串聯(lián)混動(dòng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)失火問題分析及改進(jìn)

李力

摘要：文章對某型插電式氣電串聯(lián)混合動(dòng)力公交車在實(shí)際使用過程中發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)失火（misfire）問題進(jìn)行調(diào)查和分析，并通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件策略優(yōu)化以解決問題。

關(guān)鍵詞：串聯(lián);混合動(dòng)力;天然氣;發(fā)動(dòng)機(jī);失火

1 ?背景

近年來，新能源汽車技術(shù)得到了長足發(fā)展。在公共交通領(lǐng)域，新能源公交車尤其是純電車公交車已基本取代傳統(tǒng)動(dòng)力車型。但是，在局部地區(qū)由于充電場站及充電裝置設(shè)置、電網(wǎng)電力供應(yīng)等問題，插電式混合動(dòng)力公交車（PHEV-Plugin Hybrid Electrical Vehicle）成為純電動(dòng)等新能源車型的有益補(bǔ)充。某市公交系統(tǒng)在部分線路采用插電式氣電串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，小型化（downsizing）的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作在能耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，通過響應(yīng)系統(tǒng)的扭矩請求來進(jìn)行啟停（start-stop）管理。電池、電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)相互配合，從而使系統(tǒng)具有耗能省、噪聲低、響應(yīng)快、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。

但是，在實(shí)際使用過程中，車輛上線早期頻繁出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)失火（misfire）現(xiàn)象，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高溫以及排氣高溫甚至周邊零部件燒熔、起火、抖動(dòng)、動(dòng)力不足等嚴(yán)重問題。

2 ?氣電串聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)基本工作原理及工作模式

2.1 公交客車實(shí)際使用工況特點(diǎn)及串聯(lián)混動(dòng)優(yōu)勢

公共交通客車在車輛實(shí)際使用過程中具有啟停頻繁、平均車速低且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大、長時(shí)間運(yùn)行等特點(diǎn)，采用天然氣串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)可以有以下優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)動(dòng)機(jī)小型化。以12米公交客車為例，發(fā)動(dòng)機(jī)排量可以由9升降至3升;②能耗低?？梢圆捎猛饨硬咫娍谶M(jìn)行充電，車輛在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)以純電驅(qū)動(dòng)模式運(yùn)行且發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)間;③噪聲低。發(fā)動(dòng)機(jī)排量較小，排氣噪聲及輻射噪聲相對較低，另外，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相較于柴油機(jī)燃燒噪聲也較低。

2.2 氣電串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)主要組成

如圖1所示，氣電串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由以下各基本單元組成：用以供氣的天然氣儲能裝置、當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)、與發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)并且?guī)⑼９δ艿陌l(fā)電機(jī)、充電器、動(dòng)力電池組、整流器以及驅(qū)動(dòng)車輛的牽引電機(jī)等。同時(shí)，還包括如制動(dòng)能量回收、DC-DC轉(zhuǎn)換器等輔助裝置。

2.3 氣電串聯(lián)系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)電池組SOC（state of charge）狀態(tài)以及車輛輔助系統(tǒng)功率需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)加權(quán)確定發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，從而確定發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率的功率跟隨模式。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)需求，選取合適的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩以工作在最佳工況下。根據(jù)車輪端動(dòng)力來源，可以將其工作模式分為以下幾個(gè)類型：

①純電驅(qū)動(dòng)模式。在純電驅(qū)動(dòng)模式下，牽引電機(jī)的能量全部來自于動(dòng)力電池，發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。

②純天然氣驅(qū)動(dòng)模式。在純天然氣驅(qū)動(dòng)模式下，牽引電機(jī)的能量全部來自于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。

③混合動(dòng)力模式。在該模式下，牽引電機(jī)能量來源以發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電為主，同時(shí)輔以電池組及剎車能量回收裝置等的能量。

在工程實(shí)踐中，通常根據(jù)公交車輛的實(shí)際使用路況、動(dòng)力電池組的性能、發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間等對上述三種模式進(jìn)行組合使用。

3 ?失火問題故障現(xiàn)象描述

某插電式混合動(dòng)力公交車，采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)串聯(lián)的工作方式。3.0升四缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程內(nèi)燃機(jī)，配有燃?xì)鈱?dǎo)軌，每個(gè)氣缸均有獨(dú)立的噴嘴進(jìn)行燃料噴射并獨(dú)立點(diǎn)火。

車隊(duì)車輛上線運(yùn)行后，陸續(xù)接到發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)、排氣溫度高、排氣系統(tǒng)零部件熱損壞、動(dòng)力不足等問題反饋。經(jīng)現(xiàn)場多次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這些現(xiàn)象都與天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)失火導(dǎo)致的缸內(nèi)燃燒不充分有關(guān)。故障發(fā)生所帶來的后果表現(xiàn)很容易被司乘人員主觀察覺并不同程度地影響駕乘感受。同時(shí)，排氣系統(tǒng)異常高溫也會(huì)帶來潛在的安全隱患。

