混合动力车用发动机准恒速起动策略研究

谢瑞芳，王欢

（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）

发动机停机/再起动技术是混合动力汽车的一种重要节油手段。在停机/再起动系统中，发动机会根据驾驶员的需求自动停机或者再起动。根据Xie等的研究，装配有停机/再起动技术的汽车能够节油10%和减少12%的二氧化碳排放。Bishop等也得出了类似的研究结果，他们认为在混合驾驶工况中，混合动力汽车平均节油4．8%。此外，Matsuura等研究发现，在城市工况中，带有停机/再起动技术的柴油机减少20%的二氧化碳排放。鉴于停机/再起动系统如此良好的性能表现和越来越严苛的环境保护法规，将会有越来越多的汽车装配该技术。

该技术以其良好的节油性而广受关注。有研究表明，混合动力汽车发动机在联邦城市驾驶表中会经历65次停机和再起动。发动机经历如此多的停机/再起动，其冷却水温度已经比较高，这对混合气的行成和缸内的燃烧有利。另外，对于装配有停机/再起动技术的混合动力发动机来说起动转速相对较高，其喷油量在发动机达到一个较高转速之前一直都是零，因此起动阶段的燃油消耗会减少。以上两点似乎表明起动阶段的碳氢排放会减少。但实际情况似乎并非如此，有研究表明混合动力用发动机热机起动也会引起碳氢化合物排放恶化。Yu等在一台混合动力用进气道喷射汽油机上，基于循环分析比较了传统的低转速起动和高转速起动的区别，结果表明高速起动过程会引起缸内失火和不完全燃烧，且恶化碳氢排放。王振锁等研究了混合动力用发动机的排放特性，结果说明高转速起动有助于节油和减少碳氢排放，但起动转速过高会恶化碳氢和氮氧化物排放。总之，城市工况中发动机频繁地停机/再起动会引起排放的恶化。

当前，进气道喷射发动机以其低成本和高技术成熟度而被广泛应用。对于进气道喷射发动机来说，进气道形成的混合气浓度是影响燃烧和排放的关键因素，从发动机起动后的第一个循环起空气-燃料混合气就应该有适当的浓度以确保可靠地燃烧。又因为起动前几个循环发动机的高瞬态性和较低的温度，所以起动前几个循环一般都会考虑燃油加浓策略，即通过加浓喷射量来确保温度较低情况下蒸发的燃料能够形成可燃的混合气。然而，量化喷油加浓是一件十分困难的事情，因此，即使上一循环加浓喷射的燃料多一点也会影响接下来循环的燃烧和排放，使发动机燃烧与排放的控制愈发困难。Fischer HC等试验探究了进气道喷射发动机燃油传输过程，结果发现，冷起动过程中，加浓喷射的燃油量达到了理论空燃比需油量的10倍。Liguang Li等研究发现冷起动过程中，前两个循环的喷油量是理论空燃比油量的5倍，而接下来几个循环却小于理论需油量。Zhiming Liu等试验研究了燃油计量对进气道喷射发动机倒拖和起动阶段排放和发动机稳定性的影响。结果表明，首循环喷射越多的燃料，蒸发形成可燃混合气的燃料比例就越小，而剩余部分形成的油膜又不可避免地会影响下一循环。对于混合动力来说，其起动转速一般会高于传统发动机的起动转速，因此，其起动过程的瞬态性也会更强，这会增加对混合气浓度控制的难度，从而造成燃烧和排放的不可预测。

基于以上问题，许多试验研究都着眼于提升混合动力发动机的起动性能。Ohn H等研究了首循环喷油正时对混合动力发动机快速起动过程的影响，得出了冷起动不能使用开阀喷射和热机起动应该优先使用半开阀喷射和开阀喷射的结论。Yu等测试了基于循环控制混合动力起动喷油的策略，实现了前五个循环IMEP最优和降低碳氢排放。周健豪等作者研究发现，进气道喷射汽油机起动过程的前几个循环适当的喷油加浓可以加快起动和减少碳氢排放。LI等基于活塞初始位置采用燃油独立喷射策略来改善混合动力快速起动过程，实现了更快的起动和碳氢排放的减少。

