混合動(dòng)力乘用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)選擇及其關(guān)鍵技術(shù)分析(三)

◆文/江蘇 高惠民

(接上期)

2.電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)(ETCS-i)

ETCS-i是使用計(jì)算機(jī)控制節(jié)氣門開度的系統(tǒng)。ETCS-i系統(tǒng)組成如圖18所示，包括加速踏板位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU和節(jié)氣門體。節(jié)氣門體的結(jié)構(gòu)如圖19所示。節(jié)氣門體包括控制進(jìn)氣量的節(jié)氣門、檢測節(jié)氣門開度狀態(tài)的節(jié)氣門位置傳感器、打開或關(guān)閉節(jié)氣門的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、使節(jié)氣門返回固定位置的回位彈簧。節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)馬達(dá)采用了反應(yīng)靈敏度高、耗能小的直流馬達(dá)。

圖18 ETCS-i系統(tǒng)組成

節(jié)氣門位置傳感器由霍爾元件和可繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵制成的霍爾IC構(gòu)成，磁鐵安裝在節(jié)氣門軸上，與節(jié)氣門一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)節(jié)氣門開啟時(shí)，磁鐵也同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變位置，使磁通量發(fā)生變化，霍爾IC因磁通量變化從VTA1和VTA2端子輸出霍爾效應(yīng)電壓，此電壓信號被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU作為節(jié)氣門位置信號。此傳感器不僅能精確檢測節(jié)氣門開啟程度，還采用了無接觸方式，結(jié)構(gòu)簡單，不易發(fā)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(gè)輸出信號的冗余設(shè)計(jì)，如圖20所示。

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

圖19 節(jié)氣門體的結(jié)構(gòu)

圖20 霍爾型節(jié)氣門位置傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖

圖21 霍爾型加速踏板位置傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理圖

常規(guī)機(jī)械連接的節(jié)氣門系統(tǒng)中，節(jié)氣門開啟與關(guān)閉是由從加速踏板到節(jié)氣門體之間的一根油門拉索來控制。在ETCS-i系統(tǒng)里，油門拉索已被廢除，而是根據(jù)加速踏板的踩壓量大小，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU使用節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來柔性控制節(jié)氣門的開啟或關(guān)閉。尤其是在混合動(dòng)力汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及低負(fù)荷停止工作，使得節(jié)氣門的開度與加速踏板位置已是非線性關(guān)系，而是由混合動(dòng)力系統(tǒng)HV-ECU根據(jù)駕駛員的操作信息，例如，加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置、擋位、空調(diào)工作狀態(tài)、SOC狀態(tài)、減速與加速等信息,這些信息通過多路通信傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，ECU將這些信息計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)當(dāng)前曲軸位置、凸輪軸位置、進(jìn)氣充量、冷卻液溫度和節(jié)氣門位置等信息對節(jié)氣門轉(zhuǎn)角期望值進(jìn)行補(bǔ)償，得到節(jié)氣門的最佳開度，并且換算成節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流矢量，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)或維持，然后通過減速齒輪打開或關(guān)閉節(jié)氣門，節(jié)氣門的實(shí)際開啟角由節(jié)氣門位置傳感器檢測并反饋給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，形成閉環(huán)的節(jié)氣門位置控制。當(dāng)沒有電流流向馬達(dá)時(shí)，節(jié)氣門回位彈簧使節(jié)氣門開啟在大約7°的固定位置。

ETCS-i系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩有兩條可供選擇的路徑，如圖22所示。

圖22 ETCS-i系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出控制路徑

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

ETCS-i失效保護(hù)功能，如果發(fā)動(dòng)機(jī)ECU檢測到ETCS-i系統(tǒng)出現(xiàn)故障，它將點(diǎn)亮組合儀表上的故障指示燈以通報(bào)給駕駛員。例如，加速踏板位置傳感器信號或節(jié)氣門位置傳感器信號輸出電路中的冗余電壓出現(xiàn)反常差別時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU都會(huì)將車輛轉(zhuǎn)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(jì)算加速踏板位置的開啟角度，并將車輛在節(jié)氣門開啟角度大于正常值的有限條件下行駛。節(jié)氣門位置傳感器故障跛行模式，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)切斷驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的控制電流，這時(shí)由回位彈簧將節(jié)氣門開啟到固定的位置，而噴油量和噴射時(shí)間都由加速踏板位置信號來控制。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率受到很大限制，但車輛仍能行駛。

3.廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)(EGR)

廢氣再循環(huán)技術(shù)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)是將一部分內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣重新導(dǎo)入到進(jìn)氣系統(tǒng)中，與新鮮充量混合后一同進(jìn)入汽缸，再次參與缸內(nèi)燃燒，這項(xiàng)技術(shù)主要用來降低缸內(nèi)最高燃燒溫度，抑制NOx的生成與排放。而對汽油機(jī)而言，引入EGR還能夠在部分負(fù)荷下降低泵氣損失，從而降低燃油消耗率。

EGR系統(tǒng)的分類有很多種。根據(jù)廢氣進(jìn)入汽缸是否通過發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，EGR可以分為外部EGR系統(tǒng)和內(nèi)部EGR系統(tǒng)。內(nèi)部EGR循環(huán)是通過可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)改變配氣相位來實(shí)現(xiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體構(gòu)造，但其對EGR率的控制非常困難。外部EGR循環(huán)是在發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝外部管路，將廢氣從排氣管引入進(jìn)氣系統(tǒng)，中間還需加裝冷卻系統(tǒng)、EGR閥等，結(jié)構(gòu)雖然相對復(fù)雜，但是可以通過電控系統(tǒng)精確調(diào)節(jié)EGR率。如圖25所示為EGR系統(tǒng)廢氣循環(huán)示意圖。

