ESM起停系統對大排量PFI汽油機油耗和排放的影響

杜文暢 王爽健 蘇海龍 王康 趙弘志

（中國第一汽車集團有限公司研發總院，長春 130011）

主題詞：PFI汽油機 ESM起停系統 油耗 排放

1 前言

隨著我國汽車保有量的快速增加，城市內交通擁堵情況日益嚴重，為避免汽車怠速停車時發動機不輸出有用功而空費燃油的情況，國內外眾多汽車研究者及研究機構針對怠速起停系統進行了開發研究，在起停系統結構開發、起停過程分析及控制策略制定等方面均積累了豐富的經驗[1]。

當前汽車怠速起停系統根據起動機的不同分為BSG（Belt Driven Starter Generator）系統、ISG（Integrated Start?er and Generator）系統及ESM（Energy Saving Motor）系統等3類。BSG系統通常借助起動/發電一體式電機實現車輛的怠速起停[2-3]；ISG系統的車輛起停實現策略與BSG系統大致相同，僅將BSG電機更換成了ISG電機[4]；在ESM系統中傳統的起動機被一種新型增強型起動機替代，通過增強型起動機將發動機拖動起來。相比傳統起動電機，增強型起動機的工作壽命大幅延長，起動次數增加，使汽車能夠適應頻繁起停。與其它兩種起停系統相比，ESM方式具有成本低、原車結構變動小等優點，但也存在節能效果相對較低的問題。為此，本文在重點考慮駕駛員安全性、舒適性、電控系統和油耗排放性能等基礎上，研究了ESM起停系統的整車控制策略，通過理論分析及標定測試確定了各控制參數的閾值，并在轉鼓試驗臺上應用碳平衡法[5]測試了ESM起停系統對某大排量PFI（進氣道燃油噴射）汽油車NEDC循環油耗的影響。

2 ESM起停系統結構及工作原理

2.1 起停系統的結構

以某大排量PFI汽油車上為降低油耗而增加的ESM起停系統為研究對象，系統原理如圖1所示，整車及發動機主要參數如表1所列。

表1 整車及發動機主要參數

根據該車型裝備定義要求，增加ESM起停系統需新增的部件包括防霧傳感器、起停系統關閉開關等；需更改的部件包括強化起動機、智能發電機、AGM電池、起動繼電器、發動機轉速傳感器等，如圖2所示。

發動機控制器通過CAN收集TCU、ESP等控制器和起停系統關閉開關、真空度傳感器等信息，結合發動機控制器自身采集的一些信號，根據起停系統控制邏輯來控制發動機的起機和停機。起停系統結構如圖3所示。

圖3 起停系統結構

2.2 停機前提條件

發動機停機主要考慮如下因素：

a. 安全性相關問題，如安全帶是否系緊、發動機艙蓋是否關閉、駕駛員側車門是否關閉等；

b.舒適性相關問題，如空調是否開啟；

c.電控系統相關問題，如起停系統有無相關故障、變速器是否使能；

d. 系統需求問題，如制動系統真空度、蓄電池電量和溫度、冷卻液溫度、轉向盤轉角等；

e.起停禁止按鍵是否處于關閉狀態。

起停系統停機流程見圖4。

圖4 起停系統停機流程

2.3 起機控制策略

發動機起機主要考慮安全性問題（如安全帶是否系緊、發動機艙蓋是否關閉、駕駛員側車門是否關閉）及電控系統問題（如變速器是否使能）。在以上各因素得到滿足后，可以通過駕駛員和自動觸發起動發動機。起機流程見圖5。

2.4 停機過程重起

在發動機自動停機過程（發動機逐漸停轉的過程）中，如果自動起機的需求滿足，需要發動機立即重新起動，這種情況下根據發動機當前的轉速采用兩種不同的重起策略：

a.發動機自行重起。如果發動機轉速足夠高，可直接恢復供油重起發動機；

b.起動機輔助重起。如果發動機轉速低至需起動機介入方能重起的情況下，則需等待發動機停止后接通起動機帶動發動機重起。

圖5 起停系統起機流程

根據發動機和起動機的性能，將恢復供油重起發動機的轉速限值標定為300 r/min。即在發動機轉速從停機開始降低到300 r/min前可以進入直接恢復供油的起動模式，如圖6所示。若發動機轉速降低到300 r/min以下，則只能等待發動機停止后進入起動機輔助自動起動，如圖7所示。

圖6 恢復供油重起示意

圖7 起動機輔助重起示意

2.5 起停控制各變量閾值設定

根據蓄電池性能和整車用電系統負荷設定蓄電池SOC及溫度的閾值；根據整車油耗及發動機摩擦功、耐久性需求設定發動機冷卻液溫度閾值；根據制動系統真空度對制動效果的影響設定制動系統真空度閾值；根據制動的目的（如停車或減速以及起機或制動時駕駛員腳部活動等）設定制動主缸壓力閾值。相關參數的閾值設定見表2。