3.1 排氣異常高溫

發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生失火問題時(shí)，缸內(nèi)混合氣未能完全燃燒，隨著排氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)（包括排氣歧管、增壓器、下排氣管、三元催化器等）二次燃燒。此時(shí)，排氣溫度一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)正常最高排溫750℃，進(jìn)而對機(jī)艙零件形成熱害、嚴(yán)重時(shí)甚至可能引起火災(zāi)。三元催化器中心溫度甚至可達(dá)千度以上從而燒熔金屬載體，如圖2所示。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)甚至停機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)生失火問題時(shí)，一個(gè)或多個(gè)氣缸工作不正常，導(dǎo)致動(dòng)力輸出不平衡，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)并通過車身部件傳導(dǎo)至車身、駕駛艙和乘客艙。常規(guī)公交客車一般為發(fā)動(dòng)機(jī)后置布置形式，抖動(dòng)現(xiàn)象在早期表現(xiàn)不明顯時(shí)比較難以發(fā)現(xiàn)，但隨著時(shí)間的推移失火率上升，振動(dòng)會(huì)越來越劇烈。

3.3 動(dòng)力不足

失火問題導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率輸出不足，電機(jī)的扭矩請求不能得到滿足，嚴(yán)重時(shí)車輛因動(dòng)力不足而導(dǎo)致無法正常行駛，影響車輛正常出勤。

4 ?故障原因分析

采用魚骨圖分析法（ISHIKAWA）分析和排除發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生失火問題的根本原因，如圖3所示。

從發(fā)動(dòng)機(jī)軟件標(biāo)定、燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械部分等四個(gè)方面共計(jì)27個(gè)小項(xiàng)進(jìn)行全面排查。逐項(xiàng)開展現(xiàn)場檢查、交叉試驗(yàn)、換件試驗(yàn)、技術(shù)文檔排查及相關(guān)驗(yàn)證等工作。最終識別出造成發(fā)動(dòng)機(jī)失火的原因主要集中在點(diǎn)火系統(tǒng)：

4.1 點(diǎn)火電壓不足

由于發(fā)動(dòng)機(jī)并未配置常規(guī)的交流發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)各用電系統(tǒng)的供電由整車提供。而整車系統(tǒng)名義電壓為24V，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)名義電壓為12V。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)供電需通過DC-DC轉(zhuǎn)換器獲得。從故障車輛采集數(shù)據(jù)來看，當(dāng)線圈充電時(shí)從DC-DC轉(zhuǎn)換器到線圈供電轉(zhuǎn)換接頭（發(fā)動(dòng)機(jī)與整車線路連接器）的電壓降至11V，壓降達(dá)1.3V;非充電狀態(tài)下的名義電壓為12.3V，而相應(yīng)的常規(guī)參考值分別為0.34V和14.5V，如表1所示。

同時(shí)，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從DC-DC轉(zhuǎn)換器到線圈供電轉(zhuǎn)接頭的線束長度長達(dá)6米，從供電轉(zhuǎn)接頭到線圈的長度為1米。冗長的線路造成了實(shí)際到線圈的阻值大電壓低，當(dāng)線圈充電的大電流又下造成較大的壓降，進(jìn)一步降低了到達(dá)點(diǎn)火線圈的有效電壓。

另外，在對現(xiàn)場車輛進(jìn)行實(shí)地檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，從整車線束到發(fā)動(dòng)機(jī)線束的供電轉(zhuǎn)接頭鎖止銷未能正確安裝，可能導(dǎo)致在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的線路接觸不良，進(jìn)一步加劇了供電的不穩(wěn)定性。

4.2 點(diǎn)火線圈污染

由于線圈制造過程及設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)（如圖4所示）原因，點(diǎn)火線圈及火花塞存在被液體污染的可能性：一是在制造過程中，為了安裝方便，點(diǎn)火線圈局部進(jìn)行了涂脂處理，安裝完成后油脂就留在了線圈本體上;二是在氣門室罩蓋和線圈之間的密封圈，可能存在滲水現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，整車下線時(shí)的淋雨試驗(yàn)和車隊(duì)日常的車輛清洗都會(huì)對機(jī)艙蓋進(jìn)行噴淋，雨水會(huì)進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部并殘存在氣門室罩蓋上，可能會(huì)導(dǎo)致該部位滲水。三是在氣門室罩蓋和缸蓋間的密封墊片漏油。

在對故障車輛檢查過程中，發(fā)現(xiàn)線圈存在一定程度的油污污染現(xiàn)象。而該種污染在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部長期高溫工作環(huán)境下，導(dǎo)致了點(diǎn)火線圈硅膠保護(hù)套開裂，如圖5所示，點(diǎn)火能量與周圍金屬零部件間“短路”從而造成高能點(diǎn)火能量泄露的“閃火”（flashover）現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)火能量不足從而造成混合氣不能充分燃燒。

