串聯混動天然氣發動機失火問題分析及改進

李力

摘要：文章對某型插電式氣電串聯混合動力公交車在實際使用過程中發生的發動機失火（misfire）問題進行調查和分析，并通過系統設計優化和發動機控制軟件策略優化以解決問題。

關鍵詞：串聯;混合動力;天然氣;發動機;失火

1 ?背景

近年來，新能源汽車技術得到了長足發展。在公共交通領域，新能源公交車尤其是純電車公交車已基本取代傳統動力車型。但是，在局部地區由于充電場站及充電裝置設置、電網電力供應等問題，插電式混合動力公交車（PHEV-Plugin Hybrid Electrical Vehicle）成為純電動等新能源車型的有益補充。某市公交系統在部分線路采用插電式氣電串聯混合動力系統方案，小型化（downsizing）的天然氣發動機工作在能耗經濟區，通過響應系統的扭矩請求來進行啟停（start-stop）管理。電池、電機和發動機相互配合，從而使系統具有耗能省、噪聲低、響應快、環境適應性好等特點。

但是，在實際使用過程中，車輛上線早期頻繁出現發動機失火（misfire）現象，從而導致發動機高溫以及排氣高溫甚至周邊零部件燒熔、起火、抖動、動力不足等嚴重問題。

2 ?氣電串聯混動系統基本工作原理及工作模式

2.1 公交客車實際使用工況特點及串聯混動優勢

公共交通客車在車輛實際使用過程中具有啟停頻繁、平均車速低且發動機轉速變化較大、長時間運行等特點，采用天然氣串聯式混合動力系統可以有以下優點：①發動機小型化。以12米公交客車為例，發動機排量可以由9升降至3升;②能耗低?？梢圆捎猛饨硬咫娍谶M行充電，車輛在相當長時間內以純電驅動模式運行且發動機工作在經濟區間;③噪聲低。發動機排量較小，排氣噪聲及輻射噪聲相對較低，另外，天然氣發動機相較于柴油機燃燒噪聲也較低。

2.2 氣電串聯混合動力系統主要組成

如圖1所示，氣電串聯式混合動力系統由以下各基本單元組成：用以供氣的天然氣儲能裝置、當量燃燒天然氣發動機、與發動機串聯并且帶啟停功能的發電機、充電器、動力電池組、整流器以及驅動車輛的牽引電機等。同時，還包括如制動能量回收、DC-DC轉換器等輔助裝置。

2.3 氣電串聯系統工作模式

系統工作時，根據電池組SOC（state of charge）狀態以及車輛輔助系統功率需求進行動態加權確定發電機的發電量，從而確定發動機的實時輸出功率的功率跟隨模式。發動機根據需求，選取合適的轉速和輸出扭矩以工作在最佳工況下。根據車輪端動力來源，可以將其工作模式分為以下幾個類型：

①純電驅動模式。在純電驅動模式下，牽引電機的能量全部來自于動力電池，發動機處于停機狀態。

②純天然氣驅動模式。在純天然氣驅動模式下，牽引電機的能量全部來自于天然氣發動機發電。

③混合動力模式。在該模式下，牽引電機能量來源以發動機發電為主，同時輔以電池組及剎車能量回收裝置等的能量。

在工程實踐中，通常根據公交車輛的實際使用路況、動力電池組的性能、發動機的經濟區間等對上述三種模式進行組合使用。

3 ?失火問題故障現象描述

某插電式混合動力公交車，采用天然氣發動機與電機串聯的工作方式。3.0升四缸天然氣發動機為四沖程內燃機，配有燃氣導軌，每個氣缸均有獨立的噴嘴進行燃料噴射并獨立點火。

車隊車輛上線運行后，陸續接到發動機抖動、排氣溫度高、排氣系統零部件熱損壞、動力不足等問題反饋。經現場多次調查發現，這些現象都與天然氣發動機失火導致的缸內燃燒不充分有關。故障發生所帶來的后果表現很容易被司乘人員主觀察覺并不同程度地影響駕乘感受。同時，排氣系統異常高溫也會帶來潛在的安全隱患。

