國六重型天然氣汽車失火標定研究

曹林 吳順清 楊顯利 王龍宇

（一汽解放汽車有限公司商用車開發院,長春 130011）

0 引言

2018年6月，生態環境部和國家市場監督管理總局聯合發布了GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]，2019年排放法規在重型天然氣汽車產品上率先實施。法規在天然氣汽車失火監測方面，只有“失火會導致催化器損壞”功能監測一項要求，主機廠因缺乏細節指導，解讀各異，因此，失火監控策略設計、設計管控都有缺陷。失火標定作為抑制失火的重要一環，并未考慮重型車車型多、工況多和場景多的復雜性，暴露出源自輕型車失火標定策略和方法上的缺陷，因此需要繼續改進重型商用車標定策略。

本文聚焦國六天然氣汽車標定兩大核心領域，即廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation,EGR）標定、過量空氣系數（λ）標定。結合重型天然氣車的車型特點和場景特點開展研究，從具體問題入手，制定行之有效的標定策略和方法，形成基于場景的重型天然氣汽車標定技術。

1 研究背景

典型場景包括整車運行在山區、高原、高寒、高濕地區。不同場景失火問題都要自身特點，嚴重性各不相同。失火后果具體表現：

（1）輕微失火后，發動機轉速不穩、動力下降、油耗增加、排放惡化。

（2）嚴重失火后，發動機未燃混合氣進入排氣系統中繼續燃燒，造成三元催化器高溫失效，甚至燒損。三元催化器高溫失效不可逆，生產企業和用戶蒙受經濟損失（圖1）。

圖1 催化器燒損后的內部殘渣

2 失火原因分析

發動機失火原因復雜，在對諸多失火模式分析整理后，確定3種導致發動機失火的直接原因（圖2）：

圖2 發動機失火原因分析

（1）點火失敗；

（2）EGR率高；

（3）可燃混合氣濃（λ偏濃）。

點火、EGR和可燃混合氣濃度是導致失火背后的深層原因，與發動機設計、零部件質量和整車標定策略都有關。其中，零部件質量涉及點火線圈、火花塞、EGR閥、加熱型氧傳感器、進氣質量傳感器和噴嘴，覆蓋了發動機進排氣、燃氣和點火系統。因此，解決零部件故障對抑制失火十分重要。

在“EGR率高”和“可燃混合氣濃”原因分析中，整車標定策略起重要作用。本文結合具體實例，從整車標定策略角度分析“EGR 率高”和“可燃混合氣濃”問題成因和解決方案。

3 EGR標定對失火影響研究

“EGR率高”和重型商用車使用場景復雜有關，針對以下4種場景下失火問題進行研究：

（1）EGR開啟標定對失火影響研究；

（2）抑制高原失火的EGR新策略研究；

（3）抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略研究；

（4）抑制高濕失火的EGR新策略研究。

3.1 EGR開啟標定對失火影響研究

EGR 開啟標定包括延遲標定、速率標定，結果直接影響發動機瞬態混合氣混合比，影響發動機瞬態性能、失火和爆震。建立有效的標定策略和方法是標定尋優的關鍵。

3.1.1 標定方法

首先選取一個工況點：即轉速為1 000 r/min、負荷為35%，研究EGR 開啟延遲和開啟速率的最優值，然后研究全轉速范圍內最優值。

失火監控主要是通過監控參考催化器內溫度來實現，在其內部的前、中、后區域布置9個熱電偶，監控不同位置的溫度，標定選取溫度相對穩定的第4、5、6測溫點（圖3）。

圖3 催化器內測溫點分布

（1）EGR開啟延遲與失火關系

試驗采集數據（圖4）顯示，從左到右EGR 開啟延遲時間依次：0.5 s、1 s、1.5 s和2 s，隨著延遲時間增加：

圖4 EGR開啟延遲標定數據

·EGR率波動隨EGR開啟延遲縮短而變大：

·延遲時間0.5 s，EGR率波動幅度達到15%；

·延遲時間1.5 s，EGR率波動幅度降為7%。

催化器內中心溫度（4、5、6 測溫點）與EGR 開啟延遲時間關系不大，一直比較穩定。

結論：EGR 開啟延遲對失火影響有限，EGR 率變化反應出失火趨勢明顯，但催化器溫度穩定，無明顯失火現象。而且，隨著EGR 開啟延遲時間增加，失火減弱，爆震增加。

（2）EGR開啟速率和失火關系

EGR開啟速率用步長（r/step）表示，試驗采集數據（圖5）中，從左到右開啟步長依次為0.04、0.06、0.08和0.1 r/step。隨著步長增加，EGR開啟速率也增加：

