混合動力乘用汽車發動機選擇及其關鍵技術分析(三)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

2.電子節氣門控制系統(ETCS-i)

ETCS-i是使用計算機控制節氣門開度的系統。ETCS-i系統組成如圖18所示，包括加速踏板位置傳感器、發動機ECU和節氣門體。節氣門體的結構如圖19所示。節氣門體包括控制進氣量的節氣門、檢測節氣門開度狀態的節氣門位置傳感器、打開或關閉節氣門的驅動馬達、使節氣門返回固定位置的回位彈簧。節氣門驅動馬達采用了反應靈敏度高、耗能小的直流馬達。

圖18 ETCS-i系統組成

節氣門位置傳感器由霍爾元件和可繞其轉動的磁鐵制成的霍爾IC構成，磁鐵安裝在節氣門軸上，與節氣門一起轉動。當節氣門開啟時，磁鐵也同時轉動，改變位置，使磁通量發生變化，霍爾IC因磁通量變化從VTA1和VTA2端子輸出霍爾效應電壓，此電壓信號被輸送到發動機ECU作為節氣門位置信號。此傳感器不僅能精確檢測節氣門開啟程度，還采用了無接觸方式，結構簡單，不易發生故障。而且，為了保證傳感器的可靠性，還具有不同輸出的兩個輸出信號的冗余設計，如圖20所示。

霍爾型加速踏板位置傳感器的構造和工作原理同霍爾型節氣門位置傳感器基本相同，為確保元件較好的可靠性，兩個輸出信號都有各自的電路構成，如圖21所示。

圖19 節氣門體的結構

圖20 霍爾型節氣門位置傳感器結構與工作原理圖

圖21 霍爾型加速踏板位置傳感器結構與工作原理圖

常規機械連接的節氣門系統中，節氣門開啟與關閉是由從加速踏板到節氣門體之間的一根油門拉索來控制。在ETCS-i系統里，油門拉索已被廢除，而是根據加速踏板的踩壓量大小，發動機ECU使用節氣門驅動馬達來柔性控制節氣門的開啟或關閉。尤其是在混合動力汽車上，發動機怠速及低負荷停止工作，使得節氣門的開度與加速踏板位置已是非線性關系，而是由混合動力系統HV-ECU根據駕駛員的操作信息，例如，加速踏板位置、制動踏板位置、擋位、空調工作狀態、SOC狀態、減速與加速等信息,這些信息通過多路通信傳輸給發動機ECU，ECU將這些信息計算出發動機的轉矩，再根據當前曲軸位置、凸輪軸位置、進氣充量、冷卻液溫度和節氣門位置等信息對節氣門轉角期望值進行補償，得到節氣門的最佳開度，并且換算成節氣門驅動馬達的電流矢量，控制馬達轉動或維持，然后通過減速齒輪打開或關閉節氣門，節氣門的實際開啟角由節氣門位置傳感器檢測并反饋給發動機ECU，形成閉環的節氣門位置控制。當沒有電流流向馬達時，節氣門回位彈簧使節氣門開啟在大約7°的固定位置。

ETCS-i系統調節發動機扭矩有兩條可供選擇的路徑，如圖22所示。

圖22 ETCS-i系統調節發動機扭矩輸出控制路徑

一條是漸進反應路徑，它受節氣門(帶ETCS-i)觸發控制，快速控制點火正時和/或停止噴油。另一條是較慢的路徑，也被稱為充量(進氣量)控制路徑，是針對平穩的操作。對一個給定的扭矩計算得出的充量要求決定汽缸進氣量，然后將這個充量轉換成節氣門開度。如圖23所示給出了發動機各運行模式與加速踏板角度和節氣門開度曲線。對于帶有扭矩激活傳動系控制縱向力加速度的車輛，采用節氣門開啟角度小于或大于加速踏板的踩壓角度，改變節氣門開啟速率，以便于車輛的縱向加速度逐漸上升，來達到平穩的車輛加速行駛，如圖24所示ETCS-i系統控制車輛傳動系扭矩曲線圖。

ETCS-i失效保護功能，如果發動機ECU檢測到ETCS-i系統出現故障，它將點亮組合儀表上的故障指示燈以通報給駕駛員。例如，加速踏板位置傳感器信號或節氣門位置傳感器信號輸出電路中的冗余電壓出現反常差別時，發動機ECU都會將車輛轉換到跛行模式(故障慢行模式)。加速踏板傳感器故障跛行模式控制中，使用剩余一條電路輸出電壓來計算加速踏板位置的開啟角度，并將車輛在節氣門開啟角度大于正常值的有限條件下行駛。節氣門位置傳感器故障跛行模式，發動機ECU會切斷驅動馬達的控制電流，這時由回位彈簧將節氣門開啟到固定的位置，而噴油量和噴射時間都由加速踏板位置信號來控制。雖然發動機輸出功率受到很大限制，但車輛仍能行駛。

3.廢氣再循環控制系統(EGR)

廢氣再循環技術(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將一部分內燃機燃燒產生的廢氣重新導入到進氣系統中，與新鮮充量混合后一同進入汽缸，再次參與缸內燃燒，這項技術主要用來降低缸內最高燃燒溫度，抑制NOx的生成與排放。而對汽油機而言，引入EGR還能夠在部分負荷下降低泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

EGR系統的分類有很多種。根據廢氣進入汽缸是否通過發動機的進氣系統，EGR可以分為外部EGR系統和內部EGR系統。內部EGR循環是通過可變氣門正時機構改變配氣相位來實現的，其優點是結構簡單，不需要改變發動機的機體構造，但其對EGR率的控制非常困難。外部EGR循環是在發動機上加裝外部管路，將廢氣從排氣管引入進氣系統，中間還需加裝冷卻系統、EGR閥等，結構雖然相對復雜，但是可以通過電控系統精確調節EGR率。如圖25所示為EGR系統廢氣循環示意圖。

