混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同水溫下的噴油控制策略影響試驗(yàn)研究

閆博文，馬天宇，蒲運(yùn)平，胡鐵剛，鄧偉，蔣平，聶相虹

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司動(dòng)力研究院，重慶400000）

前言

隨著國(guó)家“雙碳”目標(biāo)和新能源戰(zhàn)略的制定，以及石油市場(chǎng)環(huán)境出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，汽車電氣化實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展?；旌蟿?dòng)力作為最為重要的電氣化構(gòu)型之一，既保留了純電動(dòng)車型的駕駛性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)更好地解決了里程焦慮和電池成本過(guò)高等問(wèn)題，因此近年來(lái)出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。在混動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)可利用電機(jī)特性進(jìn)行運(yùn)行工況調(diào)節(jié)以及動(dòng)力性補(bǔ)償，因此其首要開(kāi)發(fā)目標(biāo)更加側(cè)重于熱效率的進(jìn)一步提升。另一方面，隨著國(guó)6b階段RDE法規(guī)即將實(shí)施以及未來(lái)更加嚴(yán)格的法規(guī)制定，混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放，尤其碳煙顆粒物排放的降低也十分重要，這將直接關(guān)系到后處理系統(tǒng)的選型及成本等問(wèn)題。

當(dāng)前混動(dòng)總成按照電氣化程度增加可依次分為HEV、PHEV和REEV，根據(jù)電驅(qū)系統(tǒng)的構(gòu)型不同還可進(jìn)一步分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)系統(tǒng)等。盡管PHEV和REEV可依靠外部充電進(jìn)行電量補(bǔ)給，然而實(shí)際用戶購(gòu)買或使用仍多受到政策驅(qū)動(dòng)或充電條件限制，車輛實(shí)則較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于饋電模式。由此可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)自身經(jīng)濟(jì)性和排放的精細(xì)化開(kāi)發(fā)仍具有較大意義。

圖1所示為不同混動(dòng)總成和構(gòu)型對(duì)饋電模式下發(fā)動(dòng)機(jī)具體使用工況區(qū)域的影響?？梢钥闯觯捎诖?lián)和混聯(lián)系統(tǒng)可在較低車速下實(shí)現(xiàn)整車與發(fā)動(dòng)機(jī)工況完全解耦，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可更多在中等轉(zhuǎn)速中等負(fù)荷的高效率區(qū)運(yùn)行，而純并聯(lián)系統(tǒng)由于無(wú)法完全解耦，在綜合考慮系統(tǒng)效率的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況也將出現(xiàn)于負(fù)荷相對(duì)較低的區(qū)域。此外還看到不同混動(dòng)構(gòu)型均會(huì)存在較多低速低負(fù)荷的充電工況或過(guò)渡工況。另一方面，由于不同混動(dòng)系統(tǒng)和構(gòu)型的電池電機(jī)能力不同，發(fā)動(dòng)機(jī)起停間隔及相應(yīng)的水溫上升速率差別較大，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)也有所差異。上述因素都將對(duì)混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放產(chǎn)生影響。

針對(duì)上述不同混動(dòng)構(gòu)型帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況范圍和水溫的差異，以及性能精細(xì)化開(kāi)發(fā)的需求，本文以一臺(tái)長(zhǎng)安近期開(kāi)發(fā)的1.5TGDI混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究了不同水溫條件下，噴油策略對(duì)圖1所示混動(dòng)潛在工況區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和碳煙顆粒數(shù)PN排放的影響。盡管此前已有較多學(xué)者對(duì)噴油策略進(jìn)行了相關(guān)研究，但其在工程化應(yīng)用的針對(duì)性、系統(tǒng)性以及基礎(chǔ)機(jī)型的代表性等方面仍存在不足，本文將重點(diǎn)從工程應(yīng)用角度出發(fā)，為不同構(gòu)型混動(dòng)系統(tǒng)的匹配及后續(xù)混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)策略提供參考。

