混合动力汽车汽油机起动工况瞬态燃烧和排放特性研究

【摘要】： 怠速停机是混合动力汽车一个重要的节油方式,因此混合动力汽车在运行中会频繁起动/停机。由于进气道喷射式汽油机起动过程固有的瞬态特征,汽油机起动时燃烧和排放恶化。对于混合动力汽车发动机,起动过程是先快速拖动到怠速转速或高于怠速转速然后点火起动,因此起动过程瞬态特性更加突出,从而不利于燃烧排放控制,频繁起/停对混合动力汽车排放控制提出了新的研究课题。本文结合混合动力汽车关键技术开发项目,根据混合动力发动机测试需求设计搭建了模拟起动发电一体化电机(ISG)混合动力汽车发动机快速起动瞬态测试平台。设计了高速数据采集系统,开发了基于循环控制的发动机并行控制系统,在不影响原机ECU正常工作的前提下对喷油和点火进行并行控制。在所搭建的系统平台上对混合动力发动机起动工况瞬态燃烧和排放特性以及催化器动态特性进行了研究。 基于循环的瞬态燃烧测试手段和Cambustion瞬态排放仪对发动机在提高拖动转速条件下起动时的瞬态燃烧排放特性进行了研究,并结合发动机控制策略进行了分析。结果发现提高拖动转速造成起动过程进气压力变化率升高,使得精确控制缸内混合气浓度更加困难,导致燃烧和排放恶化。由于原始标定参数不匹配,在室温冷起动时,提高拖动转速导致第一循环失火,而热机起动时,导致第3~8循环发生不同程度的部分燃烧甚至失火,使碳氢排放恶化。碳氢排放恶化的程度随拖动转速升高而增加。起动过程中只有第1~2循环会产生较多的氮氧化物,整个起动过程氮氧化物都较低,氮氧化物浓度随拖动转速升高而降低。利用瞬态碳氢测试仪对停机时碳氢排放进行了研究,当采用断点火停机时,最后一次喷油不能点燃,导致产生较高碳氢排放。当采用断油停机时,碳氢排放最多可比断点火停机时减少50%左右。断点火停机会在进气道壁面残留较多的油膜,这些额外的油膜在发动机重新起动时可能只对第一循环的燃烧造成较大影响。 研究了不同边界条件对发动机起动首循环燃烧和排放的影响。混合动力模式起动时,首循环进气量比传统模式减少10%左右。混合动力起动模式下首循环缸内混合气浓度在冷起动时比传统模式稀,在热起动时与传统模式基本一致。在不同实验条件下,首循环燃烧的缸压峰值、指示平均有效压力、累积放热量、碳氢排放和氮氧化物排放都随着过量空气系数的改变而呈“窗口区域”变化规律。拖动转速、冷却水温度、进气道油膜残留和点火时刻等燃烧边界条件都对“窗口区域”造成影响。提高拖动转速后首循环燃烧的混合气稀限往浓区偏移,当水温分别为25oC、60oC、85oC时,对本文采用的发动机在混合动力起动模式下首循环燃烧稀限比传统模式分别要浓1.49倍、1.31倍和1.05倍。当混合气浓度适宜时,推迟点火时刻虽然导致放热时刻推迟、放热速度减慢,但是对最终的累积放热量影响不大。从获得较高指示平均有效压力角度来看,传统起动模式下首循环燃烧的最优点火时刻在上止点后5oCA左右,而混合动力起动模式下在上止点前5oCA左右。当点火时刻在上止点前10oCA和上止点后10oCA之间变化时,首循环燃烧排放特性的“窗口区域”的边界变化不大。但混合动力模式下提前点火时刻具有一定的扩展稀限边界的潜力。 对混合动力起动过程缸内混合气形成特性进行了分析,并采用基于循环的喷油控制策略对混合动力起动过程的碳氢排放进行了优化。在发动机冷起动的瞬态过程中,缸内混合气浓度波动较小;而热起动时,第4~5循环缸内混合气过浓,然后随循环数增加而逐渐变稀,到第10循环与冷起动基本相当。在原始参数标定的基础上对起动初始的5个循环喷油量进行了调整,发现需要适当增加第一循环喷油量才能使首循环具有最高平均有效压力;而第2~5循环需要适当减少喷油量才能获得最高平均有效压力。由于进气道黏附的影响,在第4~5循环,即使不喷油仍能获得较高平均有效压力和较低碳氢排放。对起动过程前5个循环的喷油量进行优化后,使起动过程的碳氢排放大幅下降。 