APC2008-13-混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性

芜湖,2008年9月中国内燃机学会第八届学术年会论文集 69APC2008-013混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性于水1,董光宇2,张云海2,李理光2(1.上海交通大学动力与机械工程教育部重点实验室,上海 200030;2. 同济大学汽车学院,上海 201804摘 要:搭建了一套模拟混合动力汽车发动机在ISG(起动/发电一体化拖动下快速起动的实验平台。对比分析了拖动到800r/min起动和原机起动时首次着火循环的瞬态燃烧和排放特性。当发动机被快速拖动到800r/min起动时,由于燃烧持续期变长,使首循环缸压峰值和碳氢排放都降低。由于首次喷油蒸发时间减少,使可靠着火的稀燃边界变浓。关键词:混合动力;首循环;瞬态排放随着能源危机和环保压力的日益加剧,混合动力汽车具有优异的节能环保性能而又能够在短期内实现大规模商业应用,因而备受国内外企业以及研究机构关注。混合动力汽车节油的主要途径之一是减少发动机怠速工况,美国韦恩州立大学对一种并联结构的混合动力系统在FUDS(Federal Urban Driving Schedule驾驶循环下的仿真结果表明发动机在一个驾驶循环中被起动了65次1。这在某种程度上表明发动机频繁起动-停机是混合动力汽车一个重要的瞬态工况。根据文献报导,国际上针对混合动力汽车发动机起动-停机工况的研究主要集中于三个方面:1燃油经济性综合优化2;2车辆驾驶性和舒适性优化3;3排放特性4。国内在混合动力发动机起动方面也有相关研究,但多集中于ISG(起动/发电一体化或BSG(皮带驱动的起动/发电机一体化混合动力系统的动力学研究和功能实现上。如李红朋等5对ISG和发动机系统快速起动的动力学进行了建模,考虑了在拖转和起动初期发动机气动力学和摩擦,从而制定ISG 电机的控制策略。而针对于混合动力汽车发动机起动过程燃烧和排放控制策略的研究还处于探索阶段。一般概念认为混合动力发动机高速拖转起动时可以减少初始阶段的喷油量,并通过加快起动空燃比向理论空燃比的过渡,从而降低起动过程的碳氢排放。黄开胜等6对混合动力汽车发动机起动和暖机过程进行了标定研究。结果表明,在混合动力模式下减少发动机拖动期喷油量后,HC排放恶化。但关于该现象产生的原因以及应采用的对策还没有被深入探究。随着三元催化剂快速起燃技术的进步,发动机冷起动时三元催化剂可以在10s左右快速起燃,因此,研究和优化发动机拖转期和起动初期的碳氢排放对降低整车碳氢排放具有至关重要的作用。此外,在发动机起动的最初几个循环内,由于传感器反应延迟,空燃比不能实时准确测量7,无法对这阶段空燃比进行死循环控制。所以,需要对起动初期几个循环特别是首次着火循环的混合气形成和燃烧排放规律进行深入的研究。Castaing 等人8研究了不同初始活塞位置对冷起动前三个循环燃烧和排放特性的影响。Santoso等人9对起动首循环混合气的形成及燃烧和排放特性进行了研究。栗工等 10,11 在一台电控LPG单缸发动机上对冷起动首循环的燃烧和排放进行了研究。本文针对混合动力汽车发动机快速拖动起动的特点,采用快速拖动到怠速起动的方法对汽油机首次着火的燃烧和排放特性进行了研究。混合动力汽车发动机起动时可以拖动到怠速或高于怠速转速之后再点火,其首次着火的燃烧边界条件与传统汽车低速拖转起动存在不同。此外,快速拖转时第一循环的燃油蒸发时间较低速起动时减少,所以不利于混合气形成,而且也会对起动初期壁面油膜平衡的建立产生影响。因此,有必要对发动机在混合动力工况下起动时首次着火循环的喷油策略和燃烧排放特性进行研究。本文采用基于循环分析的研究方法对汽油机快速起动时首循环的燃烧和排放特性进行了研究。1 实验方案图1为本研究所建立的快速起动瞬态测试实验台架。将一台安川伺服电机联接在发动机曲轴输出端,模拟ISG(或BSG的功能以实现发动机的高速拖动起动。通过预设伺服控制器中的起动转速70 芜湖,2008年9月 于 水等:混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性设置,可以使电机按照不同的转速曲线运行。