总体上而言，典型的进气道喷射发动机起动过程可以被分为三个阶段：倒拖、起动和怠速阶段。倒拖阶段是电机拖动发动机直到首次达到目标拖动转速为止。当发动机到达目标拖动转速后，电机立刻掉电，发动机进入起动阶段。在该阶段，发动机通常会由自身燃烧从较低的拖动转速加速到较高转速，然后在降低至目标怠速转速。为了确保起动成功，一般发动机会加速到一个较高转速，一般是超过目标怠速一倍。加速过程中，怠速旁通阀一般会由大开逐渐闭合至目标怠速的怠速阀位置，同时，喷油一般也会采用加浓策略。因此，这种起动过程的瞬态性和燃油消耗都很高，起动排放也差。发动机起动表现差主要就是该阶段造成的。起动阶段过后，发动机会进入稳定的怠速工况。

不难发现，当前大部分用于提升混合动力用发动机起动表现的方法都是着眼于优化喷射脉宽和喷射正时，很少有从减弱发动机起动瞬态特性角度考虑的，比如省略通过缸内燃烧的加速。如果能够实现高拖转转速、无发动机自身燃烧加速的起动，那么发动机将至少会受益于两个方面：一是用于燃烧加速的燃油将会大幅削减；二是起动阶段的怠速阀大开和喷射加浓将变得没有必要，这样就会有益于更好地控制混合气浓度。基于此，本文提出了一种准恒速快速起动策略，目的是减少起动过程中发动机自身燃烧加速过程，以期减少起动过程中的排放。

1 试验系统和方法

1.1 试验系统

本文中所用的试验系统如图1所示。测试用的发动机是一台4缸进气道喷射发动机，其详细参数如表1所示，进气道的界面如图2所示（每缸的进气道有两个对称的进气道）。将一台直流电机连接在发动机的飞轮端用来拖转发动机。起动的目标拖转转速和电机加速时间可以由直流电机控制器设定。发动机的喷射脉宽、怠速阀开度和点火角可以由自主开发的电子控制单元（ECU）基于循环控制。为了更好的表达采用准恒速起动策略的发动机的起动表现，采用原机起动策略的起动将被用作参考，其控制参数是由原机ECU中获得，并在自主开发的ECU中重现。试验中使用的其他仪器的具体参数如表2所示。

发动机进气道中汽油的蒸发以及混合气的形成会对发动机的快速启动过程造成一定的影响，而喷油正时、进气道温度以及进气道形状均会影响汽油蒸发和混合气的形成，如图2所示即为进气道的截面示意图，每个发动机气缸都有对称的两个如图所示的进气道。

图1 试验系统图

图2 进气道截面

表1 发动机参数

表2 仪器详细参数

1.2 准恒速起动策略

图3给出了准恒速起动策略的控制流程，准恒速起动策略主要包括以下几点内容。

将目标拖动转速Nt设置与目标怠速转速相等，这样就可以减去由发动机自身燃烧加速的过程。

怠速阀开度值从一开始就设定为目标怠速时的怠速阀开度值，因为发动机开始着火后只需要维持目标怠速转速而不需要加速。

喷油策略的原则是起动过程中提供当量比需油量，除第一循环需要确保着火成功需要加浓。

图3 准恒速起动控制策略

图4给出了准恒速起动策略的怠速阀开度和喷油脉宽值。起动阶段控制参数是基于循环标定的。怠速阀开度从一开始就设定为目标怠速和起动冷却水温条件下的稳定怠速时的怠速阀开度，喷油量是当量比需油量，其值是基于进气压力和充气效率标定的。当发动机进入怠速阶段后，使用两个PI控制器对发动机进行控制。

图4 不同启动策略怠速阀开度、喷油脉宽随时间变化

理论上，准恒速起动策略不论是冷机或者热机起动都适用，但是，在城市驾驶工况中，发动机停机后再起动大多数是热机条件，因此，冷却水温设定为80℃。目标怠速转速设定为800r/min。喷射正式设定为膨胀冲程下止点。点火角设定为上止点前10°CA（曲轴转角）。作为参考的原机起动条件与快速起动条件一致。

