碳罐脫附策略對(duì)混動(dòng)車輛汽油機(jī)怠速燃燒影響研究

孫建軍，秦萬(wàn)里，盧維偉，田德辛，許杰，方會(huì)詠，黃偉山，劉義強(qiáng)

碳罐脫附策略對(duì)混動(dòng)車輛汽油機(jī)怠速燃燒影響研究

孫建軍，秦萬(wàn)里，盧維偉，田德辛，許杰，方會(huì)詠，黃偉山，劉義強(qiáng)

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

文章為了研究碳罐脫附策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性影響，在一臺(tái)PHEV混動(dòng)車型發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了不同碳罐吸附量，不同脫附流量，不同脫附時(shí)間和不同進(jìn)氣負(fù)荷條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳罐吸附量的增加，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性下降；碳罐脫附流量的增加，會(huì)導(dǎo)致燃燒穩(wěn)定性下降；脫附時(shí)間增加，燃燒穩(wěn)定性提升；進(jìn)氣負(fù)荷增加，燃燒穩(wěn)定性提升。

碳罐；脫附策略；怠速；燃燒穩(wěn)定性；混合動(dòng)力

引言

為應(yīng)對(duì)全球排放法規(guī)日益加嚴(yán)，各汽車公司對(duì)內(nèi)燃機(jī)的污染物排放重視程度越來(lái)越高，怠速工況作為乘用車汽油機(jī)最常用的工況，其排放也受到重點(diǎn)關(guān)注；另外，隨著客戶對(duì)車輛乘坐品質(zhì)的追求，怠速工況的NVH表現(xiàn)也是目前各主機(jī)廠攻關(guān)的重點(diǎn)。隨著排放法規(guī)對(duì)車輛蒸發(fā)物限值的加嚴(yán)，碳罐作為控制乘用車蒸發(fā)物排放的有效手段[1]，目前已經(jīng)成為乘用車的標(biāo)配。一方面，碳罐通過(guò)吸附燃油箱中過(guò)多的燃油蒸汽，實(shí)現(xiàn)降低整車蒸發(fā)物的目的，另一方面，通過(guò)控制碳罐的沖洗策略，也稱為脫附策略（下同），實(shí)現(xiàn)碳罐中活性碳再生，確保碳罐持續(xù)的吸附能力。碳罐吸附-脫附工作原理如圖1所示。

碳罐脫附時(shí)，脫附流量中不僅包含新鮮空氣，還會(huì)包含燃油蒸汽，這部分燃油蒸汽最終會(huì)進(jìn)入燃燒室被燃燒掉。但是不合理的碳罐脫附策略會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒造成不利影響，甚至失火。脫附流量中的燃油蒸汽會(huì)對(duì)正常的空燃比控制產(chǎn)生影響，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱機(jī)怠速工況，尤其明顯。劉錫鑫，馬江濤等人通過(guò)研究碳罐連接嘴在進(jìn)氣歧管不同布置位置，得出布置位置差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃燒有重要影響的結(jié)論[2]。曹暑林，謝悅孝等人通過(guò)研究失火與催化器放熱的關(guān)系，得出連續(xù)失火將會(huì)導(dǎo)致催化器排溫劇烈升高，最終導(dǎo)致催化器的燒蝕的后果[3]。

圖1 碳罐工作原理

插電混動(dòng)作為控制排放和降低油耗的常用技術(shù)手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到實(shí)際中。本文中，筆者通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究不同的碳罐脫附策略對(duì)一臺(tái)插電混動(dòng)汽油機(jī)熱機(jī)怠速燃燒穩(wěn)定性的影響，并提出合理的優(yōu)化建議，為混動(dòng)車型碳罐開(kāi)發(fā)和脫附策略開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

表1 PHEV車型主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目指標(biāo)參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)排量/L1.5 最大功率/kW@ rpm130@5 500 最大扭矩/Nm@ rpm255@1 500～4 000 缸徑x行程L82 x 93.2 壓縮比10.5 電池和電機(jī)電池/kW11.3 電機(jī)功率/kW60 電機(jī)扭矩/Nm160 純電續(xù)航/km60 碳罐控制閥控制頻率/Hz35 最大流量/（kg/h）6 碳罐體積/L2

本文中的試驗(yàn)車輛搭載一臺(tái)1.5 L缸內(nèi)直噴的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)60 kW的電動(dòng)機(jī)，屬于PHEV車型。該車型主要的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。另外，本次試驗(yàn)用的PHEV車型所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)均無(wú)空調(diào)負(fù)載和發(fā)電機(jī)負(fù)載。在熱機(jī)怠速工況，插電混動(dòng)專用的汽油機(jī)相比傳統(tǒng)動(dòng)力汽油機(jī)，其熱機(jī)怠速的負(fù)荷更低，需要的進(jìn)氣量也更少，缸內(nèi)混合氣組織難度更高，燃燒過(guò)程對(duì)于不同的碳罐的脫附策略，也更加敏感。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

