車輛起動過程發(fā)動機空燃比曲線控制優(yōu)化

段震中 鄒雄輝 吳志武 李 凱 涂小斐

（1-上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心 上海 200438 2-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

引言

所謂起動是指從駕駛員擰動點火鑰匙開始，一直持續(xù)到發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升至起動結(jié)束的轉(zhuǎn)速，并能維持自身運轉(zhuǎn)的過程。如果車輛在環(huán)境中放置時間在8 h 以上，即認為車輛已完全冷機，此時的起動過程可以認為是冷起動[1]。冷起動過程產(chǎn)生的HC 和CO 排放對點燃式發(fā)動機整車排放貢獻量極為突出。此時，氧傳感器表面的液態(tài)水未蒸發(fā)完全而不能進入閉環(huán)控制，排氣溫度也未達到三元催化器的起燃溫度，最終的結(jié)果是把產(chǎn)生的大量HC 排進大氣，導(dǎo)致污染。所以，整車的排放控制很大程度上依賴于控制冷起動空燃比[2]。

本文針對某型號發(fā)動機起動階段的空燃比曲線出現(xiàn)類似“W”形狀的問題進行了研究，提出了一種通過控制燃油衰減因子來優(yōu)化空燃比表現(xiàn)的方法，然后通過大量的標定和測試驗證，使發(fā)動機空燃比曲線形狀優(yōu)化。

1 起動控制原理

起動控制一般有起動噴油控制、起動進氣控制和起動點火控制3 種控制手段。

起動噴油控制的基本原理如下[1]：對于放置時間在8 h 以上的車輛（低溫情況下更加顯著），發(fā)動機燃燒室壁面上的油膜已完全揮發(fā)，且此時溫度較低，大部分噴射的燃油會與燃燒室壁面直接接觸形成油膜，大大降低了可燃混合氣的形成。為了保證足量的可燃混合氣，需要增大噴油量。但過多的燃油會產(chǎn)生積炭。積炭在冷機時吸附汽油分子，使空燃比偏大；發(fā)動機熱機后，釋放之前吸附的汽油分子，導(dǎo)致空燃比偏小[3]。值得一說的是，汽油的揮發(fā)性與溫度有很大關(guān)系，其揮發(fā)性能的好壞直接影響空燃比[4]。起動完成后，隨著發(fā)動機著火燃燒的進行，發(fā)動機內(nèi)部的溫度逐漸升高，此時油膜的影響越來越小。所以，在起動后及暖機過程，需要對噴油量進行衰減，既要滿足發(fā)動機運行需求，又不會使混合氣偏濃。圖1 為起動、起動后以及暖機過程中噴油量的變化規(guī)律。

圖1 起動、起動后及暖機階段噴油量的變化規(guī)律

起動進氣控制的基本原理如下[1]：起動時，發(fā)動機需要克服內(nèi)部的摩擦阻力，此部分阻力由機油粘度導(dǎo)致且低溫下較為顯著。摩擦阻力在起動完成后的發(fā)動機運行過程中，隨機油溫度的升高而逐漸減小。為保證起動可靠，發(fā)動機在冷起動時通常略微增加進氣量，同時適當增加噴油量，保證起動成功。

起動點火控制的基本原理如下[1]：在發(fā)動機最初點火時，點火提前角要適當減小，防止活塞到達上止點前燃燒室內(nèi)壓力過大；轉(zhuǎn)速上升階段，點火提前角應(yīng)適當加大，便于控制轉(zhuǎn)速上升的斜率，使轉(zhuǎn)速上升曲線盡量平滑。起動時點火提前角無論如何設(shè)定，都要求最終輸出值能保證混合氣可靠著火。

研究表明，采用二次噴射策略可以改善直噴汽油機缸內(nèi)混合氣的分布,進而改善燃燒穩(wěn)定性,提高車輛起動性能且降低排放[5]。

理想的冷起動空燃比曲線形狀應(yīng)該是：隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升，空燃比快速下降至最低。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升到最高點后開始回落時，空燃比由最低狀態(tài)逐漸上升。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速回落到怠速轉(zhuǎn)速之后，空燃比曲線在1（理論空燃比）附近波動。

空燃比曲線的形狀隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化如圖2 所示。當空燃比處于1 附近時，三元催化轉(zhuǎn)換器對CO、NOx、HC 3 種污染物的轉(zhuǎn)換效率最高，可達90%左右。因此，需要精確控制空燃比曲線[6]。冷起動空燃比的控制實際上是起動噴油控制和起動進氣控制綜合作用的結(jié)果。