结合混合动力汽车发动机的冷起动标定工作,对催化器在起动过程中动态特性做了研究。通过修改拖动期喷油量获得不同的空燃比变化曲线,发现在冷起动时原机标定的拖动喷油量可以获得最低的碳氢排放,热机起动时在拖转喷油量为60%于原脊标定时可以获得最低的碳氢排放。发动机停机后催化器入口温度在2分钟以内从450oC降低到250oC;催化器载体温度在15分钟以后才从450oC降低到250oC。催化器对起动初期的排放有一定的吸释能力,在催化器温度较低和碳氢排放过浓时,往往会使一定时间内催化器后测得排放高于催化器前排放。对本研究采用的发动机,要想使催化器在起动工况即时起燃(转化效率50%),催化器载体温度要在停机时保持在至少300oC以上,同时应优化拖动起动阶段空燃比控制策略以降低发动机燃烧产生的碳氢排放。 【关键词】：混合动力 快速起动 汽油机燃烧 瞬态排放
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U464.171;U467.48
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 引言16-17
• 1.2 混合动力汽车发动机研究现状17-22
• 1.2.1 混合动力汽车节油机理17-18
• 1.2.2 混合动力汽车频繁起/停工作特性18-22
• 1.2.3 混合动力汽车发动机起动排放22
• 1.3 汽油机起动瞬态燃烧和排放研究现状22-29
• 1.3.1 汽油机碳氢排放生成机理22-25
• 1.3.2 基于循环的发动机起动瞬态燃烧和排放25-28
• 1.3.3 混合动力拖动起动瞬态特性28-29
• 1.4 起动工况三效催化器工作特性29-31
• 1.4.1 传统模式下起动工况三效催化器特性研究29-30
• 1.4.2 针对混合动力汽车频繁起/停工况的催化器动态特性研究30-31
• 1.5 本文主要研究内容31-32
• 第二章 混合动力发动机实验台架及瞬态测试系统32-48
• 2.1 引言32
• 2.2 发动机起/停瞬态测试台架搭建32-36
• 2.3 瞬态排放测量介绍36-40
• 2.3.1 火焰离子法（FID）测量碳氢排放原理36-37
• 2.3.2 化学发光法（CLD）测量氮氧化物原理37
• 2.3.3 Cambustion 瞬态排放仪快速采样测量原理37-40
• 2.3.4 典型瞬态排放波形分析40
• 2.4 数据采集系统40-42
• 2.5 基于循环控制的并行控制系统42-47
• 2.5.1 并行控制系统方案42-44
• 2.5.2 控制软件设计44-46
• 2.5.3 并行控制信号分析46-47
• 2.6 小结47-48
• 第三章 发动机起动/停机瞬态燃烧和排放特性研究48-66
• 3.1 引言48
• 3.2 发动机原机起动瞬态参数分析48-50
• 3.3 快速起动对控制策略的影响50-55
• 3.3.1 快速起动拖动方法50-51
• 3.3.2 喷油控制策略51-52
• 3.3.3 点火控制策略52
• 3.3.4 进气控制策略52-55
• 3.4 快速起动瞬态燃烧和排放特性55-61
• 3.4.1 原机和快速起动瞬态对比55
• 3.4.2 拖动转速对燃烧特性的影响55-59
• 3.4.3 拖动转速对瞬态排放特性的影响59-61
• 3.5 发动机停机瞬态排放特性61-64
• 3.5.1 停机控制策略对比61-62
• 3.5.2 停机时碳氢排放特性62-63
• 3.5.3 停机后倒拖碳氢排放特性63-64
• 3.6 小结64-66
• 第四章 发动机起动首循环瞬态燃烧和排放特性研究66-90
• 4.1 引言66-67
• 4.2 空燃比的测量67-69
• 4.2.1 首循环空燃比测量方法67-68
• 4.2.2 首循环充气量标定68-69