通過(guò)對(duì)比不同脫附策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失火情況，轉(zhuǎn)速波動(dòng)，空燃比波動(dòng)，研究脫附策略與燃燒穩(wěn)定性的關(guān)系。本次試驗(yàn)，通過(guò)修改碳罐電磁閥的占空比信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同脫附流量的控制；通過(guò)加注不同油量的方法，實(shí)現(xiàn)碳罐不同的吸附量；通過(guò)更改充電負(fù)荷的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)不同負(fù)荷的改變。對(duì)于燃燒穩(wěn)定性的評(píng)估，主要采用失火頻次，轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度，動(dòng)態(tài)空燃比變化等指標(biāo)。主要試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法如下：

（1）熱機(jī)怠速，非充電工況，通過(guò)改變碳罐控制閥的占空比信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同脫附流量的控制，研究不同脫附流量與燃燒穩(wěn)定性的關(guān)系。試驗(yàn)前車輛應(yīng)加油，通過(guò)燃油攪動(dòng)增加燃油蒸發(fā)量，確保碳罐充分吸附燃油蒸汽。

（2）熱機(jī)怠速，非充電工況，相同脫附流量，研究不同碳罐吸附量[4]對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)車輛正常行駛至低油量，同時(shí)手動(dòng)控制碳罐電磁閥長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟，使碳罐保持脫附狀態(tài)，持續(xù)沖洗碳罐中吸附的燃油蒸汽，確保碳罐處于最低吸附量，進(jìn)行測(cè)試；然后將車輛加滿油，手動(dòng)控制碳罐電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，禁止碳罐脫附，確保碳罐處于最大吸附量狀態(tài)，然后進(jìn)行測(cè)試。

（3）熱機(jī)怠速，非充電工況，維持恒定脫附流量，研究脫附時(shí)間對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響。參考上述操作步驟，使車輛初始狀態(tài)保持較高的碳罐吸附量，手動(dòng)控制碳罐電磁閥開(kāi)啟，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)控并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（4）熱機(jī)怠速，不同負(fù)荷工況，研究相同脫附流量，不同進(jìn)氣負(fù)荷對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響。確保碳罐處于較高的燃油蒸汽吸附量狀態(tài)，通過(guò)手動(dòng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的充電扭矩，實(shí)現(xiàn)改變發(fā)動(dòng)機(jī)怠速負(fù)荷的目的。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

全部測(cè)試采用ETAS公司生產(chǎn)的ES592進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，記錄ECU內(nèi)部的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并根據(jù)此記錄進(jìn)行燃燒穩(wěn)定性評(píng)估。

3.1 不同脫附流量對(duì)燃燒的影響

如圖2所示，當(dāng)碳罐控制閥的占空比按照0/7%/36%階梯變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)失火頻率成正比例變化，尤其在占空比36%時(shí)，失火頻率急劇增多。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比信號(hào)出現(xiàn)短暫的偏稀過(guò)程，并且伴隨空燃比信號(hào)波動(dòng)幅度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度也輕微變大。

整個(gè)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量幾乎不變，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量，明顯減少。說(shuō)明碳罐脫附流量中含有大量燃油蒸汽，迫使噴油器噴減少噴油量，以確保混合氣始終維持在理論空燃比附近。通過(guò)本試驗(yàn)，證明相同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨著脫附流量增加而降低。

圖2 脫附流量與燃燒穩(wěn)定性關(guān)系

3.2 碳罐吸附量差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響

相同脫附流量下，不同碳罐吸附量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒影響如圖3所示。當(dāng)碳罐控制閥的占空比按照0/7%/36%階梯變化時(shí)，最低碳罐吸附量情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有失火計(jì)數(shù)發(fā)生，空燃比信號(hào)穩(wěn)定，沒(méi)有明顯波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，噴油量變化不大；最大吸附量情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)失火計(jì)數(shù)迅速增加，空燃比信號(hào)大幅度波動(dòng)，且在進(jìn)氣量不變前提下，噴油量明顯減少。證明相同脫附流量下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨著碳罐吸附量的增加而降低。

