混合動力汽車汽油機起動工況瞬態(tài)燃燒和排放特性研究.pdf

1、怠速停機是混合動力汽車一個重要的節(jié)油方式，因此混合動力汽車在運行中會頻繁起動/停機。由于進氣道噴射式汽油機起動過程固有的瞬態(tài)特征，汽油機起動時燃燒和排放惡化。對于混合動力汽車發(fā)動機，起動過程是先快速拖動到怠速轉(zhuǎn)速或高于怠速轉(zhuǎn)速然后點火起動，因此起動過程瞬態(tài)特性更加突出，從而不利于燃燒排放控制，頻繁起/停對混合動力汽車排放控制提出了新的研究課題。本文結(jié)合混合動力汽車關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)項目，根據(jù)混合動力發(fā)動機測試需求設(shè)計搭建了模擬起動發(fā)電一體化電

2、機(ISG)混合動力汽車發(fā)動機快速起動瞬態(tài)測試平臺。設(shè)計了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，開發(fā)了基于循環(huán)控制的發(fā)動機并行控制系統(tǒng)，在不影響原機ECU正常工作的前提下對噴油和點火進行并行控制。在所搭建的系統(tǒng)平臺上對混合動力發(fā)動機起動工況瞬態(tài)燃燒和排放特性以及催化器動態(tài)特性進行了研究。
　　 基于循環(huán)的瞬態(tài)燃燒測試手段和Cambustion瞬態(tài)排放儀對發(fā)動機在提高拖動轉(zhuǎn)速條件下起動時的瞬態(tài)燃燒排放特性進行了研究，并結(jié)合發(fā)動機控制策略進行了分析。結(jié)

3、果發(fā)現(xiàn)提高拖動轉(zhuǎn)速造成起動過程進氣壓力變化率升高，使得精確控制缸內(nèi)混合氣濃度更加困難，導(dǎo)致燃燒和排放惡化。由于原始標(biāo)定參數(shù)不匹配，在室溫冷起動時，提高拖動轉(zhuǎn)速導(dǎo)致第一循環(huán)失火，而熱機起動時，導(dǎo)致第3～8循環(huán)發(fā)生不同程度的部分燃燒甚至失火，使碳氫排放惡化。碳氫排放惡化的程度隨拖動轉(zhuǎn)速升高而增加。起動過程中只有第1～2循環(huán)會產(chǎn)生較多的氮氧化物，整個起動過程氮氧化物都較低，氮氧化物濃度隨拖動轉(zhuǎn)速升高而降低。利用瞬態(tài)碳氫測試儀對停機時碳氫排放進

4、行了研究，當(dāng)采用斷點火停機時，最后一次噴油不能點燃，導(dǎo)致產(chǎn)生較高碳氫排放。當(dāng)采用斷油停機時，碳氫排放最多可比斷點火停機時減少50％左右。斷點火停機會在進氣道壁面殘留較多的油膜，這些額外的油膜在發(fā)動機重新起動時可能只對第一循環(huán)的燃燒造成較大影響。
　　 研究了不同邊界條件對發(fā)動機起動首循環(huán)燃燒和排放的影響?；旌蟿恿δＪ狡饎訒r，首循環(huán)進氣量比傳統(tǒng)模式減少10％左右?；旌蟿恿ζ饎幽Ｊ较率籽h(huán)缸內(nèi)混合氣濃度在冷起動時比傳統(tǒng)模式稀，在熱起

5、動時與傳統(tǒng)模式基本一致。在不同實驗條件下，首循環(huán)燃燒的缸壓峰值、指示平均有效壓力、累積放熱量、碳氫排放和氮氧化物排放都隨著過量空氣系數(shù)的改變而呈“窗口區(qū)域”變化規(guī)律。拖動轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度、進氣道油膜殘留和點火時刻等燃燒邊界條件都對“窗口區(qū)域”造成影響。提高拖動轉(zhuǎn)速后首循環(huán)燃燒的混合氣稀限往濃區(qū)偏移，當(dāng)水溫分別為25℃、60℃、85℃時，對本文采用的發(fā)動機在混合動力起動模式下首循環(huán)燃燒稀限比傳統(tǒng)模式分別要濃1.49倍、1.31倍和1.05

6、倍。當(dāng)混合氣濃度適宜時，推遲點火時刻雖然導(dǎo)致放熱時刻推遲、放熱速度減慢，但是對最終的累積放熱量影響不大。從獲得較高指示平均有效壓力角度來看，傳統(tǒng)起動模式下首循環(huán)燃燒的最優(yōu)點火時刻在上止點后5℃A左右，而混合動力起動模式下在上止點前5℃A左右。當(dāng)點火時刻在上止點前10℃A和上止點后10℃A之間變化時，首循環(huán)燃燒排放特性的“窗口區(qū)域”的邊界變化不大。但混合動力模式下提前點火時刻具有一定的擴展稀限邊界的潛力。
　　 對混合動力起動過程

7、缸內(nèi)混合氣形成特性進行了分析，并采用基于循環(huán)的噴油控制策略對混合動力起動過程的碳氫排放進行了優(yōu)化。在發(fā)動機冷起動的瞬態(tài)過程中，缸內(nèi)混合氣濃度波動較小;而熱起動時，第4～5循環(huán)缸內(nèi)混合氣過濃，然后隨循環(huán)數(shù)增加而逐漸變稀，到第10循環(huán)與冷起動基本相當(dāng)。在原始參數(shù)標(biāo)定的基礎(chǔ)上對起動初始的5個循環(huán)噴油量進行了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)需要適當(dāng)增加第一循環(huán)噴油量才能使首循環(huán)具有最高平均有效壓力;而第2～5循環(huán)需要適當(dāng)減少噴油量才能獲得最高平均有效壓力。由于進氣道

8、黏附的影響，在第4～5循環(huán)，即使不噴油仍能獲得較高平均有效壓力和較低碳氫排放。對起動過程前5個循環(huán)的噴油量進行優(yōu)化后，使起動過程的碳氫排放大幅下降。
　　 結(jié)合混合動力汽車發(fā)動機的冷起動標(biāo)定工作，對催化器在起動過程中動態(tài)特性做了研究。通過修改拖動期噴油量獲得不同的空燃比變化曲線，發(fā)現(xiàn)在冷起動時原機標(biāo)定的拖動噴油量可以獲得最低的碳氫排放，熱機起動時在拖轉(zhuǎn)噴油量為60％于原脊標(biāo)定時可以獲得最低的碳氫排放。發(fā)動機停機后催化器入口溫度在