微型汽车零部件设计对整车电控标定影响的分析

武 斐 陈国栋 王 昊 王桂洋 袁忠庄

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

1 前言

微型汽车具有空间大、承载质量大等功能要求，因此其结构设计上有许多不同于轿车的地方。同时，微型汽车的面向群体决定了其必须有更低的价位，而低价位可能会对整车零部件的质量产生影响。本文结合V70整车标定中的实际经验，总结出影响微型汽车整车标定性能的关键零部件：油泵总成、发电机、触媒、真空助力器、传动系等，并阐述了这些零部件对整车标定的影响。

2 油泵总成对整车标定的影响

汽油机燃油系统如图1所示。图1中，油泵总成的两个零部件质量对其性能影响最大：一是单向阀，二是调压阀。单向阀的作用是，当油泵停止工作时，立即阻止油管、燃油导轨中的燃油回流，保持油管、燃油导轨中有一定的压力；调压阀的作用是，在油泵工作时，始终保持油管中的油压与大气压的压差恒定[1]。

2.1 油泵总成保压能力对整车标定的影响

燃油压力与燃油温度的关系如图2所示。从图2中可以看出，燃油压力越低，产生燃油蒸气所需要的温度就越低。当油管中产生蒸气时，燃油供给就会不连续甚至中断，即发生“气阻”，使高温热起动的时间明显变长，甚至起动失败。

表1是海南热带适应性标定中燃油导轨中燃油温度的测试结果。从表1中可以看出，燃油温度可以达到57～75℃。这种情况下，如果燃油压力低于200 kPa，就会产生“气阻”。

表1 燃油温度测试结果

当车辆停放一天后，如果油泵总成的保压能力差，则油管、燃油导轨中的燃油压力会很低，甚至没有压力。当起动发动机时，需要一段时间在油管和燃油导轨内建立正常工作油压，而在油压的建立过程中，实际喷油量减少，使得可燃混合气偏稀，造成发动机燃烧不良、起动时间偏长。

按照国家排放法规进行排放测试可知，在起动及起动后初期，排放物中THC占到整个工况循环的一半以上[2]。如果这个时期THC排放不能得到有效控制，整个排放循环的THC排放很难达到法规要求。

2.2 油泵总成工作油压对整车标定的影响

很多国外电控系统供应商要求工作油压控制在324±5 kPa以内，但实际上，油泵总成国产化后，工作油压很难控制在此范围以内，通常情况下油泵压力只能控制在324±15 kPa。挑选出工作油压为324 kPa的试验车为标定样车，安装中间公差的喷油器、T-MAP、氧传感器，标定空燃比反馈调整量fafav为0。那么，当工作油压出现偏差时，空燃比反馈调整量fafav的计算公式为：

式中，pfr为燃油导轨中的燃油压力；pasub为进气压力与大气压的差值，即真空度。

由图3可知，当工作油压为310 kPa或340 kPa时，空燃比反馈调整量超过了±2%。考虑喷油器、TMAP传感器、氧传感器和发动机制造等公差，空燃比反馈调整量偏差很容易超出±（5%～6%），对排放标定造成较大难度。

3 发电机对整车标定的影响

3.1 对怠速稳定性标定的影响

图4是发电机的输出电流和输入扭矩与转速的关系曲线。从图中可知，怠速无负载状态时，发电机只使用了发电能力的一部分，当外部负载所需要的电流增加时，发电机将从发动机获取更多的输入扭矩，从而引起发动机转速的下降。

3.2 对起动标定的影响

在发动机起动时，起动机要消耗蓄电池大量电流，使蓄电池处于馈电状态。当起动成功后，发电机开始发电并对蓄电池充电，如果充电电流过大，则会消耗发动机更大扭矩，引起发动机转速下降（图5），造成车辆起动性能恶化。

3.3 对排放标定的影响

如果发电机发电效率得到提高，就会消耗更少的机械能，从而实现更低油耗和更低排放。目前使用的传统发电机，在整个工作区间内的平均效率低于50%，而改进后的发电机在整个工作区间内的工作效率可以达到70%以上[3]。

从图6可以看出，在相同的标定数据下，采用原发电机，怠速开大灯时，发动机转速由700 r/min下降到580 r/min左右，转速波动超过100 r/min；采用改进后的发电机，发动机的转速由700 r/min下降到650 r/min以上，转速波动在50 r/min以内，其结果满足工程目标要求[4]。

4 触媒安装位置对整车标定的影响

微型汽车发动机触媒一般布置在驾驶室座椅下面，并且倾斜一定的角度，由于空间有限，较少能采用紧耦合方式布置，而是把触媒安装在相对靠后的位置（图 7）。

触媒的安装位置与排放标定密切相关，在触媒达到起燃温度以前，触媒对排放物几乎没有任何净化作用，排放物全部排放到大气中。试验结果表明，该时间段的排放占到整个排放循环的一半以上。因此，使触媒尽快达到起燃温度是排放达标的关键所在。

触媒的升温完全靠排气加热，如果触媒安装位置太靠后，排气到达触媒时必然损失大量热量，造成触媒达到起燃温度的时间大大延长。通常，在进行充分标定并且标定数据较为合理的情况下，采用紧耦式触媒布置方案时，触媒达到起燃温度的时间约为20～25 s，而采用上述布置方式时触媒达到起燃温度时间约为 50～70 s。