当起动钥匙上电时,电机拖动发动机到设定转速,在发动机首次点火之后,切断电机驱动使之跟随发动机空转。通过实验精确标定电机拖动持续时间,使发动机首次点火成功后,在下一循环着火前立刻切断电机驱动力,从而避免因电机自身的转速控制而压制发动机运转的现象。本研究采用的试验样机为上海华普JL479QA发动机参数如表1所示。 进气流量计图1 实验台架示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setups本文旨在研究快速起动时发动机的瞬态特性,测试了多个瞬态参数的变化规律。测量的热力参数包括:气缸内压力,进气流量,进气道内压力和温度,排气口处压力和温度,排气空燃比。并利用测得的瞬态参数对瞬态过程进行燃烧分析和计算。利用光电编码器用来测量瞬时转速,并对曲轴转角进行分度。喷油信号和点火信号通过ECU线束取得,用来计算ECU的喷油量和点火时刻。所有测试信号经过自制的信号调理电路处理后,接入NI PCI6250高速数据采集卡进行保存。编码器脉冲信号也用作采集卡的外时钟来进行基于曲轴转角的触发采集。利用采集卡的频率测量信道来测量每个脉冲时刻的瞬时频率,从而计算出瞬时转速和每个脉冲时刻的绝对时间基准。采用英国Cambustion 公司快速响应瞬态碳氢测试仪进行瞬态排放测试。该排放仪采用独特的快速采样技术,采样探头可探至排气门附近,具有毫秒级的响应速度,从而保证对排放特性进行基于循环分析。为了对发动机单个着火循环进分析,一个很重要的问题是对单个循环进行精确控制。而目前产品ECU中的控制策略都是针对工况进行的基于时间的查询控制,而不能精确到对某一单个循环进行控制。因此,本文设计了一套基于英飞凌167单片机的喷油和点火控制系统,使之与原机ECU并行工作,通过对ECU线束的切换来实现对第一缸喷油和点火的自行控制。在实验中,当需要对首循环进行控制时,就由单片机控制喷油和点火,当点火脉冲发出后就立即切换到原ECU工作模式。从而实现只改变首循环控制策略而又不影响发动机整体运行。对于多缸机而言,由于压缩气动阻力的影响,发动机停止时必定有一缸的活塞处于压缩冲程中期11。发动机起动时,不同活塞初始位置会对起动过程的燃烧和排放产生影响8。为了避免这些影响,在本研究中每次起动前都将第一缸转动到活塞处于排气上止点前270o曲轴转角处,即位于膨胀冲程中期,此时第三缸处于压缩冲程中期,这个位置是发动机正常停机位置之一。由于所有数据都来自第一缸,这样做也保证了在每次起动时第一缸都是最先着火,保证了实验的重复性。2 实验结果和讨论2.1 首循环空燃比标定空燃比是影响发动机燃烧和排放最重要的一个参数,而本文的研究对象是发动机的首次着火循环,需要对单个循环的空燃比进行实时定量标定。根据空燃比的测算方法可将空燃比分为排气空燃比,缸内实时空燃比和喷射空燃比。最常用的空燃比测量方法是利用氧传感器测量排气中氧浓度,得到过量空气系数,然后根据理论空燃比计算出排气表1 发动机参数Tab.1 The specifications of engine发动机型号JL479QA缸径和冲程 78.777.0 mm压缩比9.3气缸数 4点火顺序1-3-4-2IVO 16O CAIVC 56 O CAEVO 48 O CAEVC 17 O CA燃油 93#汽油排放欧III芜湖,2008年9月 于 水等:混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性 71 空燃比。然而氧传感的响应时间一般在100ms 左右,不能反应出单一循环的空燃比。特别在发动机起动初期,排气岐管内残留的新鲜空气会大大延长氧传感的响应时间,一般来讲在室温起动时氧传感器直到10个循环以上才能准确反应出空燃比7。此外,当发生失火或部分燃烧时,氧传感器测出的空燃比显示过稀,也不能反映实际的空燃比。因此,不能利用氧传感器来实时测量首循环的空燃比。排气空燃比也可以通过测量排气成份,根据化学平衡来计算出实际空燃比。然而目前在本研究中还不具备这样能够实时测量五种气体成份的条件。缸内实时空燃比的测量可通过缸内采样测出缸内碳氢浓度曲线,利用点火时刻之前的碳氢浓度来计算得到缸内实时空燃比,但是测量手段实施较困难,需要特殊的缸内采样系统配合瞬态碳氢测量仪才能实现。喷射空燃比是根据循环进气量和喷油量计算得出,是发动机ECU 的标定空燃比。