3.1 排氣異常高溫

發動機發生失火問題時，缸內混合氣未能完全燃燒，隨著排氣進入排氣系統（包括排氣歧管、增壓器、下排氣管、三元催化器等）二次燃燒。此時，排氣溫度一般會遠遠超過天然氣發動機正常最高排溫750℃，進而對機艙零件形成熱害、嚴重時甚至可能引起火災。三元催化器中心溫度甚至可達千度以上從而燒熔金屬載體，如圖2所示。

3.2 發動機抖動甚至停機

發動機在發生失火問題時，一個或多個氣缸工作不正常，導致動力輸出不平衡，從而引起發動機異常振動并通過車身部件傳導至車身、駕駛艙和乘客艙。常規公交客車一般為發動機后置布置形式，抖動現象在早期表現不明顯時比較難以發現，但隨著時間的推移失火率上升，振動會越來越劇烈。

3.3 動力不足

失火問題導致發動機有效功率輸出不足，電機的扭矩請求不能得到滿足，嚴重時車輛因動力不足而導致無法正常行駛，影響車輛正常出勤。

4 ?故障原因分析

采用魚骨圖分析法（ISHIKAWA）分析和排除發動機產生失火問題的根本原因，如圖3所示。

從發動機軟件標定、燃氣噴射系統、點火系統以及發動機機械部分等四個方面共計27個小項進行全面排查。逐項開展現場檢查、交叉試驗、換件試驗、技術文檔排查及相關驗證等工作。最終識別出造成發動機失火的原因主要集中在點火系統：

4.1 點火電壓不足

由于發動機并未配置常規的交流發電機，發動機各用電系統的供電由整車提供。而整車系統名義電壓為24V，發動機系統名義電壓為12V。因此，發動機供電需通過DC-DC轉換器獲得。從故障車輛采集數據來看，當線圈充電時從DC-DC轉換器到線圈供電轉換接頭（發動機與整車線路連接器）的電壓降至11V，壓降達1.3V;非充電狀態下的名義電壓為12.3V，而相應的常規參考值分別為0.34V和14.5V，如表1所示。

同時，現場調查發現，從DC-DC轉換器到線圈供電轉接頭的線束長度長達6米，從供電轉接頭到線圈的長度為1米。冗長的線路造成了實際到線圈的阻值大電壓低，當線圈充電的大電流又下造成較大的壓降，進一步降低了到達點火線圈的有效電壓。

另外，在對現場車輛進行實地檢查時發現，從整車線束到發動機線束的供電轉接頭鎖止銷未能正確安裝，可能導致在車輛實際運行過程中的線路接觸不良，進一步加劇了供電的不穩定性。

4.2 點火線圈污染

由于線圈制造過程及設計安裝結構（如圖4所示）原因，點火線圈及火花塞存在被液體污染的可能性：一是在制造過程中，為了安裝方便，點火線圈局部進行了涂脂處理，安裝完成后油脂就留在了線圈本體上;二是在氣門室罩蓋和線圈之間的密封圈，可能存在滲水現象。經調查發現，整車下線時的淋雨試驗和車隊日常的車輛清洗都會對機艙蓋進行噴淋，雨水會進入機艙內部并殘存在氣門室罩蓋上，可能會導致該部位滲水。三是在氣門室罩蓋和缸蓋間的密封墊片漏油。

在對故障車輛檢查過程中，發現線圈存在一定程度的油污污染現象。而該種污染在發動機內部長期高溫工作環境下，導致了點火線圈硅膠保護套開裂，如圖5所示，點火能量與周圍金屬零部件間“短路”從而造成高能點火能量泄露的“閃火”（flashover）現象，進而導致點火能量不足從而造成混合氣不能充分燃燒。

4.3 點火線圈高溫

點火線圈正常工作溫度區間為-40～+140℃，即便是在最惡劣的情況下，最高150℃下的工作時間也不能超過一個小時，否則會引起點火線圈的損壞進而引發點火性能問題。通過在點火線圈本體上布置熱電偶在車輛實際工作過程中采集溫度數據發現，在環境溫度較高時，點火線圈溫度在充電完成后、發動機停機瞬間點火線圈溫度急劇升高，影響點火性能。