圖1 不同混動(dòng)構(gòu)型饋電運(yùn)行工況

1 試驗(yàn)裝置與研究方法

1.1 試驗(yàn)裝置

研究選取了長(zhǎng)安某款1.5TGDI混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征參數(shù)如表1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用了米勒循環(huán)、高壓縮比、增壓中冷以及高壓燃油噴射系統(tǒng)等，其中高壓燃油噴射系統(tǒng)最大噴射壓力35 MPa，采用側(cè)置6孔噴油器布置，可靈活調(diào)節(jié)噴油策略，同時(shí)具有CVO（controlled valve operation）最小脈寬控制功能，支持最小脈寬0.3 ms的穩(wěn)定控制。

表1 基礎(chǔ)機(jī)特征參數(shù)

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖，試驗(yàn)使用AVL740瞬態(tài)油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量，并采用0.2°CA分辨率的曲軸位置傳感器以保證點(diǎn)火時(shí)刻的控制精度，缸內(nèi)壓力通過(guò)Kisler6115型傳感器測(cè)量，缸壓監(jiān)測(cè)和燃燒數(shù)據(jù)計(jì)算使用AVL indicom燃燒分析儀，發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放（CO，HC，NO，CO，O等）通過(guò)HORIBA MEXA-7100 DEGR測(cè)量，PN排放采用HORIBA MEXA-2100測(cè)量，空燃比采用寬頻氧傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。試驗(yàn)最終記錄數(shù)據(jù)是對(duì)200個(gè)循環(huán)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均后的結(jié)果，從而較好的保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架裝置示意圖

臺(tái)架測(cè)試中以燃燒分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的相鄰兩循環(huán)最大爆發(fā)壓力差值并輔助以爆震音箱采集的聲音進(jìn)行爆震或超級(jí)爆震的判別，當(dāng)爆發(fā)壓力差值的振幅出現(xiàn)劇烈的脈沖式增加且聽(tīng)到強(qiáng)烈敲擊聲時(shí)認(rèn)為出現(xiàn)超級(jí)爆震，此時(shí)ECU將迅速采取限轉(zhuǎn)矩措施保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全。試驗(yàn)過(guò)程中的各工況點(diǎn)的臺(tái)架測(cè)試邊界條件，主要包括進(jìn)排氣系統(tǒng)壓力和溫度等，與整車在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境測(cè)試時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行邊界保持一致。

1.2 研究方法

發(fā)動(dòng)機(jī)噴油策略優(yōu)化主要包括噴油壓力、噴油時(shí)刻、噴油次數(shù)和噴油比例分配?；谇捌陂_(kāi)發(fā)研究經(jīng)驗(yàn)，噴油壓力通?？稍O(shè)置為最大壓力以保證燃油充分霧化和快速混合，在0.1 MPa BMEP及以下工況可適當(dāng)降低噴油壓力以延長(zhǎng)噴油脈寬和混合時(shí)間，提高燃燒穩(wěn)定性。噴油次數(shù)直接影響燃油混合及其均勻性、缸內(nèi)冷卻及燃油濕壁等，在噴油次數(shù)確定的情況下，各次噴油的最優(yōu)噴油時(shí)刻和噴油比例對(duì)于各機(jī)型而言差異并不十分明顯。

基于上述討論，本文主要是結(jié)合混動(dòng)系統(tǒng)涉及的常用運(yùn)行工況范圍和瞬態(tài)升溫過(guò)程，選取1 000、2 000、3 000 r/min 3個(gè)轉(zhuǎn)速，重點(diǎn)研究了30、50、70和90℃不同水溫條件下，單次、兩次和3次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。需要說(shuō)明的是，由于50和70℃水溫下的結(jié)果十分相近，在第2部分討論中僅展示50℃測(cè)試結(jié)果。結(jié)合多臺(tái)機(jī)型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，各噴油模式下優(yōu)選噴油特性參數(shù)如表2所示。表中所示噴油特性參數(shù)是在各工況下并非絕對(duì)最優(yōu)，但已十分接近最優(yōu)值，且不影響主要結(jié)論，這對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用及后續(xù)機(jī)型進(jìn)一步優(yōu)化已具有較好的指導(dǎo)價(jià)值和借鑒意義。

