混合動力車用發動機準恒速起動策略研究

謝瑞芳，王歡

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

發動機停機/再起動技術是混合動力汽車的一種重要節油手段。在停機/再起動系統中，發動機會根據駕駛員的需求自動停機或者再起動。根據Xie等的研究，裝配有停機/再起動技術的汽車能夠節油10%和減少12%的二氧化碳排放。Bishop等也得出了類似的研究結果，他們認為在混合駕駛工況中，混合動力汽車平均節油4．8%。此外，Matsuura等研究發現，在城市工況中，帶有停機/再起動技術的柴油機減少20%的二氧化碳排放。鑒于停機/再起動系統如此良好的性能表現和越來越嚴苛的環境保護法規，將會有越來越多的汽車裝配該技術。

該技術以其良好的節油性而廣受關注。有研究表明，混合動力汽車發動機在聯邦城市駕駛表中會經歷65次停機和再起動。發動機經歷如此多的停機/再起動，其冷卻水溫度已經比較高，這對混合氣的行成和缸內的燃燒有利。另外，對于裝配有停機/再起動技術的混合動力發動機來說起動轉速相對較高，其噴油量在發動機達到一個較高轉速之前一直都是零，因此起動階段的燃油消耗會減少。以上兩點似乎表明起動階段的碳氫排放會減少。但實際情況似乎并非如此，有研究表明混合動力用發動機熱機起動也會引起碳氫化合物排放惡化。Yu等在一臺混合動力用進氣道噴射汽油機上，基于循環分析比較了傳統的低轉速起動和高轉速起動的區別，結果表明高速起動過程會引起缸內失火和不完全燃燒，且惡化碳氫排放。王振鎖等研究了混合動力用發動機的排放特性，結果說明高轉速起動有助于節油和減少碳氫排放，但起動轉速過高會惡化碳氫和氮氧化物排放。總之，城市工況中發動機頻繁地停機/再起動會引起排放的惡化。

當前，進氣道噴射發動機以其低成本和高技術成熟度而被廣泛應用。對于進氣道噴射發動機來說，進氣道形成的混合氣濃度是影響燃燒和排放的關鍵因素，從發動機起動后的第一個循環起空氣-燃料混合氣就應該有適當的濃度以確保可靠地燃燒。又因為起動前幾個循環發動機的高瞬態性和較低的溫度，所以起動前幾個循環一般都會考慮燃油加濃策略，即通過加濃噴射量來確保溫度較低情況下蒸發的燃料能夠形成可燃的混合氣。然而，量化噴油加濃是一件十分困難的事情，因此，即使上一循環加濃噴射的燃料多一點也會影響接下來循環的燃燒和排放，使發動機燃燒與排放的控制愈發困難。Fischer HC等試驗探究了進氣道噴射發動機燃油傳輸過程，結果發現，冷起動過程中，加濃噴射的燃油量達到了理論空燃比需油量的10倍。Liguang Li等研究發現冷起動過程中，前兩個循環的噴油量是理論空燃比油量的5倍，而接下來幾個循環卻小于理論需油量。Zhiming Liu等試驗研究了燃油計量對進氣道噴射發動機倒拖和起動階段排放和發動機穩定性的影響。結果表明，首循環噴射越多的燃料，蒸發形成可燃混合氣的燃料比例就越小，而剩余部分形成的油膜又不可避免地會影響下一循環。對于混合動力來說，其起動轉速一般會高于傳統發動機的起動轉速，因此，其起動過程的瞬態性也會更強，這會增加對混合氣濃度控制的難度，從而造成燃燒和排放的不可預測。

基于以上問題，許多試驗研究都著眼于提升混合動力發動機的起動性能。Ohn H等研究了首循環噴油正時對混合動力發動機快速起動過程的影響，得出了冷起動不能使用開閥噴射和熱機起動應該優先使用半開閥噴射和開閥噴射的結論。Yu等測試了基于循環控制混合動力起動噴油的策略，實現了前五個循環IMEP最優和降低碳氫排放。周健豪等作者研究發現，進氣道噴射汽油機起動過程的前幾個循環適當的噴油加濃可以加快起動和減少碳氫排放。LI等基于活塞初始位置采用燃油獨立噴射策略來改善混合動力快速起動過程，實現了更快的起動和碳氫排放的減少。

