天然氣發動機匹配混合動力系統催化器燒蝕問題研究

李亮 唐志剛 王佳興 李哲 孫豐山

摘要：針對天然氣發動機匹配混合動力系統催化器燒蝕問題，通過分析同步采集的發動機數據和混合動力系統數據，確定混合動力系統匹配不當，引起不合理燃氣噴射，是導致催化器燒蝕的主要原因。優化發動機轉速信號采集及混合動力系統起動、停機控制策略，改進混合動力系統與發動機之間的匹配，能夠有效解決催化器燒蝕問題。

Abstract： In view of the melting problem of the catalyst carrier of the natural gas engine matching hybrid power system， the synchronously collected engine data and hybrid power system data are analyzed to identify the cause. It was found that improper hybrid system matching caused unreasonable gas injection. By optimizing the acquisition of engine speed signals and the start and stop control strategies of the hybrid power system， it improves the matching problem of the hybrid power system and the engine. The results show that it can effectively solve the melting problem of catalyst carrier.

關鍵詞：天然氣發動機;混合動力系統;催化器燒蝕

Key words： natural gas engine;hybrid power system;catalyst carrier melting

中圖分類號：U464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0044-04

0? 引言

隨著國家對環保要求的提升，混合動力公交車兼有電動車的環保和傳統燃油車的續航能力，在整個公交車市場上扮演著重要的角色[1]。混合動力系統結構的復雜性、種類和策略的多樣性，增加了發動機與其匹配的難度，應用過程中產生了很多新問題。如發動機轉速信號受混動高壓電系統干擾，車輛異常熄火;混動起停頻繁增壓器故障率高;催化器燒蝕等問題。這些問題若得不到及時解決，直接影響發動機壽命和行車安全。本文針對天然氣發動機匹配混合動力系統催化器燒蝕的問題，分析了催化器燒蝕的可能原因，并提出了相應的改進方案。

1? 燒蝕原因

市場調研發現出現催化器燒蝕問題的車輛幾乎全部為天然氣發動機匹配混合動力車輛。其中匹配綠控系統混合動力車輛，催化器燒蝕問題尤為嚴重。問題出現時，催化器外表面發紅，內部燒蝕，甚至排氣管冒火，直接影響行車安全。催化器燒蝕多由缸內未燃燒的油氣吸附在催化器上，引發劇烈燃燒所致[2]。為分析未燃燒的油氣產生原因，本文對比了同一批次正常以及存在催化器燒蝕問題車輛的路譜數據和單獨混動系統不同的車輛的路譜數據，發現未燃燒的油氣主要由如下原因引起：發動機轉速信號受到電磁干擾，導致異常噴射;混動系統ISG電機倒拖發動機起動異常;混動系統發送停機報文不合理;混動系統控制發動機停機方式不合理。

1.1 電磁干擾

混動車輛的發動機與高壓電池倉距離近，純電動運行模式下，發動機磁電式轉速傳感器信號受到高壓系統放電產生的電磁干擾影響，進氣歧管壓力數據顯示發動機并未起動，ECU接收到異常的轉速信號，引起節氣門打開，噴射閥噴氣，由于發動機實際并未運轉，燃氣無法進入缸內燃燒，發動機再次正常起動時，燃氣直接進入催化器內部，如圖1所示。

1.2 倒拖起動異常

1.2.1 起動異常現象

離合器完全脫開，電機拖動發動機起動時，發動機計算扭矩百分比已達到最大扭矩的60～70%，但發動機轉速卻在200～400r/min之間波動，無法完成起動，存在未燃燃氣直接進入催化器，如圖2所示。

1.2.2 倒拖轉速偏低

同一批次綠控和伊頓混動系統，綠控系統存在起動異常的現象。對比倒拖起動正常的數據發現，不同混動系統倒拖扭矩都可達700N·m、起動轉速都在500r/min以上，如圖3和圖4所示，而綠控混動系統倒拖起動異常時，電機最大倒拖扭矩低于400N·m，起動轉速不足350r/min，如圖5所示。倒拖扭矩的大小直接影響倒拖轉速，而拖動轉速的大小是影響發動機能否正常起動的關鍵因素。

進一步分析兩種不同混動系統對起動轉速的控制策略，發現綠控最低起動轉速要求為350r/min，而伊頓混動系統要求起動轉速在500r/min以上。起動轉速在350r/min附近，起動不穩定，部分工況有失火風險，進而引發催化器燒蝕。

