ESM起停系統(tǒng)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(fā)總院，長春 130011）

主題詞：PFI汽油機 ESM起停系統(tǒng) 油耗 排放

1 前言

隨著我國汽車保有量的快速增加，城市內(nèi)交通擁堵情況日益嚴(yán)重，為避免汽車怠速停車時發(fā)動機不輸出有用功而空費燃油的情況，國內(nèi)外眾多汽車研究者及研究機構(gòu)針對怠速起停系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)研究，在起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開發(fā)、起停過程分析及控制策略制定等方面均積累了豐富的經(jīng)驗[1]。

當(dāng)前汽車怠速起停系統(tǒng)根據(jù)起動機的不同分為BSG（Belt Driven Starter Generator）系統(tǒng)、ISG（Integrated Start?er and Generator）系統(tǒng)及ESM（Energy Saving Motor）系統(tǒng)等3類。BSG系統(tǒng)通常借助起動/發(fā)電一體式電機實現(xiàn)車輛的怠速起停[2-3]；ISG系統(tǒng)的車輛起停實現(xiàn)策略與BSG系統(tǒng)大致相同，僅將BSG電機更換成了ISG電機[4]；在ESM系統(tǒng)中傳統(tǒng)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(fā)動機拖動起來。相比傳統(tǒng)起動電機，增強型起動機的工作壽命大幅延長，起動次數(shù)增加，使汽車能夠適應(yīng)頻繁起停。與其它兩種起停系統(tǒng)相比，ESM方式具有成本低、原車結(jié)構(gòu)變動小等優(yōu)點，但也存在節(jié)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(tǒng)和油耗排放性能等基礎(chǔ)上，研究了ESM起停系統(tǒng)的整車控制策略，通過理論分析及標(biāo)定測試確定了各控制參數(shù)的閾值，并在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上應(yīng)用碳平衡法[5]測試了ESM起停系統(tǒng)對某大排量PFI（進(jìn)氣道燃油噴射）汽油車NEDC循環(huán)油耗的影響。

2 ESM起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 起停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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

表1 整車及發(fā)動機主要參數(shù)

根據(jù)該車型裝備定義要求，增加ESM起停系統(tǒng)需新增的部件包括防霧傳感器、起停系統(tǒng)關(guān)閉開關(guān)等；需更改的部件包括強化起動機、智能發(fā)電機、AGM電池、起動繼電器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器等，如圖2所示。

發(fā)動機控制器通過CAN收集TCU、ESP等控制器和起停系統(tǒng)關(guān)閉開關(guān)、真空度傳感器等信息，結(jié)合發(fā)動機控制器自身采集的一些信號，根據(jù)起停系統(tǒng)控制邏輯來控制發(fā)動機的起機和停機。起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 停機前提條件

發(fā)動機停機主要考慮如下因素：

a. 安全性相關(guān)問題，如安全帶是否系緊、發(fā)動機艙蓋是否關(guān)閉、駕駛員側(cè)車門是否關(guān)閉等；

b.舒適性相關(guān)問題，如空調(diào)是否開啟；

c.電控系統(tǒng)相關(guān)問題，如起停系統(tǒng)有無相關(guān)故障、變速器是否使能；

d. 系統(tǒng)需求問題，如制動系統(tǒng)真空度、蓄電池電量和溫度、冷卻液溫度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角等；

e.起停禁止按鍵是否處于關(guān)閉狀態(tài)。

起停系統(tǒng)停機流程見圖4。

圖4 起停系統(tǒng)停機流程

2.3 起機控制策略

發(fā)動機起機主要考慮安全性問題（如安全帶是否系緊、發(fā)動機艙蓋是否關(guān)閉、駕駛員側(cè)車門是否關(guān)閉）及電控系統(tǒng)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(fā)起動發(fā)動機。起機流程見圖5。

2.4 停機過程重起

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

a.發(fā)動機自行重起。如果發(fā)動機轉(zhuǎn)速足夠高，可直接恢復(fù)供油重起發(fā)動機；

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

圖5 起停系統(tǒng)起機流程

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

圖6 恢復(fù)供油重起示意

圖7 起動機輔助重起示意

2.5 起?？刂聘髯兞块撝翟O(shè)定

根據(jù)蓄電池性能和整車用電系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)定蓄電池SOC及溫度的閾值；根據(jù)整車油耗及發(fā)動機摩擦功、耐久性需求設(shè)定發(fā)動機冷卻液溫度閾值；根據(jù)制動系統(tǒng)真空度對制動效果的影響設(shè)定制動系統(tǒng)真空度閾值；根據(jù)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(shè)定制動主缸壓力閾值。相關(guān)參數(shù)的閾值設(shè)定見表2。