5 ?解決方法

根據上述分析結果逐一制定相應的解決方案。

5.1 提高點火線圈輸入電壓及供電穩定性

主要從以下幾個方面：①將DC-DC轉換器的額定輸出電壓從12.5V提高到14.5V，以補償電壓在供電線路上的壓降;②調整和優化線路布置走向，縮短DC-DC轉換器到點火線圈的線束總長度從6.5米到3.5米從而減小線束本身的電阻;③更換供電轉接頭插件，并保證鎖止銷正確安裝以確保供電穩定性，防止因車輛在行駛過程中的顛簸造成的線路虛接。

5.2 點火線圈污染防治

根據污染物來源，從4個方面進行改善優化。①更換點火線圈及火花塞并同時對安裝孔進行徹底清理，以徹底處理制造工藝過程中已經帶來的污染;②改善制造工藝。在點火線圈安裝孔口增加倒角工藝以便于安裝，從而取消制造過程中的涂脂操作，以避免在后續生產過程中油脂在系統內部的殘留;③在不影響車輛淋雨試驗的效果的前提下調整淋雨線噴頭位置和角度，盡量減少進入發動機機艙的水量;同時和車輛使用及維護保養單位溝通，避免在車輛清洗時直接沖洗發動機;④在發動機頂部增加隔音防雨裝飾罩，進一步減少雨水等對發動機點火系統的侵入，如圖6所示。

5.3 點火線圈溫度改善

在氣電串聯混合動力系統中，根據電池SOC狀態（59～67%），發動機啟動停機受混合動力電機控制器控制。

當發動機收到停機指令時，如果發動機冷卻液溫度低于25℃，發動機不停機，保持怠速熱機以便在收到發電指令時能夠快速進入高負荷充電工作狀態。

當充電完成后，即SOC達到67%時，發動機收到停機指令停機。在該工況下，沒有充分考慮到發動機在高負荷發電后發動機水溫較高，發動機停機后水泵停止運轉，發動機水溫瞬間升高從而引起線圈溫度升高，如圖7所示。

為解決該問題，有兩種方案可以選擇。一是采用電子水泵，發動機停機后電子水泵由電池供電繼續保持工作，以維持冷卻液流通、散熱。二是接到停機指令后，發動機不是立即停機而是進入怠速狀態，水泵由曲軸皮帶輪驅動而仍保持工作。兩種方案在實施過程中根據具體情況各有優劣。

經過技術及經濟分析論證后，本例選擇方案二。在保持發動機零部件不變的情況下，對發動機控制邏輯進行局部優化并對ECU軟件進行升級，以較小的代價獲得相同的效果。

具體方案如下：

當發動機出水溫度低于設定閾值92℃時，在收到停機指令后，發動機直接進入停機狀態。

當發動機出水溫度高于設定閾值92℃時，收到停機指令后，發動機不直接停機而是進入怠速運行，以保持水泵運轉。如圖8所示。

同時，為防止發動機頻繁啟停，設定了閾值溫度緩沖區間，在該工況下，怠速運行直到水溫低于89℃時發動機才進入停機狀態。

6 ?結語

天然氣發動機串聯混合動力系統中，產生失火問題的原因既有天然氣發動機本身結構設計和制造工藝方面的常規問題，也有來自于混動系統所特有的發動機-車輛應用匹配設計和混合動力系統特殊工況所帶來的新問題。在實踐過程中，需要擴展思路，多方面分析并尋求解決方案。

上述措施實施后，發動機失火問題得到解決，發動機及混合動力系統工作正常，車輛運行平穩。

參考文獻：

[1]（德）康拉德·萊夫（Konrad Reif）. BOSCH傳統動力傳動系統和混合動力驅動系統[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

[2]王建昕，帥石金.汽車發動機原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3]鄭太雄，張瑜，李永福.汽車發動機失火故障診斷方法研究總述[J].自動化學報，2017，43（4）：509-527.

[4]張華，賈連超.淺談發動機的失火故障[J].汽車實用技術， 2017（16）：218-220.