2 结果与分析

2.1 进气压力，转速和过量空气系数

图5给出了准恒速起动和原机起动的绝对进气压力，从图中可知，在起动阶段准恒速策略起动策略下的发动机进气压力低于原机起动策略的进气压力，其原因是两种起动策略的怠速阀开度设定不一样。对于原机起动，发动机缸内燃烧从较低的拖动转速加速到较高的目标怠速转速，这需要发动机输出大量的功，因此怠速阀从开始是大开的，而后逐渐减小到怠速时的位置。而对于准恒速起动策略，目标拖动转速与目标怠速转速相等，因此，发动机开始着火后只需要维持目标怠速，不需要加速，因此怠速阀位置从一开始就设定在稳定怠速时的怠速阀位置。

图5 不同启动策略进气压力随循环数的变化

图6 不同启动策略转速随时间的变化

图7 不同启动策略过量空气系数随时间的变化

图6给出了两种起动策略下的发动机转速。从图中可以发现，对于原机起动，在倒拖阶段发动机先被电机托转到目标拖转转速（约300r/min），然后被缸内燃烧输出的功加速到一个高转速（超过目标怠速转速800r/min），其转速的超调量能达到几百转，此后其转速就会逐渐回落至目标怠速转速。对于准恒速起动，发动机直接被电机拖转至目标怠速转速（800r/min），当发动机开始输出功时，其转速已经在目标怠速转速附近，因此其缸内燃烧只需要维持目标怠速转速，这样就可以将转速的超调量控制在小范围之中。准恒速起动的转速超调量小，其瞬态特性小。

过量空气系数对碳氢和一氧化碳排放的影响很大，因此需要对过量空气系数进行研究。图7给出了本试验中两种不同起动策略起动过程的过量空气系数。由图可知，原机起动的过量空气系数稳定到“1”附近是用时大概是5秒钟，且长时间保持在“1”之下，也就是说混合气偏浓。而对于准恒速起动，其过量空气系数稳定到“1”附近只用了大约1秒钟，且很少有浓燃。这主要是因为对于原机起动来说，需要燃油加浓喷射来补偿加速油膜，在瞬态特性如此强的加速阶段，很难量化燃油喷射的加浓量，因此通常都是“过浓”喷射以保证正常燃烧。而对于准恒速起动来说，只有首循环为了确保成功着火需要适当加浓，首循环之后发动机缸内燃烧只需要维持目标怠速转速，不需要考虑加浓，只需要供给当量比油量即可。总体上来说，准恒速起动更加易于控制起动过程中的过量空气系数。

2.2 油耗

图8给出了原机和准恒速策略下的起动过程中消耗的燃料。由图可知，两种起动策略消耗的燃料都是由大减小至一个稳定值。对于原机起动来说，其主要原因就是起动阶段需要加速，因此会消耗更多的燃料。而对于准恒速起动策略来说，为了尽量提供当量比混合气，燃料喷射量与进气压力相干。而准恒速起动策略下，进气压力前几个循环会大一些，因此其前几个循环的喷油量也会多一些。当发动机逐渐进入稳态后，两种起动策略的燃料消耗都会逐渐趋于稳定。图中另一点值得注意的是在前十个循环，准恒速起动策略消耗的燃料明显小于原机起动消耗的，其原因也是原机起动需要发动机缸内燃烧输出功用于加速，而准恒速起动不需要加速，只需要维持目标怠速转速即可。从燃料的消耗角度来说，准恒速起动是节油的。