表2 起?？刂聘髯兞块撝?/p>

3 試驗結(jié)果及分析

起停策略確定后，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上分別在起停系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下進(jìn)行了NEDC工況油耗及排放測試。測量設(shè)備信息見表3。

表3 轉(zhuǎn)鼓測試設(shè)備信息

3.1 ESM怠速起停系統(tǒng)對油耗的影響

ESM怠速起停系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下的油耗測試結(jié)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(jìn)入起?？刂?。經(jīng)統(tǒng)計，在整個NEDC循環(huán)中，共停機12次，用時為224 s，占整個NEDC循環(huán)（1 180 s）的18.9%，油耗降低了7.5%。

圖8 起停功能開啟/關(guān)閉情況下的油耗測試曲線

表4 起停功能開啟/關(guān)閉情況下油耗測試結(jié)果

3.2 怠速節(jié)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(jié)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(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）通過進(jìn)氣量可計算出噴油量，進(jìn)而通過噴油量積分計算出發(fā)動機的油耗。針對12次停機的節(jié)油和11次起機的油耗增加情況進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)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(jié)油量

由表5可知，在12次停機中，EMS計算得到的怠速節(jié)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(huán)的里程為10.88㎞，所以節(jié)油量為1.06 L/100 km。而碳平衡法所得到的節(jié)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(qū)與進(jìn)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(jù)上述計算結(jié)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(dá)到節(jié)油的效果。

3.3 ESM怠速起停系統(tǒng)對排放的影響

ESM怠速起停系統(tǒng)開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)下的常溫冷起動后排氣污染物排放測試結(jié)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(tài)下常溫冷起動后排放測試結(jié)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(zhuǎn)化效果較好，在NEDC循環(huán)中第2個加速前三元催化器的中心位置即達(dá)到了300℃的起燃溫度，起停功能開啟是在第2個加速結(jié)束時（圖10），在起燃后三元催化器將大部分的排放物轉(zhuǎn)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(huán)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(guān)閉兩種狀態(tài)下的THC、CO的排放物秒采曲線，由圖可看出，兩種狀態(tài)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(fā)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(chǎn)生了較多的THC和CO。

圖11 起停功能開/關(guān)兩種情況下的THC排放秒采值

圖12 起停功能開/關(guān)兩種情況下的CO排放秒采值

在起停開啟的試驗中，發(fā)動機經(jīng)歷了停機-起動-加速的過程，在停機時排氣系統(tǒng)儲存了較多的氧，所以在后續(xù)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(guān)閉的試驗中發(fā)動機經(jīng)歷了怠速-加速的過程，由于在怠速處過量空氣系數(shù)λ一直處于1，在后面的加速過程中無多余的氧與THC、CO進(jìn)行反應(yīng)，這些排放物隨即從排氣尾管排出?？傮w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(guān)兩種情況下的NOx排放秒采值曲線。從圖13可看出，在循環(huán)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(jīng)歷了停機-起動-加速-穩(wěn)速-減速的過程，由于在停機階段三元催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)儲存了相對較多的氧氣，抑制了NOx的還原反應(yīng)，進(jìn)而使得NOx轉(zhuǎn)換效率降低，排放略有增加。而起停關(guān)閉的試驗中，這幾處經(jīng)歷了怠速-加速-穩(wěn)速-減速的過程，排氣系統(tǒng)中氧濃度相對降低，這個過程中，NOx的還原反應(yīng)正常進(jìn)行，故NOx的排放相對減低?？梢姡鹜９δ荛_啟后NOx排放略有升高的趨勢。

圖13 起停功能開/關(guān)兩種情況下的NOx排放秒采值

4 結(jié)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(yīng)用的ESM起停系統(tǒng)的組成、控制邏輯，制定了發(fā)動機控制器的起停系統(tǒng)控制邏輯，在相同條件下，分別在起停功能開啟/關(guān)閉兩種情況下進(jìn)行了NEDC循環(huán)的碳平衡法油耗測試。測試結(jié)果表明，起停系統(tǒng)功能開啟時的油耗為9.24 L/100 km，關(guān)閉時的油耗為9.99 L/100 km，節(jié)油量為0.75 L/100 km，節(jié)油率為7.5%。起停系統(tǒng)大幅降低了該車型NEDC循環(huán)的油耗，ESM怠速起停系統(tǒng)開啟后，該車型的THC、NMHC和CO排放趨于降低，NOx排放略有升高。