圖5 EGR開啟速率標定數據

·催化器中心峰值溫度越高；

·EGR率波動幅度越大；

·失火率增加，在速率為0.1 r/step左右，失火率已接近故障診斷限值。

結論：EGR開啟速率比延遲對失火影響大，開啟速率受失火和爆震邊界的約束，各工況下最優值不同。

綜上所述，轉速為1 000 r/min、負荷為35%工況時，EGR參數如下：

·EGR開啟延遲最優值為2 s；

·EGR開啟速率最優值為0.1 r/step。

（3）全轉速范圍內EGR開啟性能

由于EGR開啟工況在低負荷區，EGR開啟性能主要與發動機轉速有關。標定策略設計只考慮發動機轉速影響。全轉速掃點標定后，得到本車型EGR開啟延遲和EGR開啟速率的最優值（圖6）。

圖6 EGR開啟延遲時間和速率最優值

3.1.2 標定應用

EGR 開啟性能最主要應用在整車動力性標定中。整車動力性標定要求EGR開啟性能數據，在整車加速、爆震、失火三者之中尋求最優值，達成平衡。

（1）改進前，EGR 從a 點進入（圖7），加速過程中，實際進氣負荷低于目標負荷8 kPa，達到目標值時間要12 s，表現為整車動力弱，發動機有失火現象。

圖7 動力性標定數據

（2）改進后，EGR 進入時間提前，且速率提升，達到目標值時間縮短6 s。整車表現動力充沛，發動機無失火和無爆震現象（圖7）。

3.2 抑制高原失火的EGR新策略研究

3.2.1 問題描述

重型車在瞬態工況下負荷變化大，EGR、空氣和燃氣難以實現“三氣”的理論配比，發動機易發生失火。特別在高原低氣壓環境下，進氣壓力上升緩慢，發動機更易發生失火。輕型車失火標定策略使用“需求負荷計量實際EGR率”的EGR計量策略，適用負荷變化小、路況單一的車型，不能適用重型車多車型、復雜路和多工況場景（表1），在高原低氣壓環境下失火問題明顯放大[2]。因此，提高瞬態下“三氣”的相互跟隨性，是抑制瞬態失火的關鍵。

表1 重型車和輕型車特征對比

3.2.2 新標定策略和效果

輕型車策略使用在重型車上，瞬態會出現實際負荷跟隨需求負荷延遲大，進而實際EGR 跟隨需求EGR 有延遲，瞬態下空氣與EGR 配比失衡，導致失火。

新策略核心是“實際負荷計量實際EGR率”，直接使用進氣負荷傳感器測得實際負荷，以實際負荷為基礎計算實際EGR 率，更接近實際需求量，根本解決瞬態失火問題（圖8）。

圖8 EGR瞬態標定新策略

標定策略改進前后，在海拔2 800 m 的高原地區進行了連續換擋工況試驗，結果見圖9。

圖9 高原連續換擋標定數據

原策略下，瞬態工況下EGR 率異常波動、催化器內部高溫、失火率增加、發動機轉速劇烈波動，失火情況嚴重。

新策略下，EGR 率波動減小、催化器內部溫度降低、失火率減小、發動機轉速穩定。失火風險降低，具體測試數據如表2所示。

表2 連續換擋加速數據分析（海拔高度為2 800 m）

3.3 抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略

3.3.1 問題描述

天然氣燃燒產物中水含量多，低溫寢車后，會出現EGR 閥內部結冰現象（圖10）。車輛行駛前要對EGR 閥做化冰處理，化冰后的大量水瞬間激增，車輛加速時發動機失火風險加大，嚴重影響車輛行車。

圖10 EGR閥低溫結冰

化冰后EGR 閥開啟,水進入氣缸后，失火造成發動機轉速劇烈波動，并觸發了失火保護（圖11）。

圖11 EGR閥化冰后失火標定數據

3.3.2 新標定策略和效果

新策略從結冰預防、化冰標定2 方面優化升級，提前采取措施降低EGR 閥結冰風險，化冰后采取根據EGR 結冰嚴重程度限制發動機扭矩輸出、調整監控等級措施，保護發動機安全，保證行車安全（表3）。

表3 EGR化冰失火標定策略

新策略應用后，在不改變EGR 閥布置前提下，環境溫度高于-25 ℃，EGR閥化冰后發動機正常運行，方案已實現產品應用。

3.4 抑制高濕失火的EGR新策略

3.4.1 問題描述

在高濕、高熱環境下，濕熱空氣在中冷器內冷凝，冷凝的水跟隨混合氣進入燃燒室，燃燒過程中也產生大量水，導致出現失火現象[3]。本機型在不同濕度下，額定功率點性能變化如下（圖12）：