另一方面，如表2所示，受最小噴油脈寬限制，3次噴射最小測(cè)試負(fù)荷為0.3 MPa BMEP，兩次噴射最小測(cè)試負(fù)荷為0.2 MPa BMEP，為使得單次噴射具有對(duì)比價(jià)值，其最小測(cè)試負(fù)荷設(shè)置為0.2MPa BMEP。負(fù)荷上限則主要基于混動(dòng)系統(tǒng)常用工況區(qū)域進(jìn)行選取，如圖1所示，1 000、2 000和3 000 r/min對(duì)應(yīng)的最大負(fù)荷分別為1.0、1.6和1.6 MPa BMEP。

表2 噴油策略參數(shù)及測(cè)試負(fù)荷邊界

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于非爆震限制區(qū)域的中低負(fù)荷測(cè)試工況點(diǎn)，將調(diào)整點(diǎn)火角以保證燃燒相位CA50處于7°-9°CA ATDC的最優(yōu)區(qū)間，而對(duì)于爆震限制區(qū)域的中高負(fù)荷測(cè)試工況點(diǎn)，點(diǎn)火角將調(diào)整至爆震邊界，即在出現(xiàn)輕微爆震的情況下推遲1°CA作為安全余量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低轉(zhuǎn)速工況噴油策略影響試驗(yàn)研究

圖3所示為1 000 r/min工況不同水溫條件下噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響?？梢钥闯鲈?0℃水溫條件下多次噴射的油耗和PN排放均相比于單次噴射更低，主要原因是低水溫條件下多次噴射可以強(qiáng)化燃油霧化混合，提高了燃燒效率，同時(shí)避免燃油濕壁過(guò)多。隨著負(fù)荷增加，多次噴射通過(guò)部分燃油晚噴還可降低缸內(nèi)溫度進(jìn)而減小爆震傾向，使其油耗和排放優(yōu)勢(shì)更為顯著。因此在30℃附近低水溫條件下多次噴射的工況選擇區(qū)域可拓展至0.5 MPa BMEP以下。考慮到最小噴油脈寬控制精度，低負(fù)荷下可優(yōu)先選取兩次噴射，而中高負(fù)荷可優(yōu)先選取3次噴射，這是因?yàn)?次噴射穩(wěn)態(tài)PN排放更低，且更有利于減少瞬態(tài)空燃比偏濃時(shí)造成的PN排放變差。需要說(shuō)明的是，盡管低速工況并非混動(dòng)最優(yōu)工況，然而如圖1所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后仍將有大量過(guò)渡工況或充電工況落入此區(qū)域，且對(duì)于純并聯(lián)構(gòu)型，饋電爬坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)也將進(jìn)入低速大負(fù)荷工況，因此該轉(zhuǎn)速區(qū)域的優(yōu)化仍具有較大意義。此外如前所述，對(duì)電氣化程度較高的混動(dòng)構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)起停間隔時(shí)間較長(zhǎng)，水溫上升較為緩慢，由此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尤其RDE工況排放的影響仍不可忽視。

隨著水溫升高，氣缸壁面溫度逐漸升高，燃油蒸發(fā)混合作用加強(qiáng)，從圖3中可以看出，當(dāng)水溫升高至50℃以上時(shí)，單次噴射與多次噴射在中低負(fù)荷工況的油耗已基本相當(dāng)。然而在中高負(fù)荷工況，多次噴射對(duì)爆震的抑制效果也變得更加明顯，可以看出此時(shí)燃燒相位相比于單次噴射更為提前，油耗水平也進(jìn)一步降低。另一方面，隨著水溫升高，在燃油蒸發(fā)霧化效果較好的情況下，由于單次噴射混合時(shí)間更長(zhǎng)，因此其對(duì)PN排放的改善效果更優(yōu)，可以看出當(dāng)水溫達(dá)到50℃時(shí)，單次噴射的PN排放在中高負(fù)荷工況已優(yōu)于多次噴射，當(dāng)水溫進(jìn)一步增加至90℃時(shí)，單次噴射的PN排放整體明顯優(yōu)于多次噴射。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，在中高負(fù)荷工況仍可優(yōu)先考慮多次噴射，但其使用負(fù)荷區(qū)域可逐漸拓展至0.7 MPa BMEP以上的爆震限制區(qū)域。此外還可以注意到兩次和3次噴射表現(xiàn)基本相當(dāng)。