圖23 發動機各運行模式與加速踏板角度和節氣門開度曲線圖

圖24 ETCS-i系統控制車輛傳動系扭矩曲線圖

發動機在燃燒后排出的廢氣中氧含量極低，近乎為零，因此排出的廢氣與新鮮空氣充量混合后會使總的進氣中氧氣濃度降低，這樣比空氣的含氧量還低的進氣充量在缸內燃燒會使燃燒速率下降、最高燃燒溫度降低，從而破壞了NOx生成的條件，抑制了NOx的生成。另外試驗結果表明，與不引入EGR的缸內燃燒相比，EGR中高比熱容的CO2和H2O會大量吸收缸內燃燒釋放的熱量，如果兩種情況中燃燒釋放的熱量相同，那么引入EGR的缸內燃燒的最高燃燒溫度必然降低。同時EGR中的二氧化碳、水以及N2等成分基本不參與燃燒，引入EGR相當于稀釋了總的進氣充量，這樣導致了缸內燃燒的火焰傳播速度降低，燃燒放熱率減緩，同樣使得最高燃燒溫度下降。EGR通過以上兩個方面的綜合作用抑制了NOx的生成與排放。

EGR不僅影響發動機的排放性，還影響經濟性。例如豐田混合動力發動機在高負荷工況下引入冷卻廢氣再循環，一方面降低缸內燃燒溫度，提升大負荷工況發動機的抗爆性，從而降低油耗；另一方面，發動機長期在大負荷工況工作，排氣溫度偏高，利用冷卻EGR也可以降低排氣溫度，原來阿特金森循環技術可使油耗降低8.5%，冷卻EGR技術可使油耗在此基礎上進一步降低1.7%。典型混合動力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機性能參數對比如圖26所示。

圖25 EGR系統廢氣循環示意圖

圖26 典型混合動力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機性能參數對比

五、減少發動機機械損失技術

圖27所示為豐田混合動力發動機電控冷卻液循環系統示意圖。

圖27 豐田混合動力發動機電控冷卻液循環系統示意圖

豐田采用電動水泵替代發動機曲軸皮帶驅動機械水泵，并由電機操縱冷卻液流循環，實現不同工況下對冷卻液流量的自由控制，在高負荷工況下增加流量增強發動機的散熱效果。由于混合動力發動機主要工作在中高負荷，其缸內負壓相對傳統發動機較小，加上1.8L汽油機在相同的輸出功率時相比1.5L汽油機轉速更低，因此豐田適當減小了活塞環壓緊力，最終使得1.8L汽油機機械損失比1.5L汽油機減小了26.8%，發動機機械損失構成及減少量如圖28所示。

圖28 豐田兩代混合動力發動機機械損失對比

在排放后處理方面，針對發動機冷啟動工況及高轉速低負荷工況，豐田利用電動水泵減少冷卻液流量，利用排氣熱量回收系統收集排氣余熱對催化劑進行快速預熱，優化排放性能，縮短暖機時間，降低冷啟動油耗，使整車在冬天的燃油經濟性提高19%。

六、混合動力汽車發動機故障分析

1.案例一

故障現象

一輛2006年生產的豐田普銳斯，車型NHW20L,搭載豐田THS混合動力系統和1.5L 1NZ-FXS發動機，行駛里程70km?？蛻粼谛萝囂彳嚭?，行駛30km回家。次日第一次啟動車輛發現發動機故障燈點亮，因此客戶將車輛返回經銷店檢查。

故障診斷

(1)故障現象確認

①“READY ON”狀態(發動機不工作狀態)無明顯異常。

②將車輛調整為維修模式，發動機強制工作時，可感受到發動機傳來的強烈振動(明顯的異常振動傳遞到駕駛室)。豐田普銳斯混合動力激活檢查模式如圖29所示。

圖29 豐田普銳斯混合動力汽車激活檢查模式示意圖

③故障現象與冷車或熱車沒有關系。故障現象不會改變。

④電源開關回到IG OFF，再次打開IG NO(READY ON狀態)，激活檢查模式使發動機工作，發動機警告燈點亮(DTC：P0171輸出，雙程檢測邏輯的原因)。

⑤清除DTC，DTC清除不了。

(2)檢查

①發動機怠速時的數據流確認，空燃比稀，暖機狀態下發動機怠速與正常車輛相比，可以明顯發現空燃比稀薄，故障車數據流與正常車數據流如圖30、31所示。

故障車數據流：A/F傳感器電壓：4.99(稀);LFT：14.8%;SFT：19～20%;O2傳感器電壓：0。

正常車數據流：A/F傳感器電壓：3.2～3.3(正常);LFT：14.8%;SFT：-2.4～-0.8%;O2傳感器電壓：0.6V。

圖30 故障車混合汽稀數據流

圖31 正常車混合汽數據流

②用智能診斷儀執行主動測試(InjVol)，增加燃料噴射量后，發動機的振動好轉。

根據上述主動測試的結果，可以確定是由于空燃比稀薄引起的故障?？赡苁怯捎谙铝械脑蛟斐傻墓收希簭倪M氣系統處(電子節氣門后方)存在空氣吸入；燃油壓力低下；噴油器堵塞；發動機ECU異常。

③進氣系統的吸氣檢查：確認在節氣門體與進氣歧管接觸部存在空氣吸入，檢查方法如圖32所示。

圖32 檢查進氣系統漏氣示意圖