表2 起停控制各變量閾值

3 試驗結果及分析

起停策略確定后，在轉鼓試驗臺上分別在起停系統開啟和關閉兩種狀態下進行了NEDC工況油耗及排放測試。測量設備信息見表3。

表3 轉鼓測試設備信息

3.1 ESM怠速起停系統對油耗的影響

ESM怠速起停系統開啟和關閉兩種狀態下的油耗測試結果如圖8和表4所示。從車速曲線可以看出，在行車后的第2個怠速停車開始進入起停控制。經統計，在整個NEDC循環中，共停機12次，用時為224 s，占整個NEDC循環（1 180 s）的18.9%，油耗降低了7.5%。

圖8 起停功能開啟/關閉情況下的油耗測試曲線

表4 起停功能開啟/關閉情況下油耗測試結果

3.2 怠速節油分析

怠速停機時，雖然省去了怠速階段的油耗，但是又在每次停機后增加了1次起動，而起動階段的噴油量要高于怠速階段（圖9），所以怠速節油率取決于怠速油耗率、怠速時間和起動過程中油耗的增加量。發動機管理系統（EMS）通過進氣量可計算出噴油量，進而通過噴油量積分計算出發動機的油耗。針對12次停機的節油和11次起機的油耗增加情況進行了統計，結果見表5。

圖9 起動/怠速階段的噴油量對比

表5 EMS計算的怠速節油量

由表5可知，在12次停機中，EMS計算得到的怠速節油總量為119.87 ml，11次起動油耗增加總和為4.69 ml。因為整個NEDC循環的里程為10.88㎞，所以節油量為1.06 L/100 km。而碳平衡法所得到的節油量為0.75 L/100 km，兩者之間存在偏差，這是因為：一是噴油器特性中的非線性區與進氣道存在油膜；二是理論空燃比（14.7）與實際空燃比之間有所偏差。

根據上述計算結果可知，在12次停機中平均怠速油耗為0.54 ml/s，在11次起動中，平均每次起動增加的油耗為0.43 ml，可見，只要停機0.8 s以上即可達到節油的效果。

3.3 ESM怠速起停系統對排放的影響

ESM怠速起停系統開啟和關閉兩種狀態下的常溫冷起動后排氣污染物排放測試結果見表6。由表6可知，起停功能對該車型的排放影響很小，怠速起停開啟后，CO、THC、NMHC排放有降低的趨勢，NOx排放有升高的趨勢。

表6 ESM怠速起停狀態下常溫冷起動后排放測試結果

起停功能對該車型的排放影響較小的原因是，該車型的三元催化器轉化效果較好，在NEDC循環中第2個加速前三元催化器的中心位置即達到了300℃的起燃溫度，起停功能開啟是在第2個加速結束時（圖10），在起燃后三元催化器將大部分的排放物轉化掉，所以起停功能對于該車型排放的影響很小。

圖10 NEDC循環中三元催化器起燃情況

圖11和圖12為ESM怠速起停功能開啟和關閉兩種狀態下的THC、CO的排放物秒采曲線，由圖可看出，兩種狀態下的秒采曲線整體上非常接近，但在幾個加速、減速處有些差異，對比這些差異點的發動機工況，在這些加速、減速處由于是過渡工況空燃比較濃，產生了較多的THC和CO。

圖11 起停功能開/關兩種情況下的THC排放秒采值

圖12 起停功能開/關兩種情況下的CO排放秒采值

在起停開啟的試驗中，發動機經歷了停機-起動-加速的過程，在停機時排氣系統儲存了較多的氧，所以在后續的起動和加速過程中可以在三元催化器處將大部分THC和CO氧化還原，而在起停關閉的試驗中發動機經歷了怠速-加速的過程，由于在怠速處過量空氣系數λ一直處于1，在后面的加速過程中無多余的氧與THC、CO進行反應，這些排放物隨即從排氣尾管排出。總體來說，起停功能開啟后THC、NMHC、CO排放有降低趨勢。

圖13是起停功能開/關兩種情況下的NOx排放秒采值曲線。從圖13可看出，在循環的第7、8、10、11個行車處，兩次排放有所差別。起停開啟的試驗中，這幾處經歷了停機-起動-加速-穩速-減速的過程，由于在停機階段三元催化轉化器內儲存了相對較多的氧氣，抑制了NOx的還原反應，進而使得NOx轉換效率降低，排放略有增加。而起停關閉的試驗中，這幾處經歷了怠速-加速-穩速-減速的過程，排氣系統中氧濃度相對降低，這個過程中，NOx的還原反應正常進行，故NOx的排放相對減低。可見，起停功能開啟后NOx排放略有升高的趨勢。

圖13 起停功能開/關兩種情況下的NOx排放秒采值

4 結束語

介紹了ESM起停功能對某大排量PFI汽油機油耗的影響，分析了該車型應用的ESM起停系統的組成、控制邏輯，制定了發動機控制器的起停系統控制邏輯，在相同條件下，分別在起停功能開啟/關閉兩種情況下進行了NEDC循環的碳平衡法油耗測試。測試結果表明，起停系統功能開啟時的油耗為9.24 L/100 km，關閉時的油耗為9.99 L/100 km，節油量為0.75 L/100 km，節油率為7.5%。起停系統大幅降低了該車型NEDC循環的油耗，ESM怠速起停系統開啟后，該車型的THC、NMHC和CO排放趨于降低，NOx排放略有升高。