總體上而言，典型的進氣道噴射發動機起動過程可以被分為三個階段：倒拖、起動和怠速階段。倒拖階段是電機拖動發動機直到首次達到目標拖動轉速為止。當發動機到達目標拖動轉速后，電機立刻掉電，發動機進入起動階段。在該階段，發動機通常會由自身燃燒從較低的拖動轉速加速到較高轉速，然后在降低至目標怠速轉速。為了確保起動成功，一般發動機會加速到一個較高轉速，一般是超過目標怠速一倍。加速過程中，怠速旁通閥一般會由大開逐漸閉合至目標怠速的怠速閥位置，同時，噴油一般也會采用加濃策略。因此，這種起動過程的瞬態性和燃油消耗都很高，起動排放也差。發動機起動表現差主要就是該階段造成的。起動階段過后，發動機會進入穩定的怠速工況。

不難發現，當前大部分用于提升混合動力用發動機起動表現的方法都是著眼于優化噴射脈寬和噴射正時，很少有從減弱發動機起動瞬態特性角度考慮的，比如省略通過缸內燃燒的加速。如果能夠實現高拖轉轉速、無發動機自身燃燒加速的起動，那么發動機將至少會受益于兩個方面：一是用于燃燒加速的燃油將會大幅削減；二是起動階段的怠速閥大開和噴射加濃將變得沒有必要，這樣就會有益于更好地控制混合氣濃度。基于此，本文提出了一種準恒速快速起動策略，目的是減少起動過程中發動機自身燃燒加速過程，以期減少起動過程中的排放。

1 試驗系統和方法

1.1 試驗系統

本文中所用的試驗系統如圖1所示。測試用的發動機是一臺4缸進氣道噴射發動機，其詳細參數如表1所示，進氣道的界面如圖2所示（每缸的進氣道有兩個對稱的進氣道）。將一臺直流電機連接在發動機的飛輪端用來拖轉發動機。起動的目標拖轉轉速和電機加速時間可以由直流電機控制器設定。發動機的噴射脈寬、怠速閥開度和點火角可以由自主開發的電子控制單元（ECU）基于循環控制。為了更好的表達采用準恒速起動策略的發動機的起動表現，采用原機起動策略的起動將被用作參考，其控制參數是由原機ECU中獲得，并在自主開發的ECU中重現。試驗中使用的其他儀器的具體參數如表2所示。

發動機進氣道中汽油的蒸發以及混合氣的形成會對發動機的快速啟動過程造成一定的影響，而噴油正時、進氣道溫度以及進氣道形狀均會影響汽油蒸發和混合氣的形成，如圖2所示即為進氣道的截面示意圖，每個發動機氣缸都有對稱的兩個如圖所示的進氣道。

圖1 試驗系統圖

圖2 進氣道截面

表1 發動機參數

表2 儀器詳細參數

1.2 準恒速起動策略

圖3給出了準恒速起動策略的控制流程，準恒速起動策略主要包括以下幾點內容。

將目標拖動轉速Nt設置與目標怠速轉速相等，這樣就可以減去由發動機自身燃燒加速的過程。

怠速閥開度值從一開始就設定為目標怠速時的怠速閥開度值，因為發動機開始著火后只需要維持目標怠速轉速而不需要加速。

噴油策略的原則是起動過程中提供當量比需油量，除第一循環需要確保著火成功需要加濃。

圖3 準恒速起動控制策略

圖4給出了準恒速起動策略的怠速閥開度和噴油脈寬值。起動階段控制參數是基于循環標定的。怠速閥開度從一開始就設定為目標怠速和起動冷卻水溫條件下的穩定怠速時的怠速閥開度，噴油量是當量比需油量，其值是基于進氣壓力和充氣效率標定的。當發動機進入怠速階段后，使用兩個PI控制器對發動機進行控制。

圖4 不同啟動策略怠速閥開度、噴油脈寬隨時間變化

理論上，準恒速起動策略不論是冷機或者熱機起動都適用，但是，在城市駕駛工況中，發動機停機后再起動大多數是熱機條件，因此，冷卻水溫設定為80℃。目標怠速轉速設定為800r/min。噴射正式設定為膨脹沖程下止點。點火角設定為上止點前10°CA（曲軸轉角）。作為參考的原機起動條件與快速起動條件一致。

