渊 h t a 轴c | o c m l 科a 8 0 c a 一 ”m 二j j 致二竺 夕厂 。一 l一i t 0 一 oi 1 0 - t - n e ( o c 图1 4 发动机起动时的振动嗍 f i g 1 4v i b r a t i o ni ne n g i n es t a r t i n gp r o c e s s 5 l 此外，针对快速起动和停机过程中电机和发动机控制策略进行综合优化以达 到快速起动减少起动响应时间并降低系统振动的研究也有报导。t o y o t a 公司的 k e n j ik a t a o k a 【1 司等基于位置控制对电机转矩进行优化，实现了对发动机停机位置的 控制，从而降低了发动机在重新起动时由于活塞初始位置不同而造成的振动。由 7 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 于在停机时采用电机补偿转矩使停机时的振动也减小。此外，由于能够对发动机 停机位置进行控制，因此可以在发动机停机最后时刻事先在某一缸喷油，当发动 机重起时保证该缸在拖动的第一循环即可着火，从而加快发动机的起动，使起动 时间减少6 3 。同时大大降低了起动过程电机的能量消耗，使电机拖动的能量消 耗降低了5 0 。 1 3 5 频繁起停对发动机工作寿命的影响 发动机的频繁起停将导致摩擦损失的增加，从而恶化燃油经济性。美国w a y n e s t a t e 大学对柴油并联混合动力汽车的研究指出，发动机在起动的前十个循环内， 活塞的低速运行、过量供油以及推迟点火等会使得活塞环、气阀机构和轴承处的 油膜遭到破坏而进行混合摩擦甚至金属摩擦，从而使得摩擦损失比随后的循环摩 擦损失高1 6 1 7 1 。同时，发动机的频繁起动所产生的h c 排放特性会对发动机的 寿命产生不可忽视的影响。未燃烧的部分燃料在高温和氧的作用下形成胶质，黏 附在发动机内部的零件表面上，再经过高温作用形成积炭。积炭附着在活塞顶部 及气门与燃烧室壁上是很坚固的，积炭会使燃烧室空间变小，使进排气门封闭不 严，喷油头堵塞，火花塞电极分火不强等。活塞环槽内的积炭，会使活塞环边隙、 背隙变小，甚至无间隙，造成活塞环失去弹性而拉缸，这些都直接影响到发动机 的性能( 早燃、爆燃) 及寿命，使得故障频繁。此外，当停机时间过长时，发动 机温度的降低会导致润滑油粘度增加，使得发动机起动所需能量提高。 1 4 传统三效催化转化器在混合动力工况下的工作特性 混合动力汽车存在着频繁的起动和停止工况，据统计，在城市道路工况下， 整车最高车速为5 0 k m h ，平均车速为1 9 k m h ，城市工况时间为7 8 0 秒，至少存 在1 2 次起动工况，而每次起动间隔的时间只有4 0 秒，发动机处于低速度小负荷 工况，如果不考虑发动机怠速暖机过程，而直接进入怠速停机工况，会因此直接 导致三效催化转化器的温度不但不能达到起燃温度3 5 0 ，同时在发动机停止工况 下，三效催化转化器处于被冷却状态，直接影响下一次起动时，三效催化转化器 的芯部温度。图1 5 是原型车和没有控制策略优化的混合动力汽车三效催化转化器 的温度对比曲线。根据图中混合动力三效催化转化器的温度可以得到，发动机每 次起动运转时，三效催化转化器的温度升高了1 5 0 左右，当驾驶员减速松油门时， 发动机熄火，三效催化转化器被冷却，温度又降下来1 0 0 c 左右，因此总体上，三 8 江苏大学硕士学位论文 效催化转化器的温度上升缓慢。整个城市循环工况的7 8 0 秒内，三效催化转化器 的最高温度只达到了4 0 0 ，三效催化转化器温度开始起燃。在城郊工况的4 0 0 秒 内，整车的最高车速为1 2 0k m h ，平均车速为6 2 6 k m h ，发动机工作在2 5 0 0 - 一3 4 0 0 r m i n 区域，转矩工作在7 0 n m l o o n m 范围内，发动机排气温度高，因此三效催 化转化器温度比较高，处于5 0 0 7 0 0 。 