4.3 點(diǎn)火線圈高溫

點(diǎn)火線圈正常工作溫度區(qū)間為-40～+140℃，即便是在最惡劣的情況下，最高150℃下的工作時(shí)間也不能超過一個(gè)小時(shí)，否則會(huì)引起點(diǎn)火線圈的損壞進(jìn)而引發(fā)點(diǎn)火性能問題。通過在點(diǎn)火線圈本體上布置熱電偶在車輛實(shí)際工作過程中采集溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度較高時(shí)，點(diǎn)火線圈溫度在充電完成后、發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)瞬間點(diǎn)火線圈溫度急劇升高，影響點(diǎn)火性能。

5 ?解決方法

根據(jù)上述分析結(jié)果逐一制定相應(yīng)的解決方案。

5.1 提高點(diǎn)火線圈輸入電壓及供電穩(wěn)定性

主要從以下幾個(gè)方面：①將DC-DC轉(zhuǎn)換器的額定輸出電壓從12.5V提高到14.5V，以補(bǔ)償電壓在供電線路上的壓降;②調(diào)整和優(yōu)化線路布置走向，縮短DC-DC轉(zhuǎn)換器到點(diǎn)火線圈的線束總長度從6.5米到3.5米從而減小線束本身的電阻;③更換供電轉(zhuǎn)接頭插件，并保證鎖止銷正確安裝以確保供電穩(wěn)定性，防止因車輛在行駛過程中的顛簸造成的線路虛接。

5.2 點(diǎn)火線圈污染防治

根據(jù)污染物來源，從4個(gè)方面進(jìn)行改善優(yōu)化。①更換點(diǎn)火線圈及火花塞并同時(shí)對安裝孔進(jìn)行徹底清理，以徹底處理制造工藝過程中已經(jīng)帶來的污染;②改善制造工藝。在點(diǎn)火線圈安裝孔口增加倒角工藝以便于安裝，從而取消制造過程中的涂脂操作，以避免在后續(xù)生產(chǎn)過程中油脂在系統(tǒng)內(nèi)部的殘留;③在不影響車輛淋雨試驗(yàn)的效果的前提下調(diào)整淋雨線噴頭位置和角度，盡量減少進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的水量;同時(shí)和車輛使用及維護(hù)保養(yǎng)單位溝通，避免在車輛清洗時(shí)直接沖洗發(fā)動(dòng)機(jī);④在發(fā)動(dòng)機(jī)頂部增加隔音防雨裝飾罩，進(jìn)一步減少雨水等對發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的侵入，如圖6所示。

5.3 點(diǎn)火線圈溫度改善

在氣電串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，根據(jù)電池SOC狀態(tài)（59～67%），發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停機(jī)受混合動(dòng)力電機(jī)控制器控制。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)收到停機(jī)指令時(shí)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度低于25℃，發(fā)動(dòng)機(jī)不停機(jī)，保持怠速熱機(jī)以便在收到發(fā)電指令時(shí)能夠快速進(jìn)入高負(fù)荷充電工作狀態(tài)。

當(dāng)充電完成后，即SOC達(dá)到67%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)收到停機(jī)指令停機(jī)。在該工況下，沒有充分考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷發(fā)電后發(fā)動(dòng)機(jī)水溫較高，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫瞬間升高從而引起線圈溫度升高，如圖7所示。

為解決該問題，有兩種方案可以選擇。一是采用電子水泵，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后電子水泵由電池供電繼續(xù)保持工作，以維持冷卻液流通、散熱。二是接到停機(jī)指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)不是立即停機(jī)而是進(jìn)入怠速狀態(tài)，水泵由曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)而仍保持工作。兩種方案在實(shí)施過程中根據(jù)具體情況各有優(yōu)劣。

經(jīng)過技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析論證后，本例選擇方案二。在保持發(fā)動(dòng)機(jī)零部件不變的情況下，對發(fā)動(dòng)機(jī)控制邏輯進(jìn)行局部優(yōu)化并對ECU軟件進(jìn)行升級，以較小的代價(jià)獲得相同的效果。

具體方案如下：

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度低于設(shè)定閾值92℃時(shí)，在收到停機(jī)指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)直接進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度高于設(shè)定閾值92℃時(shí)，收到停機(jī)指令后，發(fā)動(dòng)機(jī)不直接停機(jī)而是進(jìn)入怠速運(yùn)行，以保持水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖8所示。

同時(shí)，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停，設(shè)定了閾值溫度緩沖區(qū)間，在該工況下，怠速運(yùn)行直到水溫低于89℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)才進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

6 ?結(jié)語

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，產(chǎn)生失火問題的原因既有天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝方面的常規(guī)問題，也有來自于混動(dòng)系統(tǒng)所特有的發(fā)動(dòng)機(jī)-車輛應(yīng)用匹配設(shè)計(jì)和混合動(dòng)力系統(tǒng)特殊工況所帶來的新問題。在實(shí)踐過程中，需要擴(kuò)展思路，多方面分析并尋求解決方案。

上述措施實(shí)施后，發(fā)動(dòng)機(jī)失火問題得到解決，發(fā)動(dòng)機(jī)及混合動(dòng)力系統(tǒng)工作正常，車輛運(yùn)行平穩(wěn)。

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