图8 不同启动策略油耗随循环数的变化

2.3 排放

碳氢排放对于评价发动机起动性能具有重要意义。图9给出了两种不同起动策略下的HC，由图可知，对于两种起动策略的HC排放都是先增大后逐渐减小并且在小范围内波动，其中原机起动的HC排放峰值为278ppm，准恒速起动HC排放峰值为159ppm，两种起动策略的HC排放稳定值为150ppm左右。准恒速起动的HC排放在起动前期明显小于原机起动，当发动机逐渐进入稳定的怠速工况后，两种起动策略的排放值保持在同一水平。不难发现，采用准恒速起动策略的发动机在起动早期的HC排放明显少于原机起动，这主要是由于喷油和怠速阀开度策略不同造成的。对于原机起动，发动机需要用缸内燃烧输出的功将自身的转速由较低的目标拖动转速加速到一个高转速，因此，在起动的前几个循环需要节气门大开，以确保发动机能够输出足够的功，然后会不断减小怠速阀开度直至稳定在怠速，而怠速阀的调节会在一定程度上恶化HC排放。与此同时，发动机在加速过程中瞬态特性强烈，为确保加速成功，就需要不断地对油膜进行补偿，一般都是通过过浓喷射来确保油膜的厚度。这样，燃烧的混合气一般都会是过浓的，这就会排出大量HC排放。相对应地，对于准恒速起动，发动机开始着火后只需要维持稳定的怠速转速，因此，怠速阀可以从一开始就固定在对应的怠速条件下的开度，不需要调节。发动机开始着火后瞬态特性弱，油膜的补偿也只发生在首循环，而后就可以供给当量比油量，混合气能够很快地到达理论空燃比。因此，准恒速起动排出的HC明显减少。当发动机进入较为稳定的怠速阶段后，两种发动机工作状态相近，且混合气浓度也都到达理论空燃比，进缸的混合气量也有所减少（由进气压力可知），因此其排放也几乎一样且相比于早期有所减少。

图9 不同启动策略下HC排放

一氧化碳（CO）排放是由不完全燃烧造成的，起动过程中发动机燃烧条件较差，CO排放也差。图10是CO排放，CO排放变化规律与HC排放变化类似，也是先增大后逐渐减小至一个稳定值附近。原机起动的CO排放峰值是2．26%，准恒速起动策略的CO排放峰值是0．88%，两种起动策略的CO排放稳定值都是0．4%。起动的早期阶段，准恒速起动策略排出的CO明显少于原机起动策略，造成这种现象的主要原因也是原机起动策略起动瞬态性强，需要通过加浓喷射来确保油膜的厚度，以确保加速成功，因此起动早期其混合气过浓，CO排放就会增加。而准恒速起动策略只有首循环需要考虑油膜补偿，因此其燃油供给可以根据当量比需油量供给，混合气浓度能很快到达理论空燃比，CO排放较少。当发动机进入稳定的怠速工况后，两种策略下的发动机混合气浓度都是理论空燃比，且进缸的混合气质量也几乎一样（相对于早期都有所减少），因此CO排放量相近，且相对于早期都有所减少。

氮氧化物（NOx）排放形成需要高温和富氧的条件。图11给出的是本试验中两种不同起动策略下的NOx排放。原机起动的NOx排放峰值是448ppm，准恒速启动的峰值是164ppm，两种起动策略的NOx排放稳定值都是大约50ppm。在起动的早期，原机起动的NOx排放明显高于准恒速起动的NOx排放，这是因为原机起动需要缸内燃烧做功来加速发动机，而准恒速起动则只需要目标怠速即可。因此，在起动的早期，相比于准恒速起动，原机起动进入缸内燃烧的混合气质量很大，所以，原机起动在早期燃烧放热就多，其缸内温度就会高，产生的NOx排放就会多。当发动机逐渐进入稳定的怠速工况后，两种策略下进入缸内的混合气都会减少并趋于稳定，因此，两种策略下的NOx排放都会逐渐减少并趋于稳定。在怠速工况，两种策略下发动机工况相似，因此NOx的排放也相等。

图10 不同启动策略下C〇排放

图11 不同启动策略下N〇x排放

3 结语

本文针对城市工况中混合动力频繁停机/再起动的特点提出了一种准恒速起动策略，并试验研究了其起动表现，试验结果与原机起动策略相对比，主要的结论如下：准恒速起动的发动机不需要通过缸内燃烧来加速，因此，发动机开始输出功后转速波动明显减小，起动的瞬态特性削弱；相比于原机起动，准恒速起动策略下，进入气缸内的混合气浓度更快地达到理论空燃比；准恒速起动的起动阶段减少了燃油消耗，节油性提升；准恒速起动策略下，起动早期HC，CO和NOx排放明显减少。