由于壁面油膜的影响,喷射空燃比不能准确反映缸内混合气的实际浓度。根据目前实验手段,本文采用喷射空燃比作为界定首循环混合气浓稀的评价标准。采用喷射空燃比可以将壁面油膜和缸内混合气浓度综合起来考虑并分析其对燃烧的影响,并且对于实际的ECU 标定具有更好的适用性。图2给出了在不同水温下,拖动到800r/min 起动和原机起动时首循环进气压力和循环进气量的标定。首循环进气压力随水温基本没有变化,当拖动转速升高到800r/min 时进气压力比原机起动要低,从而使首循环进气量降低。当水温从25O C 升高到85O C 时,由于传热作用发动机进气歧管内温度从25O C 升高到60O C ,从而使循环进气量降低。根据循环进气量和喷油脉宽可以标定出首循环的过量空气系数如图3所示。同样的喷油脉宽下,水温升高和拖动转速升高都会使循环进气量减少,因此使过量空气系数减少。2.2 首循环瞬态参数变化规律图4给出了在原机起动开始的1s 内发动机拖转和起动过程各瞬态参数的变化规律。发动机拖转转速在200r/min 左右,持续0.5秒左右第一次点火。第一次点火后发动机转速急剧升高到600r/min ,此后随着其它缸顺序点火发动机转速稳步上升,但上升幅度远低于首循环着火。对应缸压也可以看出首循环着火的爆发压力最高,其后循环的缸压依次降低。碳氢浓度和排气口温度在第一次排气门打开之前都处于稳定,随着燃烧开始,两者都随着排气门的开闭而产生变化。图4情况下,首循环碳氢排放波形显示混合气较浓,第2个循环则显示出较理想的碳氢排放波形。第一循环排气温度上升梯度要较其后的循环要小,因为第一循环转速很低,燃烧持续曲轴转角较少,减少了后燃,所以产生了较高的爆发压力,碳氢排放较高,排气温度降低。5060708090100水温 (O C 首循环进气量 (m g 首循环进气压力 (k P a 喷油脉宽(ms 图2 首循环进气量标定图3 首循环过量空气系数标定2468瞬时转速 (r /m i n 缸内压力(M P a 和碳氢浓度/2000 (10-6时间 (s 图4 首循环瞬态参数变化规律72 芜湖,2008年9月 于 水等:混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性2.3 过量空气系数对首循环燃烧的影响 图5给出了不同过量空气系数下首循环示功图和放热率的变化规律。该发动机在原机拖动下的压缩峰值压力在1.2MPa 左右,当混合气过浓和过稀时,缸压峰值就是压缩压力。观察过量空气系数为1.5469和0.1547时的缸压曲线可以看出在膨胀行程,仍然有微弱的燃烧发生,而不是完全失火。如果是完全失火,则由于气缸传热效应,膨胀行程的压力会低于压缩过程的压力,而图中这两条曲线膨胀行程压力仍略高于压缩行程压力。当超过稀燃界限后,爆发压力峰值随着混合气逐渐过浓而降低,峰值压力位置也逐渐推后。从放热率曲线可以看出在混合气逐渐过浓过程中,放热推迟,峰值放热率也逐渐降低。这是因为过浓的混合气会降低火焰燃烧速度。 2.4 拖动转速对首循环燃烧和排放的影响 传统汽车发动机起动时拖转转速在200r/min 左右,混合动力汽车发动机需要快速拖动到怠速或高于怠速转速起动。图6和图7分别给出了在不同水温下原机低速拖动起动和拖动到怠速起动时首循环缸压峰值和碳氢排放随过量空气系数的对比关系,点火时刻为上止点点火。整体来看,当混合气浓度从稀到浓变化时,缸压峰值先升高后降低,碳氢排放也存在一个窗口区域,在过稀和过浓的边界上碳氢浓度急剧上升。在窗口区域以内,随着混合气变浓碳氢排放也随着升高。这个规律与其它研究者的结论相吻合911,只是由于空燃比界定方法不同而在数值上有出入。本文给出的过量空气系数包含了燃油蒸发和壁面油膜的影响,因此随着水温的升高可靠燃烧的过量空气系数范围变大。当拖动转速升高时,缸压和排放整体上都降低,稀燃过量空气系数界限较原机起动要浓。这主要是由如下几个原因造成的:a.由于高速拖动时进气压力降低,因此同一喷射过量空气系数时循环进气量较少,会使缸压降-1001000.00.51.01.52.02.53.03.54.0 020406080100120140160180200220240缸压 (M P a 瞬时放热率(J /O C A 曲轴转角 (O CA 1.5469 0.7735 0.3867 0.2578 0.1547图5 过量空气系数对燃烧过程的影响 (水温25O C ,原机起动,上止点点火0.20.