圖23 發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)行模式與加速踏板角度和節(jié)氣門開度曲線圖

圖24 ETCS-i系統(tǒng)控制車輛傳動(dòng)系扭矩曲線圖

發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)使總的進(jìn)氣中氧氣濃度降低，這樣比空氣的含氧量還低的進(jìn)氣充量在缸內(nèi)燃燒會(huì)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(yàn)結(jié)果表明，與不引入EGR的缸內(nèi)燃燒相比，EGR中高比熱容的CO2和H2O會(huì)大量吸收缸內(nèi)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(nèi)燃燒的最高燃燒溫度必然降低。同時(shí)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(dāng)于稀釋了總的進(jìn)氣充量，這樣導(dǎo)致了缸內(nèi)燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停紵艧崧蕼p緩，同樣使得最高燃燒溫度下降。EGR通過以上兩個(gè)方面的綜合作用抑制了NOx的生成與排放。

EGR不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性，還影響經(jīng)濟(jì)性。例如豐田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷工況下引入冷卻廢氣再循環(huán)，一方面降低缸內(nèi)燃燒溫度，提升大負(fù)荷工況發(fā)動(dòng)機(jī)的抗爆性，從而降低油耗；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)長期在大負(fù)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(huán)技術(shù)可使油耗降低8.5%，冷卻EGR技術(shù)可使油耗在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低1.7%。典型混合動(dòng)力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機(jī)性能參數(shù)對比如圖26所示。

圖25 EGR系統(tǒng)廢氣循環(huán)示意圖

圖26 典型混合動(dòng)力汽車自然吸氣高膨脹比汽油機(jī)性能參數(shù)對比

五、減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失技術(shù)

圖27所示為豐田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)示意圖。

圖27 豐田混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻液循環(huán)系統(tǒng)示意圖

豐田采用電動(dòng)水泵替代發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)械水泵，并由電機(jī)操縱冷卻液流循環(huán)，實(shí)現(xiàn)不同工況下對冷卻液流量的自由控制，在高負(fù)荷工況下增加流量增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果。由于混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在中高負(fù)荷，其缸內(nèi)負(fù)壓相對傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)較小，加上1.8L汽油機(jī)在相同的輸出功率時(shí)相比1.5L汽油機(jī)轉(zhuǎn)速更低，因此豐田適當(dāng)減小了活塞環(huán)壓緊力，最終使得1.8L汽油機(jī)機(jī)械損失比1.5L汽油機(jī)減小了26.8%，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失構(gòu)成及減少量如圖28所示。

圖28 豐田兩代混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失對比

在排放后處理方面，針對發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)工況及高轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況，豐田利用電動(dòng)水泵減少冷卻液流量，利用排氣熱量回收系統(tǒng)收集排氣余熱對催化劑進(jìn)行快速預(yù)熱，優(yōu)化排放性能，縮短暖機(jī)時(shí)間，降低冷啟動(dòng)油耗，使整車在冬天的燃油經(jīng)濟(jì)性提高19%。

六、混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障分析

1.案例一

故障現(xiàn)象

一輛2006年生產(chǎn)的豐田普銳斯，車型NHW20L,搭載豐田THS混合動(dòng)力系統(tǒng)和1.5L 1NZ-FXS發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛里程70km。客戶在新車提車后，行駛30km回家。次日第一次啟動(dòng)車輛發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈點(diǎn)亮，因此客戶將車輛返回經(jīng)銷店檢查。

故障診斷

(1)故障現(xiàn)象確認(rèn)

①“READY ON”狀態(tài)(發(fā)動(dòng)機(jī)不工作狀態(tài))無明顯異常。

②將車輛調(diào)整為維修模式，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)制工作時(shí)，可感受到發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的強(qiáng)烈振動(dòng)(明顯的異常振動(dòng)傳遞到駕駛室)。豐田普銳斯混合動(dòng)力激活檢查模式如圖29所示。

圖29 豐田普銳斯混合動(dòng)力汽車激活檢查模式示意圖

③故障現(xiàn)象與冷車或熱車沒有關(guān)系。故障現(xiàn)象不會(huì)改變。

④電源開關(guān)回到IG OFF，再次打開IG NO(READY ON狀態(tài))，激活檢查模式使發(fā)動(dòng)機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)警告燈點(diǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)的數(shù)據(jù)流確認(rèn)，空燃比稀，暖機(jī)狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)怠速與正常車輛相比，可以明顯發(fā)現(xiàn)空燃比稀薄，故障車數(shù)據(jù)流與正常車數(shù)據(jù)流如圖30、31所示。

故障車數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流

圖31 正常車混合汽數(shù)據(jù)流

②用智能診斷儀執(zhí)行主動(dòng)測試(InjVol)，增加燃料噴射量后，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)好轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述主動(dòng)測試的結(jié)果，可以確定是由于空燃比稀薄引起的故障。可能是由于下列的原因造成的故障：從進(jìn)氣系統(tǒng)處(電子節(jié)氣門后方)存在空氣吸入；燃油壓力低下；噴油器堵塞；發(fā)動(dòng)機(jī)ECU異常。

③進(jìn)氣系統(tǒng)的吸氣檢查：確認(rèn)在節(jié)氣門體與進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)漏氣示意圖