参考文献：

[1]韩立伟．缸内直喷汽油机应用起动—停止技术的研究[D]．吉林大学,2010．

[2]Fangxi Xie,Xiaoping Li,Yan Su ,Wei Hong． Influence of air and EGR dilutions on improving performance of a high compression ratio spark-ignition engine fueled with methanol at light load[J]．Applied Thermal Engineering, 2016,94,559-567．

[3]John Bishop,Ashok Nedungadi,Gregory Ostrowski,et al．An engine start/stop systerm for improved fuel economy[C]．SAE paper,No．2007-01-1777,2001．

[4]Moritaka Matsuura,Koji Korematsu,Junya Tanaka ．FuelConsumption Improvement of Vehicles by Idling Stop ．． SAE Paper2004-01-1896 ．2004．

[5]李理光,李献菁,陆海峰,邓俊．混合动力汽车发动机电机拖动策略和起动性能的研究[J]．汽车工程,2016,38(02):133-140．

[6]王存磊,殷承良,于海生．混合动力系统用发动机冷起动排放[J]．上海交通大学学报,2010,44(10):1352-1355．

[7]Naeim A．Henein,Dinu Taraza,Nabil Chalhoub,et al．Exploration of the Contribution of the Start/Stop Transients in HEV Operation and Emissions[C]．SAE Paper,No．2000-01-3086,2000．

[8]Cheng Y,Wang J X,Zhuang R J,et al． Analysis ofcombustion behavior during cold start and warm upprocess of SI engine[C]．SAE Paper．2001．

[9]于水．混合动力汽车汽油机起动工况瞬态燃烧和排放特性研究[D]．上海交通大学，2009．

[10] Yu S． Multi-Coil High Frequency Spark Ignition to Extend Diluted Combustion Limits[J]． Springer Berlin Heidelberg ,2013,189:217-227．

[11]王振锁，李理光，宫长明等．基于循环的LPG电喷发动机冷起动探究[J]．内燃机学报，2004,22（4）：337-344．

[12]Fischer HC,Brereton GJ．Fuel injection strategies to minimize cold-startHC emission[C]．SAE Paper,No．1997．

[13]Liguang Li,Zhensuo Wang,Changming Gong．Investigation of Cold Start Based on Cycle to Cycle Control Strategy in an EFI LPG Engine[C]．SAE Paper,No．2004．

[14]Zhiming Liu,Liguang Li,Baoqing Deng．Cold Start Characteristics at Low Temperatures Based on the First Firing Cycle in an LPG Engine[J]．Energy Conversion and Management,2007,（48）:395-404．

[15]于水，董光宇，高原等．基于循环分析的发动机快速启动瞬态燃烧特性[J]．内燃机学报，2008,26（5）：404-409．

[16]Ohn H，Yu S,Min K．Spark timing and fuel injection strategy for combstion stability on HEV powertrain[J]．Control Engineering Practice,2010,18(11):1272-1284．

[17]Yu S,Zhang Y,Hu Z,et al．Fuel Injection Optimization during Engine Quick Start by Means of Cycle-by-Cycle Control Strategy for HEV Application[C]．SAE 2009 Powertrains Fuels and Lubricants Meeting．2009．

[18]周健豪，袁银男，柳先强．PFI汽油机快速拖动启动控制策略与碳氢排放[J]．内燃机工程，2011,32（5）：1-6．

[19]Li T,Deng K,Peng H,et al．Independent fuel injection strategy based on the initial piston positions for HEV engine quick start[J]．Fuel,2014,117(1)：733-741．

[20]Matsuura M,Korematsu K,Tanaka J,Fuel Consumption Improvement of Vehicle by Idling Stop[C]．SAE Fuels&Lubricants Meeting&Exhibition．2004．

[21]Jeffrey Wishart,Matthew Shirk,Tyler Gray,et al．Quantifying the Effects of Idle-Stop Systems on Fuel Economy in Light-Duty Passenger Vehicles[C]．SAE Paper,No．2012-01-0719,2012．