1.3 停機報文發送不合理

在混動系統中，發動機在滿足停機條件時，混合動力系統控制器會向發動機發送停機報文，正常情況下停機報文的發送都是持續到發動機停機后再停止發送，如伊頓混動系統發送停機報文至發動機轉為0r/min，如圖6所示。實際跟車時發現，綠控混動系統在發動機轉速在50～300r/min范圍內，均存在停止發送停機報文的現象。圖7、圖8顯示，在停機報文停止發送后，發動機重新開始噴氣，圖7中由于停機報文停止發送時發動機轉速偏高，在轉速降至130r/min左右時，發動機再次起動，而圖8中由于發動機轉速偏低，慣性力小，發動機未能起動。

顯然，過早停止發送停機報文，發動機有低速燃燒不充分的風險，進而引發催化器燒蝕。

1.4 停機方式不合理

混動系統通過發送停機報文指令使發動機停機，伊頓混動系統整個停機過程發動機正常供電，而綠控混動系統在停機的同時斷點火鑰匙電。

天然氣發動機停機狀態下，是否斷鑰匙電直接影響氧傳感器的加熱控制方式。斷點火鑰匙停機后，氧傳感器會退出加熱，下一次起動發動機需重新進行加熱，加熱完成前發動機一直處于空燃比開環控制，如圖9所示。通過停機報文方式停機，鑰匙電并未斷開，氧傳感器持續保持加熱，發動機再次起動會很快進入閉環控制，空燃比控制精確，扭矩響應精準。

混合動力公交車起停頻繁，采用綠控混動系統，發動機在整個過程中基本都處于開環控制，因此燃氣噴射量控制精度差，扭矩響應不準確，存在燃燒不充分的風險。

2? 燒蝕解決方案

2.1 提高抗電磁干擾能力

①增加轉速濾波，通過轉速和進氣壓力界定濾波工況范圍，對轉速上升斜率過大的干擾信號進行濾波處理;

②將無源磁電式轉速傳感器更換為有源霍爾式轉速傳感器，增加信號抗干擾能力，提高轉速信號輸出準確性。

2.2 優化倒拖邏輯

①提升ISG電機倒拖起動最低轉速至500r/min，如圖10所示，確保發動機正常起動，解決偶發性起動異常的問題。

②增加ISG電機連續倒拖3次失敗，停止倒拖的保護邏輯，并報相應起動故障，有效的保護發動機，確保行車安全。

2.3 優化停機報文發送

考慮到天然氣發動機50r/min以上才開始判缸點火，混動系統發送停機報文至發動機轉速50r/min以下停止發送，解決因停機報文停止發送時間點不合理造成的后燃風險，更改后效果如圖11所示。

2.4 優化停機控制方式

優化發動機停機控制方式，確保混合動力系統發送停機報文時點火鑰匙不下電。采用新的停機控制策略，停機10min中內氧傳感器持續加熱，在此期間再次起動發動機，發動機將快速進入燃氣閉環控制，空燃比控制精確，扭矩響應精準，滿足城市公交頻繁起動使用要求，同時避免燃氣噴射不準導致的異常燃燒問題，從而保護催化器不被燒蝕。更改后閉環響應時間，如圖12所示。

3? 結論

本文就天然氣發動機匹配混合動力催化器燒蝕問題進行研究，結合整車發動機轉速、發動機扭矩、電機轉速、電機扭矩、噴射脈寬、進氣歧管壓力、節氣門開度等參數對混動系統實際工作情況進行了深入分析，明確了催化器燒蝕與轉速信號電磁干擾、電機倒拖起動轉速不足、過早停止停機報文發送以及發動機停機控制方式不合理等因素有關。

針對上述問題，通過優化發動機轉速信號采集方式以及混合動力系統起動、停機控制策略進行解決，經過市場廣泛驗證，本文提出的方案能較好地解決市場上混合動力系統匹配不當所引起的催化器燒蝕問題。

參考文獻：

[1]趙航.混合動力電動汽車技術[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]王建昕.汽車排氣污染治理及催化轉化器[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]夏廣文，張云龍，鄔志國，等.汽車發動機三元催化轉化器的過熱保護[J].內燃機工程，2002（5）：31-33.