圖3 1 000 r/min工況噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響

2.2 中等轉(zhuǎn)速工況噴油策略影響試驗(yàn)研究

圖4所示為2 000 r/min工況不同水溫條件下噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響?？梢钥闯鲈谥械拓?fù)荷工況，單次噴射在各水溫條件下的油耗與多次噴射基本相當(dāng)，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)變強(qiáng)使得單次噴射的燃油霧化效果變好，在此基礎(chǔ)上，單次噴射的燃油混合時(shí)間更長(zhǎng)也促使其混合均勻性進(jìn)一步提高，由此燃燒效率得到改善。值得注意的是，30-50℃水溫條件下，多次噴射在較小負(fù)荷工況的燃燒循環(huán)波動(dòng)均接近3%，即出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)的現(xiàn)象，這是由于多次噴射在小負(fù)荷的單次噴油量較少，因此隨著轉(zhuǎn)速增加更容易受到氣流運(yùn)動(dòng)影響導(dǎo)致不同循環(huán)的混合氣濃度分布變化較大。

另一方面，從圖4（c）中還可以看到，即便是在30℃低水溫條件下，單次噴射在中低負(fù)荷的PN排放也與多次噴射基本相當(dāng)，且隨著水溫升高PN排放優(yōu)勢(shì)逐漸增加。此外兩次和3次噴射在中低負(fù)荷工況下對(duì)油耗和排放的影響效果差異并不明顯。

圖4 2 000 r/min工況噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響

在中高負(fù)荷工況，多次噴射對(duì)爆震抑制及相應(yīng)的燃燒相位和油耗改善的優(yōu)勢(shì)相比于低轉(zhuǎn)速有所降低，且隨著水溫增加進(jìn)一步減小，這主要是由于隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)使得火焰?zhèn)鞑ニ俾始涌?，進(jìn)而使得相同負(fù)荷下的爆震傾向減小，因此通過(guò)多次噴射降低缸內(nèi)溫度所能帶來(lái)的收益相對(duì)有所下降，此外隨著轉(zhuǎn)速及負(fù)荷增加，相同水溫下的機(jī)體溫度逐漸升高，使得多次噴射的效果進(jìn)一步降低。另一方面，當(dāng)水溫升高至90℃時(shí)，3次噴射相比于兩次噴射對(duì)爆震抑制及油耗改善效果更優(yōu)。

從圖4（c）中還可以看出，隨著負(fù)荷進(jìn)一步增加至1.3 MPa BMEP以上時(shí)，多次噴射的PN排放反而更優(yōu)，即使在90℃高水溫條件下，其與單次噴射的PN排放也基本相當(dāng)。這主要是由于高負(fù)荷工況下單次噴射的噴油量過(guò)多容易造成燃油濕壁及混合不均勻，進(jìn)而造成PN排放變差，尤其在低水溫條件下這種效果更明顯。此外兩次和3次噴射的PN排放差異并不明顯。

綜合上述油耗和PN排放的對(duì)比分析，對(duì)于2 000 r/min工況，30℃水溫條件下可選取0.8 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域采用多次噴射，隨著水溫升高至50℃以上時(shí)，將負(fù)荷可逐漸提升至1.0 MPa BMEP以上的區(qū)域。

2.3 高轉(zhuǎn)速工況噴油策略影響試驗(yàn)研究

圖5所示為轉(zhuǎn)速3 000 r/min工況不同水溫條件下噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。隨著轉(zhuǎn)速增加至3 000 r/min，缸內(nèi)油氣混合效果及火焰?zhèn)鞑ニ俾蔬M(jìn)一步提升，可以看出負(fù)荷在1.0 MPa BMEP以下的非爆震限制區(qū)域，單次噴射與多次噴射的油耗和PN排放差異與2 000 r/min工況基本一致，而在1.0-1.3 MPa BMEP工況，單次噴射與多次噴射油耗差異也較小。從燃燒特性對(duì)比可以看出，由于單次噴射對(duì)進(jìn)氣及壓縮沖程的缸內(nèi)滾流強(qiáng)度影響較小，因此燃燒持續(xù)期相比更短，另外，如前所述，隨著轉(zhuǎn)速增加，多次噴射對(duì)爆震抑制的效果有所降低，兩方面因素共同作用使得1.0-1.3 MPa BMEP負(fù)荷區(qū)間內(nèi)單次與多次噴射的燃燒相位仍基本相當(dāng)，進(jìn)而使得油耗差異并不明顯。