• 4.2.3 首循环过量空气系数计算69
• 4.3 首循环混合气形成特性69-71
• 4.4 原机冷起动首循环燃烧和排放特性71-76
• 4.4.1 喷油量对冷起动首循环燃烧特性的影响71-73
• 4.4.2 冷起动首循环排放特性73-75
• 4.4.3 汽油与气态燃料（LPG）首循环碳氢排放特性对比75-76
• 4.5 冷却水温度对首循环燃烧排放的影响76-78
• 4.6 拖动转速对起动首循环燃烧和排放特性影响78-82
• 4.6.1 燃烧放热特性对比79-81
• 4.6.2 过量空气系数窗口对比81-82
• 4.7 进气道残留对首循环燃烧和排放的影响82-84
• 4.8 点火时刻对首循环燃烧和排放特性的影响84-88
• 4.8.1 点火时刻对缸压和放热率的影响84-85
• 4.8.2 点火时刻对燃烧排放特性的影响85-87
• 4.8.3 点火时刻对过量空气系数窗口的影响87-88
• 4.9 小结88-90
• 第五章 基于循环的混合动力发动机起动喷油控制策略90-104
• 5.1 引言90
• 5.2 起动期混合气形成特性90-93
• 5.3 起动过程失火碳氢排放和着火碳氢排放对比93
• 5.4 基于单个循环喷油量调节对燃烧和排放特性的影响93-99
• 5.4.1 循环喷油量基准确定93-94
• 5.4.2 单循环喷油量调节对燃烧排放的影响94-96
• 5.4.3 起动各循环喷油量对后续循环的影响96-99
• 5.5 基于多循环控制策略优化降低起动过程碳氢排放99-103
• 5.5.1 多循环联合控制喷油量确定99-101
• 5.5.2 多循环联合控制策略对碳氢排放的影响101-103
• 5.6 小结103-104
• 第六章 混合动力发动机快速起动标定和催化器特性研究104-126
• 6.1 三效催化器104-107
• 6.1.1 三效催化器的作用机理104-106
• 6.1.2 催化器测点布置106-107
• 6.2 发动机起动控制策略107-110
• 6.2.1 喷油控制策略107-108
• 6.2.2 节气门和点火时刻控制策略108-109
• 6.2.3 混合动力起动与传统起动对比109-110
• 6.3 混合动力模式下发动机冷起动催化器起燃特性110-116
• 6.3.1 点火时刻推迟控制策略110-111
• 6.3.2 点火时刻推迟控制策略对碳氢排放影响111-113
• 6.3.3 点火时刻推迟控制策略对氮氧化物排放影响113-114
• 6.3.4 提高怠速转速对碳氢排放的影响114-115
• 6.3.5 提高怠速转速对氮氧化物排放的影响115-116
• 6.4 拖动期空燃比控制策略对排放的影响116-120
• 6.4.1 拖动期空燃比控制策略116-117
• 6.4.2 拖动期空燃比对碳氢排放的影响117-118
• 6.4.3 拖动期空燃比对氮氧化物排放影响118-120
• 6.5 发动机停机后催化器温度特性120-121
• 6.6 催化器初始温度对转化效率的影响121-125
• 6.6.1 热机起动时催化器温度特性121-122
• 6.6.2 催化器初始温度对拖动期碳氢排放转化效率的影响122-123
• 6.6.3 催化器初始温度对拖动期氮氧化物排放转化效率的影响123
• 6.6.4 空燃比对拖动期碳氢排放转化效率的影响123-125
• 6.7 小结125-126
• 第七章 全文总结及展望126-130
• 7.1 全文工作总结126-129
• 7.2 进一步工作展望129-130
• 创新点说明130-131
• 参考文献131-139
• 致谢139-140
• 攻读学位期间发表的学术论文140-141

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