2 結果與分析

2.1 進氣壓力，轉速和過量空氣系數

圖5給出了準恒速起動和原機起動的絕對進氣壓力，從圖中可知，在起動階段準恒速策略起動策略下的發動機進氣壓力低于原機起動策略的進氣壓力，其原因是兩種起動策略的怠速閥開度設定不一樣。對于原機起動，發動機缸內燃燒從較低的拖動轉速加速到較高的目標怠速轉速，這需要發動機輸出大量的功，因此怠速閥從開始是大開的，而后逐漸減小到怠速時的位置。而對于準恒速起動策略，目標拖動轉速與目標怠速轉速相等，因此，發動機開始著火后只需要維持目標怠速，不需要加速，因此怠速閥位置從一開始就設定在穩定怠速時的怠速閥位置。

圖5 不同啟動策略進氣壓力隨循環數的變化

圖6 不同啟動策略轉速隨時間的變化

圖7 不同啟動策略過量空氣系數隨時間的變化

圖6給出了兩種起動策略下的發動機轉速。從圖中可以發現，對于原機起動，在倒拖階段發動機先被電機托轉到目標拖轉轉速（約300r/min），然后被缸內燃燒輸出的功加速到一個高轉速（超過目標怠速轉速800r/min），其轉速的超調量能達到幾百轉，此后其轉速就會逐漸回落至目標怠速轉速。對于準恒速起動，發動機直接被電機拖轉至目標怠速轉速（800r/min），當發動機開始輸出功時，其轉速已經在目標怠速轉速附近，因此其缸內燃燒只需要維持目標怠速轉速，這樣就可以將轉速的超調量控制在小范圍之中。準恒速起動的轉速超調量小，其瞬態特性小。

過量空氣系數對碳氫和一氧化碳排放的影響很大，因此需要對過量空氣系數進行研究。圖7給出了本試驗中兩種不同起動策略起動過程的過量空氣系數。由圖可知，原機起動的過量空氣系數穩定到“1”附近是用時大概是5秒鐘，且長時間保持在“1”之下，也就是說混合氣偏濃。而對于準恒速起動，其過量空氣系數穩定到“1”附近只用了大約1秒鐘，且很少有濃燃。這主要是因為對于原機起動來說，需要燃油加濃噴射來補償加速油膜，在瞬態特性如此強的加速階段，很難量化燃油噴射的加濃量，因此通常都是“過濃”噴射以保證正常燃燒。而對于準恒速起動來說，只有首循環為了確保成功著火需要適當加濃，首循環之后發動機缸內燃燒只需要維持目標怠速轉速，不需要考慮加濃，只需要供給當量比油量即可。總體上來說，準恒速起動更加易于控制起動過程中的過量空氣系數。

2.2 油耗

圖8給出了原機和準恒速策略下的起動過程中消耗的燃料。由圖可知，兩種起動策略消耗的燃料都是由大減小至一個穩定值。對于原機起動來說，其主要原因就是起動階段需要加速，因此會消耗更多的燃料。而對于準恒速起動策略來說，為了盡量提供當量比混合氣，燃料噴射量與進氣壓力相干。而準恒速起動策略下，進氣壓力前幾個循環會大一些，因此其前幾個循環的噴油量也會多一些。當發動機逐漸進入穩態后，兩種起動策略的燃料消耗都會逐漸趨于穩定。圖中另一點值得注意的是在前十個循環，準恒速起動策略消耗的燃料明顯小于原機起動消耗的，其原因也是原機起動需要發動機缸內燃燒輸出功用于加速，而準恒速起動不需要加速，只需要維持目標怠速轉速即可。從燃料的消耗角度來說，準恒速起動是節油的。