另一方面，值得注意的是30℃水溫條件下，單次噴射在1.0 MPa BMEP以上負(fù)荷的PN排放已明顯變差，隨著水溫升高，PN排放明顯變差的負(fù)荷逐漸提升至1.3 MPa BMEP。這主要是由于隨著轉(zhuǎn)速增加，改善燃油的混合，而在中高負(fù)荷下單次噴射的燃油混合均勻性逐漸變差，因此相比2 000 r/min工況在更低負(fù)荷出現(xiàn)了PN排放明顯變差的現(xiàn)象。綜合上述分析，對(duì)于3 000 r/min工況，30℃附近的低水溫條件下在1.0 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域可采用多次噴射，當(dāng)水溫升高至50℃以上時(shí)，可逐漸拓展至1.3 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域。由此可以看出，與1 000和2 000 r/min工況有所不同的是，3 000 r/min工況下的噴油模式的選擇更多受限于PN排放的影響。

此外從圖5中還可以注意到，兩次噴射與3次噴射表現(xiàn)基本相當(dāng)，然而在高負(fù)荷工況3次噴射相對(duì)兩次噴射的燃燒穩(wěn)定性較差，循環(huán)波動(dòng)已略高于3%，這主要是由于高轉(zhuǎn)速工況下混合時(shí)間縮短，3次噴射所能實(shí)現(xiàn)的混合均勻性反而變差。

圖5 3 000 r/min工況噴油策略對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響

3 結(jié)論

（1）在1 000 r/min低轉(zhuǎn)速工況下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫為30℃時(shí)，采用多次噴射可在全負(fù)荷范圍內(nèi)相比于單次噴射可實(shí)現(xiàn)更低的油耗和PN排放，且隨著負(fù)荷增加其優(yōu)勢(shì)更為顯著，此時(shí)多次噴射的工況覆蓋區(qū)域可拓展至0.5 MPa BMEP以下。當(dāng)水溫逐漸升高至50℃以上時(shí)，單次噴射與多次噴射在中低負(fù)荷工況的油耗基本相當(dāng)，中高負(fù)荷油耗優(yōu)勢(shì)則更為顯著。另一方面，在水溫升高的情況下，單次噴射PN排放優(yōu)于多次噴射，然而盡管如此，由于其在中高負(fù)荷油耗明顯變差，因此對(duì)于0.7 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域仍可優(yōu)先考慮采用多次噴射。

（2）隨著轉(zhuǎn)速增加至2 000-3 000 r/min，在中低負(fù)荷工況，單次噴射在各水溫條件下的油耗表現(xiàn)與多次噴射基本相當(dāng)，且燃燒穩(wěn)定性更優(yōu)，隨著轉(zhuǎn)速及水溫增加，兩者油耗相當(dāng)?shù)呢?fù)荷區(qū)域逐漸擴(kuò)大。另一方面，在中低負(fù)荷工況，單次噴射的PN排放在30℃低水溫條件下與多次噴射基本相當(dāng)，隨著水溫升高，其PN排放的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步增加。然而在高負(fù)荷工況，單次噴射的PN排放明顯變差。整體而言，對(duì)于2 000 r/min工況，噴油策略受油耗因素影響更大，因此在30和50℃以上水溫時(shí)可分別選取0.8和1.0 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域采用多次噴射，而對(duì)于3 000 r/min工況，PN排放因素影響更大，因此可分別選取1.0和1.3 MPa BMEP以上的負(fù)荷區(qū)域采用多次噴射。

（3）在各轉(zhuǎn)速和各水溫條件下，兩次噴射與3次噴射對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及PN排放影響相差并不明顯。中高負(fù)荷工況可優(yōu)先考慮采用3次噴射以兼顧瞬態(tài)空燃比較濃的情況下的PN排放控制。在低水溫低轉(zhuǎn)速條件下，低負(fù)荷工況可優(yōu)先考慮兩次噴射，以有利于更加準(zhǔn)確的控制燃油噴射量，提高燃燒穩(wěn)定性。