n 2 u u删6 0 0删u1 0 0 01 2 0 0 时闻j ( 5 ) 图1 5n e d c 路况下普通车与没有优化的混合动力车的三效催化器温度特性对比 f i g 1 5c o m p a r i s o no ft w c b e t w e e nc o n v e n t i o n a lc a ra n dh e vw i t h o u to p t i m i z a t i o no nn e d c d r i v i n gc y c l e 使催化器快速起燃的方法有降低催化器本身的起燃温度( 提高催化器技术) 和尽快提高催化器的入口温度两种方法。前者由于催化器技术的限制，效果有限， 且需要加入更多的贵重金属，造成系统成本的增加。因此对于催化器快速起燃研 究国内外较多地集中在尽快提高催化器入口温度方面。如推迟点火能够加强混合 后燃，使排气温度升高，从而加快催化器起燃速度；采用紧耦合型催化器减少排 气在进入催化器之前的热量损失，也能够加快催化器起燃。 1 5 课题背景与研究意义 1 5 1课题来源 本文的研究工作在国家“十一五 高科技发展计划“8 6 3 计划“节能与新能 源汽车 重大项目“新型电容混合动力轿车整车产品研发 ( 课题编号： 2 0 0 6 a a l l a l 2 8 ) 和“混合动力车辆电子等平衡动力传动装置研究 ( 课题编号： 2 0 0 8 a a l l a l 2 5 ) 多项基金共同资助下完成。 9 混合动力汽车起停工况瞬态排放特性与优化控制策略 1 5 2 本文研究内容 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 介绍混合动力发动机快速起停工况模拟实验台架，以伺服电机代替i s g 电机，通过设定目标拖动转速和加速时间完成混合动力快速起动工况过程模拟。 介绍瞬态碳氢和氮氧化物测试平台及其瞬态排放测试的原理。介绍自主研发的混 合动力发动机控制器硬件结构及软件功能，并利用l a b v i e w8 5 平台开出混合动 力发动机控制器标定系统并搭建试验数据采集平台。 ( 2 ) 对比分析普通起动方式和混合动力快速起动方式下汽油机的瞬时转速、 气缸压力、燃油补偿、进气压力、点火时刻以及排气温度的变化规律。分析了不 同拖动转速下的瞬态碳氢及氮氧化物的排放特性。另外，分析了汽油机重起动工 况，包括减速断油和怠速停机下的瞬态排放特性以及对催化器催化转化效率及工 作寿命的影响。 ( 3 ) 对比分析t o y o t ap r u i s 紧耦合三效催化器与国产催化器的温度特性， 并介绍混合动力汽车专用二级三效催化转化器。通过推迟点火、提高暖机怠速转 速以及控制起动过程混合气偏稀燃烧的方式实现三效催化器的快速起燃，从而减 少发动机起停过程排放。讨论了混合动力汽车频繁起停工况下三效催化器的保护 措施。 1 6 本章小结 ( 1 )采用混合动力方案，是汽车实现节能减排的首选方案之一，介绍了i s g 型混合动力总成结构与功能，描述了混合动力快速起动、怠速停机、加速助力、 运行充电、制动能量回收等主要功能； ( 2 )混合动力汽车频繁起停及高速拖动的工作特性，对其燃烧过程、污染 物排放、振动噪声及驾驶舒适性、工作寿命等均有重要影响。此过程瞬态特性更 为突出，并有别于传统发动机起停过程； ( 3 )混合动力汽车频繁起停对三效催化转化器的“加热冷却 效应，严 重影响三效催化转化器的工作状态，必须对传统三效催化转化器进行改进； ( 4 )实现起停过程总体目标，在控制策略方面，必须对起动转速、喷油时 刻、喷油量、过渡过程及三效催化转化器进行优化及相互匹配。 江苏大学硕士学位论文 第二章汽油机快速起停过程瞬态排放测试与标定平台设计 2 1 引言 为