圖8 不同啟動策略油耗隨循環數的變化

2.3 排放

碳氫排放對于評價發動機起動性能具有重要意義。圖9給出了兩種不同起動策略下的HC，由圖可知，對于兩種起動策略的HC排放都是先增大后逐漸減小并且在小范圍內波動，其中原機起動的HC排放峰值為278ppm，準恒速起動HC排放峰值為159ppm，兩種起動策略的HC排放穩定值為150ppm左右。準恒速起動的HC排放在起動前期明顯小于原機起動，當發動機逐漸進入穩定的怠速工況后，兩種起動策略的排放值保持在同一水平。不難發現，采用準恒速起動策略的發動機在起動早期的HC排放明顯少于原機起動，這主要是由于噴油和怠速閥開度策略不同造成的。對于原機起動，發動機需要用缸內燃燒輸出的功將自身的轉速由較低的目標拖動轉速加速到一個高轉速，因此，在起動的前幾個循環需要節氣門大開，以確保發動機能夠輸出足夠的功，然后會不斷減小怠速閥開度直至穩定在怠速，而怠速閥的調節會在一定程度上惡化HC排放。與此同時，發動機在加速過程中瞬態特性強烈，為確保加速成功，就需要不斷地對油膜進行補償，一般都是通過過濃噴射來確保油膜的厚度。這樣，燃燒的混合氣一般都會是過濃的，這就會排出大量HC排放。相對應地，對于準恒速起動，發動機開始著火后只需要維持穩定的怠速轉速，因此，怠速閥可以從一開始就固定在對應的怠速條件下的開度，不需要調節。發動機開始著火后瞬態特性弱，油膜的補償也只發生在首循環，而后就可以供給當量比油量，混合氣能夠很快地到達理論空燃比。因此，準恒速起動排出的HC明顯減少。當發動機進入較為穩定的怠速階段后，兩種發動機工作狀態相近，且混合氣濃度也都到達理論空燃比，進缸的混合氣量也有所減少（由進氣壓力可知），因此其排放也幾乎一樣且相比于早期有所減少。

圖9 不同啟動策略下HC排放

一氧化碳（CO）排放是由不完全燃燒造成的，起動過程中發動機燃燒條件較差，CO排放也差。圖10是CO排放，CO排放變化規律與HC排放變化類似，也是先增大后逐漸減小至一個穩定值附近。原機起動的CO排放峰值是2．26%，準恒速起動策略的CO排放峰值是0．88%，兩種起動策略的CO排放穩定值都是0．4%。起動的早期階段，準恒速起動策略排出的CO明顯少于原機起動策略，造成這種現象的主要原因也是原機起動策略起動瞬態性強，需要通過加濃噴射來確保油膜的厚度，以確保加速成功，因此起動早期其混合氣過濃，CO排放就會增加。而準恒速起動策略只有首循環需要考慮油膜補償，因此其燃油供給可以根據當量比需油量供給，混合氣濃度能很快到達理論空燃比，CO排放較少。當發動機進入穩定的怠速工況后，兩種策略下的發動機混合氣濃度都是理論空燃比，且進缸的混合氣質量也幾乎一樣（相對于早期都有所減少），因此CO排放量相近，且相對于早期都有所減少。

氮氧化物（NOx）排放形成需要高溫和富氧的條件。圖11給出的是本試驗中兩種不同起動策略下的NOx排放。原機起動的NOx排放峰值是448ppm，準恒速啟動的峰值是164ppm，兩種起動策略的NOx排放穩定值都是大約50ppm。在起動的早期，原機起動的NOx排放明顯高于準恒速起動的NOx排放，這是因為原機起動需要缸內燃燒做功來加速發動機，而準恒速起動則只需要目標怠速即可。因此，在起動的早期，相比于準恒速起動，原機起動進入缸內燃燒的混合氣質量很大，所以，原機起動在早期燃燒放熱就多，其缸內溫度就會高，產生的NOx排放就會多。當發動機逐漸進入穩定的怠速工況后，兩種策略下進入缸內的混合氣都會減少并趨于穩定，因此，兩種策略下的NOx排放都會逐漸減少并趨于穩定。在怠速工況，兩種策略下發動機工況相似，因此NOx的排放也相等。

圖10 不同啟動策略下C〇排放

圖11 不同啟動策略下N〇x排放

3 結語

本文針對城市工況中混合動力頻繁停機/再起動的特點提出了一種準恒速起動策略，并試驗研究了其起動表現，試驗結果與原機起動策略相對比，主要的結論如下：準恒速起動的發動機不需要通過缸內燃燒來加速，因此，發動機開始輸出功后轉速波動明顯減小，起動的瞬態特性削弱；相比于原機起動，準恒速起動策略下，進入氣缸內的混合氣濃度更快地達到理論空燃比；準恒速起動的起動階段減少了燃油消耗，節油性提升；準恒速起動策略下，起動早期HC，CO和NOx排放明顯減少。