在国Ⅳ的排放标定过程中，触媒采取原布置方案，尽管采取了推迟点火角、提高目标怠速转速、精确控制空燃比等多项触媒加热和降低原始排放的措施，THC排放始终在限值的70%左右，无法达到限值58%的工程目标。

发动机设计部门对排气歧管进行了改进设计，将触媒安装位置往前提了约80 mm。从图8中可以看出，仅仅缩短80 mm的长度，触媒达到起燃温度时间由原来的60～70 s缩短至50 s左右，THC排放也随之满足了工程目标要求。

5 真空助力器对整车标定的影响

5.1 真空助力器工作过程简介

图9a是发动机工作时真空助力器的状态，此时真空助力器的腔体（A腔和B腔）通过真空单向阀与节气门后相通，所以这时腔体内部具有一定的真空度。当踩动制动踏板时，密封装置将A腔与B腔隔离开，见图9b；当进一步踩动制动踏板时，真空助力器的B腔进入空气，而A腔仍然保持真空，由于两者之间有压差，从而产生助力作用[5]，见图9c。

5.2 真空单向阀的作用

当发动机工作时，由于节气门部分开启，则节气门后有一定的真空度。这时，真空助力器的单向阀两侧产生一定的压差，从而单向阀开启，真空助力器腔体内的空气流向节气门后，进而进入发动机参与燃烧。

当发动机熄火以后，节气门后气压等于大气压，而真空助力器腔体内仍有一定的真空度，但是由于单向阀的存在，节气门后面的气体无法进入真空助力器腔体，则真空助力器仍然保持一定的真空度。所以，即使车辆放置了一段时间，在发动机起动前，踩动制动踏板仍然感觉很轻，但是连续踩几次后，随着真空助力器内部的真空度逐渐减小，真空助力器也随之失去助力作用。

如果真空单向阀的质量不好，或者与大气相通的密封装置（图10）密封较差，那么外部大气必然会缓慢进入真空助力器，造成真空助力器内部气压逐渐与大气压相当。

在上述情况下起动发动机，当节气门后产生真空度时，真空助力器内部的气体会瞬间流入节气门后，而从节气门后进入的气体是不受节气门控制的，所以这些“多余”气体的进入，必然会造成发动机工作的异常。

5.3 对整车标定的影响

5.3.1 对常温起动标定的影响

图11是在其它条件相同的情况下，起动前踩制动踏板次数不同时，发动机起动转速的对比曲线。从图11中可以看出，随着踩制动踏板次数增多，真空助力器的真空度降低越多，从而起动后从真空助力器“抽”进的气体就越多，造成发动机的上升转速升高。

5.3.2 对排放标定的影响

在进行排放测试前，需要人力把车辆从浸车间推入转鼓间。由于车辆停放的位置不同，车辆到达转鼓间的路线也不同，有时可以直接进入转鼓间，而有时可能需要多次调头才能进入，在这个过程踩制动踏板的次数必然不同。

通过小型排放分析仪，对起动时的THC排放进行测量，所得结果如图12所示。从图12可以看出，两者的THC峰值相差近200×10-6。

5.3.3 对低温起动标定的影响

在低温情况下，真空助力器的单向阀容易出现故障，表现为：第1次开启困难，即在起动后一段时间单向阀才突然开启，从而引起转速在下降的过程中出现突然的上升；当此单向阀首次开启成功后，再进行启动时，这种现象不会再出现。

图13是寒区适应性标定中单向阀出现故障时的采集记录。从图中可以看出，低温起动成功后，在转速向目标怠速缓慢回归的过程中，转速突然出现一个上升，上升转速超过200 r/min。

6 传动系对整车标定的影响

由于微型汽车结构和功能的特殊性，大多采用发动机前置后驱的方式，其中一大特点是长传动轴贯穿前、后（图14）。因此，传动轴的设计和质量，以及轮胎与车轮的质量，都会对整车标定产生影响。原因是，当车辆行驶时，路面阻力及激励会通过传动系反作用于发动机，引起发动机转速的波动，其传递路线为轮胎→后桥→传动轴→变速器→发动机。

在OBD标定过程中，当发动机转速超过2 000 r/min后，车辆振动明显，发动机转速呈现出明显的周期性波动（图15）。周期性波动大，不仅大大降低了整车的舒适性，更严重的是ECU会误判车辆发生失火，从而引起故障灯点亮，使车辆进入故障模式。为防止发生失火误判，可以放宽失火诊断门限，所带来的负面效应是真正发生失火时不能及时检出。

为分析问题，对图15a进行局部放大，发现发动机转速波动量仍然具有明显的周期性（图15b）。对图15b中的曲线进行统计可知，发动机转速变化周期恰好与车轮转动周期一致，因此推测此现象是由车轮的周期性跳动造成的。

原用车轮的轮毂为钢制轮毂，容易发生变形，同时微型汽车载质量较大，变形问题更为突出。在更换为铝合金轮毂后，发动机转速的周期性波动消失，整车舒适性也得到明显改善，OBD失火标定得以顺利完成。

1 （日）藤迟英也.最新电控汽油喷射.北京：北京理工大学出版社，2000.

2 李晶华，高俊华.汽油车低温冷起动和常温冷起动排放特性的对比分析.汽车技术， 2007（4）:25～28.

3 张科勋，童毅.一体式起动发电机系统概述.汽车工程，2005，27（3）:377～380.

4 Q/CACBD—17.111111—2002汽车驾驶性感觉评价方法及标准.

5 史立伟，张学义.汽车真空助力泵设计.机械设计与制造，2008（4）:1～2.