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.824602460246首循环峰值压力 (M P a 过量空气系数0.20.40.60.81.01.21.4 1.6 1.850001000015000200000500010000150002000005000100001500020000首循环碳氢排放均值 (10-6过量空气系数图7 首循环瞬态碳氢排放变化规律图6 首循环缸压峰值变化规律芜湖,2008年9月于水等:混合动力用汽油机起动首循环燃烧和排放特性73低。对比图2,拖动到800r/min起动时进气量减少不到10%,而缸压最大降低超过50%,因此这不是最重要的原因。b. 由于快速起动时拖动到首次着火的时间很短,首次喷油燃油蒸发时间短。同一喷射过量空气系数下实际进入气缸的燃油减少,使缸压降低。对比图6中水温85O C的数值,在此温度下燃油蒸发状态都很好的情况下,缸压仍有大幅降低,因此这也不是最重要的原因。c. 在相同过量空气系数和点火时刻下,当发动机转速升高时,燃烧过程所持续的曲轴转角增大,因此燃烧持续期变长,后燃加强,使缸压降低,同时改善了碳氢排放。d. 当快速拖动起动时,首次喷油蒸发时间减少,减少了实际进入气缸内的燃油的量,从而使稀燃过量空气系数往浓偏移。从图中可以看出,随水温上升,燃油蒸发状况改善的时候,快速起动和原机起动的稀燃界限就靠近基本重合了。因此,可以判定首次喷油蒸发时间减少是导致快速起动首循环稀燃界限较浓的主要原因。2.5 水温对排放的影响图8给出了拖动到800r/min起动时,不同水温对排放的影响。图中可以看出随着水温升高,燃油蒸发状况改善,可靠燃烧的喷油过量空气系数窗口变宽。当喷射过量空气系数较浓时,水温高时排放也升高,这是由于燃油蒸发改善,气缸内实际混合气更浓所造成的。而对应在稀燃边界上的数值则是随着水温升高而降低的,这是由于水温升高有利于燃油完全燃烧。3 结 论根据上面的分析,可得到如下结论:1、当在混合动力模式下发动机被快速拖动到怠速转速附近起动时,首循环进气压力降低,首循环进气量降低10%左右。2、在快速起动时,由于燃烧持续期变长,使缸压降低,同时由于加强了后燃,因此改善了碳氢排放。3、由于快速起动时首次喷油蒸发时间变短,减少了实际进入气缸的燃油量,因此可靠燃烧的稀燃边界较浓。但随着水温升高,燃油蒸发质量改善,其稀燃边界就与原机起动基本重合。参 考 文 献1 N.A. Henein, Dinu Taraza, Nabil Chalhoub and Ming-ChiaLai, Exploration of the Contribution of the Start/Stop Transients in HEV Operation and Emissions C. SAE Paper 2000-01-3086,2001.2 Moritaka Matsuura, Koji Korematsu and Junya Tanaka,Fuel Consumption Improvement of Vehicles by Idling StopC. SAE Paper 2004-01-1896,2004.3 Ming L. Kuang, An Investigation of Engine Start-StopNVH in A Power Split Powertrain Hybrid Electric VehicleC. SAE Paper 2006-01-1500,20064 Henry K. Ng, John A. Anderson, Michael J. Duoba andRobert P. Larsen, Engine Start Characteristics of Two Hybrid Electric Vehicles (HEVs - Honda Insight and Toyota Prius C. SAE Paper 2001-01-2492, 20015 李红朋,秦大同,杨阳,徐佳曙,汽车发动机起动过程的动力学仿真J,重庆大学学报(