參考文獻：

[1]韓立偉．缸內直噴汽油機應用起動—停止技術的研究[D]．吉林大學,2010．

[2]Fangxi Xie,Xiaoping Li,Yan Su ,Wei Hong． Influence of air and EGR dilutions on improving performance of a high compression ratio spark-ignition engine fueled with methanol at light load[J]．Applied Thermal Engineering, 2016,94,559-567．

[3]John Bishop,Ashok Nedungadi,Gregory Ostrowski,et al．An engine start/stop systerm for improved fuel economy[C]．SAE paper,No．2007-01-1777,2001．

[4]Moritaka Matsuura,Koji Korematsu,Junya Tanaka ．FuelConsumption Improvement of Vehicles by Idling Stop ．． SAE Paper2004-01-1896 ．2004．

[5]李理光,李獻菁,陸海峰,鄧俊．混合動力汽車發動機電機拖動策略和起動性能的研究[J]．汽車工程,2016,38(02):133-140．

[6]王存磊,殷承良,于海生．混合動力系統用發動機冷起動排放[J]．上海交通大學學報,2010,44(10):1352-1355．

[7]Naeim A．Henein,Dinu Taraza,Nabil Chalhoub,et al．Exploration of the Contribution of the Start/Stop Transients in HEV Operation and Emissions[C]．SAE Paper,No．2000-01-3086,2000．

[8]Cheng Y,Wang J X,Zhuang R J,et al． Analysis ofcombustion behavior during cold start and warm upprocess of SI engine[C]．SAE Paper．2001．

[9]于水．混合動力汽車汽油機起動工況瞬態燃燒和排放特性研究[D]．上海交通大學，2009．

[10] Yu S． Multi-Coil High Frequency Spark Ignition to Extend Diluted Combustion Limits[J]． Springer Berlin Heidelberg ,2013,189:217-227．

[11]王振鎖，李理光，宮長明等．基于循環的LPG電噴發動機冷起動探究[J]．內燃機學報，2004,22（4）：337-344．

[12]Fischer HC,Brereton GJ．Fuel injection strategies to minimize cold-startHC emission[C]．SAE Paper,No．1997．

[13]Liguang Li,Zhensuo Wang,Changming Gong．Investigation of Cold Start Based on Cycle to Cycle Control Strategy in an EFI LPG Engine[C]．SAE Paper,No．2004．

[14]Zhiming Liu,Liguang Li,Baoqing Deng．Cold Start Characteristics at Low Temperatures Based on the First Firing Cycle in an LPG Engine[J]．Energy Conversion and Management,2007,（48）:395-404．

[15]于水，董光宇，高原等．基于循環分析的發動機快速啟動瞬態燃燒特性[J]．內燃機學報，2008,26（5）：404-409．

[16]Ohn H，Yu S,Min K．Spark timing and fuel injection strategy for combstion stability on HEV powertrain[J]．Control Engineering Practice,2010,18(11):1272-1284．

[17]Yu S,Zhang Y,Hu Z,et al．Fuel Injection Optimization during Engine Quick Start by Means of Cycle-by-Cycle Control Strategy for HEV Application[C]．SAE 2009 Powertrains Fuels and Lubricants Meeting．2009．

[18]周健豪，袁銀男，柳先強．PFI汽油機快速拖動啟動控制策略與碳氫排放[J]．內燃機工程，2011,32（5）：1-6．

[19]Li T,Deng K,Peng H,et al．Independent fuel injection strategy based on the initial piston positions for HEV engine quick start[J]．Fuel,2014,117(1)：733-741．

[20]Matsuura M,Korematsu K,Tanaka J,Fuel Consumption Improvement of Vehicle by Idling Stop[C]．SAE Fuels&Lubricants Meeting&Exhibition．2004．

[21]Jeffrey Wishart,Matthew Shirk,Tyler Gray,et al．Quantifying the Effects of Idle-Stop Systems on Fuel Economy in Light-Duty Passenger Vehicles[C]．SAE Paper,No．2012-01-0719,2012．