圖12 缸壓和放熱率的濕度特征

（1）燃燒重心推遲上止點前2.2°；

（2）燃燒持續期延長到上止點后2.6°；

（3）循環變動增加0.7%；

（4）氣缸壓力平均下降12%；

（5）放熱率下降14%。

3.4.2 新標定策略和效果

在海南高濕環境下失火問題：在環境溫度為30 ℃、絕對濕度22 g/kg 條件下，穩態行駛發動機轉速在1 000～1 500 r/min行駛時出現高濕失火現象，發動機轉速波動幅度超過10%。

新策略將潮濕空氣作為惰性氣體處理。濕度偏大時，適當降低實際EGR率，保持總EGR率不變。降低高濕度下失火風險；濕度降低，實際EGR率再恢復正常。

新策略應用后，試驗采集數據顯示：

（1）環境溫度為30 ℃；

（2）絕對濕度24 g/kg。

EGR 率減少3.5%，抵消濕度過高的影響，失火消除（圖13）。

圖13 高濕失火標定數據

4 λ標定對失火影響研究

λ偏濃易失火，此時多余甲烷后燃，可能造成催化器失效或燒損。λ偏差標定的要求在±3%內。

4.1 λ偏差成因

λ偏差成因和標定精度、硬件狀態、環境溫度和壓力以及天然氣氣質差異因素有關。整理分析相關失火問題后，確定λ偏差的7方面主要原因：

（1）瞬態油量偏差；

（2）進氣模型偏差；

（3）噴嘴流量偏差；

（4）開環標定偏差；

（5）緩沖罐泄漏；

（6）點火系統故障；

（7）傳感器故障。

4.2 怠速開環標定

4.2.1 問題描述

開環標定偏差，主要在冷起動后的怠速工況。發動機起動后，氧傳感器在露點達到溫度前的工作，稱為λ開環工作，環境溫度越低開環時間越長。此時，進氣溫度低、機油粘度大、附件阻力大，無油量閉環修正的λ值，極易出現偏差[4]。

怠速開環的基礎標定在熱機下完成，核心標定工作是確認λ失火邊界。

4.2.2 熱機怠速λ開環標定

（1）λ失火邊界評估

怠速工況最直接評估λ值合理性的參量是催化器內部溫度和發動機轉速變化率，可作為λ邊界的評價指標（表4）。

表4 熱機怠速λ邊界評價指標

（2）λ邊界標定

當λ<1 時，順序設定λ為1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75。

當λ>1時，順序設定λ為1.05、1.1、1.15、1.2、1.25。

當λ<1時，隨著λ濃度升高，催化器溫度急劇上升，當達到λ達0.75時，溫度升至800 ℃，超過催化器失效溫度，失火趨勢加劇。

λ>1，隨著λ濃度減稀，催化器內部溫度平穩，由于天然氣機λ稀燃邊界約為1.57，λ裕度充足，怠速可適當偏稀，對催化器安全和發動機氣耗都有益處（圖14）。

圖14 怠速λ邊界標定試驗采集曲線

在熱機怠速工況下，λ與轉速波動和催化器溫度的統計曲線見圖15。

圖15 怠速λ與評價指標

分析λ、催化器溫度、發動機波動后，熱機怠速λ為0.97～1.04，發動機無失火，運行平穩安全。

4.2.3 暖機怠速λ開環標定

（1）λ標定難點

·暖機發動機摩擦扭矩不斷變化；

·暖機轉速逐步減小；

·大排量發動機怠速各缸燃燒循環變動大；

·燃氣、點火硬件一致性差異。

以上因素疊加，暖機比熱機標定難度大。暖機開環標定要借助λ計量設備，時時監控開環λ變化值。

（2）λ邊界標定

·暖機怠速催化器溫度邊界與熱機相同；

·暖機轉速波動a，隨著環境溫度降低，要適當放寬2%～5%。

環境溫度-10 ℃時，λ開環到閉環全過程怠速試驗采集曲線見圖16。

圖16 怠速標定采集曲線（-10 ℃）

從試驗采集曲線看出，開環到閉環λ值過渡平穩，閉環時刻自學習斜率>0.95，截距系數<0.05。過渡過程穩定無失火，按照暖機怠速邊界要求，確定暖機怠速的開環λ值范圍是0.95～1.08，發動機運行正常，無失火，滿足工程目標要求。

5 結束語

本文基于實際天然氣汽車失火問題展開研究，圍繞問題涉及的國六失火標定技術短板深入分析，提出解決方案，效果明顯，已完成技術落地，實現產品應用。本文涉及的失火技術具有普遍代表性，對解決類似車型失火問題具有借鑒意義。