圖3 碳罐吸附量差異對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響

3.3 連續(xù)脫附時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性影響

保持發(fā)動(dòng)機(jī)工況不變，相同脫附流量下，隨著脫附時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)怠速工況的失火計(jì)數(shù)次數(shù)程下降趨勢(shì)，空燃比信號(hào)波動(dòng)幅度減小，如圖4所示，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油量程逐漸上升的趨勢(shì)。證明相同脫附流量下，脫附流量中的燃油蒸汽比例逐漸減少，外部燃油對(duì)噴油器的影響降低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨脫附時(shí)間增加而提高。

圖4 連續(xù)脫附時(shí)間對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響

3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)工況差異對(duì)燃燒影響

在相同碳罐吸附量條件下，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)非充電工況與充電工況（充電扭矩20 Nm）下，碳罐脫附過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性的影響。測(cè)試結(jié)果如圖5所示，充電工況下，碳罐脫附流量大于非充電工況，但是瞬時(shí)失火計(jì)數(shù)遠(yuǎn)低于非充電工況。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量，充電工況下約是非充電工況的兩倍，證明相同碳罐吸附量條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣負(fù)荷越大，燃燒穩(wěn)定性越好，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣負(fù)荷增加而提高。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)工況差異對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響

4 總結(jié)和建議

通過(guò)上述給出的燃燒穩(wěn)定性對(duì)比結(jié)果，得出燃燒穩(wěn)定性不僅與碳罐的吸附量有關(guān)，還與碳罐的脫附策略和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況相關(guān)。在上述對(duì)比數(shù)據(jù)中，還揭示了新的的規(guī)律，即非充電工況怠速燃燒穩(wěn)定性增加時(shí)，同時(shí)伴隨噴油量增加；燃燒穩(wěn)定性惡化時(shí)，同時(shí)伴隨噴油量減少。在充電工況，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，噴油量大幅度增加，燃燒穩(wěn)定性提升明顯。

由此可以推斷碳罐脫附時(shí)，脫附流量中包含的燃油蒸汽，會(huì)導(dǎo)致噴油器噴油量的減少，造成噴油器容易進(jìn)入流量非線性區(qū)，最終噴油器實(shí)際噴油量與需求值不符，造成缸內(nèi)混合氣空燃比波動(dòng)，燃燒穩(wěn)定性下降，這個(gè)推斷需要進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證；另外，脫附流量是否均勻分配到所有氣缸中，也是影響燃燒穩(wěn)定性的可能原因，需要進(jìn)一步研究。

為了提升熱機(jī)非充電怠速工況發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性，建議增加發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備扭矩，通過(guò)增加怠速進(jìn)氣量來(lái)稀釋脫附流量，降低脫附流量對(duì)燃燒穩(wěn)定性的負(fù)面作用。還有，通過(guò)智能識(shí)別加油事件，合理優(yōu)化碳罐脫附策略，優(yōu)化怠速脫附流量也是改善燃燒穩(wěn)定性的有效手段。

[1] 林志昌,邵亞賓.脫附流量對(duì)炭罐蒸發(fā)排放性能的影[J].2020中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文,2107-2110.

[2] 劉錫鑫,馬江濤,蔡昊.碳罐接管嘴布置位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2016,29(6):188-190.

[3] 曹暑林,謝悅孝.基于催化器放熱效應(yīng)的失火故障閥值匹配方法研究[J].上海汽車,2020(02):10-14.

[4] 周祥云,張磊,黃敬鋒,等.基于國(guó)六法規(guī)的碳罐脫附流量對(duì)蒸發(fā)排放性能的影響[J].汽車實(shí)用技術(shù),2020(02):78-80.

Investigation of the Canister Desorption and Engien Combustion on a PHEV Vehicle

SUN Jianjun, QIN Wanli, LU Weiwei, TIAN Dexin, XU Jie, FANG Huiyong, HUANG Weishan, LIU Yiqiang

（Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336）

In order to study the influence of the carbon canister control strategy on the combustion stability of the engine's idle condition, the author conducted different canister adsorption capacity, different desorption flow, different desorption time and different load conditions on a PHEV hybrid engine. The analysis of the test results shows that the increase of the adsorption capacity of the carbon canister will lead to the decrease of the combustion stability; the increase of the desorption flow will lead to the decrease of the combustion stability; the increase of the desorption time will increase the combustion stability; the increase of the engine load will get a significant improvement.

Canister; Desorption; Low idle; Combustion stability; Hybrid

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.038

TK 421

A

1671-7988(2021)21-145-04

TK 421

A

1671-7988(2021)21-145-04

孫建軍（1987—），男，中級(jí)工程師，工程碩士，就職于寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，主要從事內(nèi)燃機(jī)性能和排放開(kāi)發(fā)。