圖2 起動及起動后空燃比曲線示意圖

2 問題描述

某款動力總成配置為1.5 L 自然吸氣發(fā)動機搭載6 速手動變速箱，在檢查10 ℃冷起動時發(fā)現(xiàn)，空燃比曲線呈“W”形狀，如圖3 所示（圖中，紅色曲線為轉(zhuǎn)速，綠色曲線為空燃比）。空燃比下降到最低后，在向1 提升的過程中再次降低，出現(xiàn)第2 次下降到最低，曲線呈現(xiàn)類似“W”形狀。本文就空燃比曲線呈現(xiàn)“W”形狀的問題進行了分析，通過大量的標定測試和驗證，提出了優(yōu)化的新思路，最終使空燃比曲線形狀得到優(yōu)化，解決了問題。

圖3 起動空燃比曲線呈“W”形狀

3 問題分析及測試

眾所周知，在保持起動進氣控制不變的情況下，空燃比曲線的形狀取決于起動噴油的控制。起動噴油控制包括起動噴油系數(shù)f1和起動后噴油系數(shù)f2的控制。

起動噴油系數(shù)f1的計算公式為：

式中：FST 為起動加濃系數(shù)。

起動后噴油系數(shù)f2的計算公式為：

式中：FSM 為起動后加濃系數(shù)；nstr 為衰減系數(shù)。

對于本文中空燃比曲線出現(xiàn)類似“W”的形狀，解決措施是對起動后階段的噴油量進行快速衰減，使空燃比在第一次下降到最低后逐漸向1 提升的過程中不再下降。具體的方法是減小起動后階段加濃系數(shù)FSM 以及加大衰減系數(shù)nstr，即加大衰減因子（FZSM1，F(xiàn)ZSM2，F(xiàn)ZSM3）。根據(jù)這一思路，作者對各個標定參數(shù)組合調(diào)整，進行了大量的測試研究。

3.1 調(diào)整起動后階段衰減系數(shù)

冷起動時，將FZSM1 和FZSM2 同時加大40%和80%，見表1。

表1 針對起動后階段FZSM1 和FZSM2 的噴油調(diào)整 %

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單純加大衰減系數(shù)nstr，作用不明顯，空燃比曲線依然維持類似“W”的形狀。具體圖形如圖4 和5 所示。

圖4 FZSM1 和FZSM2 都加大40%

由圖4 和圖5 可知，發(fā)動機進入起動后階段，缸內(nèi)混合氣較濃，通過加大起動后的衰減系數(shù)FZSM1和FZSM2 的方式，沒能有效降低缸內(nèi)混合氣的濃度，故而對起動后發(fā)動機轉(zhuǎn)速的快速回落影響較小。

圖5 FZSM1 和FZSM2 都加大80%

3.2 綜合調(diào)整起動和起動后階段加濃系數(shù)和衰減系數(shù)

作者嘗試綜合調(diào)整起動加濃系數(shù)FST、起動后加濃系數(shù)FSM、起動后加濃衰減因子FZSM1 和FZSM2，試圖將空燃比曲線所顯現(xiàn)的“W”形狀優(yōu)化成理想的空燃比曲線形狀。調(diào)整的思路是：減小起動后加濃系數(shù)FSM 和加大2 段起動后加濃衰減因子FZSM1 和FZSM2。調(diào)整參數(shù)見表2。

表2 針對起動及起動后階段噴油調(diào)整 %

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直至發(fā)動機在暖機過程中出現(xiàn)抖動（空燃比也抖動），空燃比在起動后階段仍然呈現(xiàn)“W”的形狀，具體見圖6～圖8。

圖6 FSM 減小30%

圖6 為FSM 減小30%的工況，圖7 為FSM 減小30%、FZSM1 加大30%的工況。

圖7 FSM 減小30%、FZSM1 加大30%

與圖6 相比，圖7 中，由于起動后的加濃衰減因子FZSM1 增大了30%，混合氣的濃度略有降低，但混合氣仍然處于較濃的狀態(tài)，故而起動后的加濃系數(shù)FSM 仍需要減小。

圖8 為FSM 減小50%、FZSM1 和FZSM2 都加大30%的工況。

圖8 FSM 減小50%，F(xiàn)ZSM1 和FZSM2 都加大30%

與圖7 相比，圖8 中，起動后，缸內(nèi)混合氣的空燃比進一步向1 靠近，混合氣過濃的狀態(tài)改善有限，結(jié)果是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速下降緩慢，空燃比在起動后階段仍然呈現(xiàn)“W”的形狀。

通過增加起動加濃系數(shù)FST，導(dǎo)致發(fā)動機起動時轉(zhuǎn)速上升更高。配合大幅減小起動后加濃系數(shù)FSM，最終缸內(nèi)混合氣濃度降低。但最終結(jié)果仍然不理想，起動后的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降依然遲緩。如圖9所示。

圖9 FST 增加20%、FSM 減小70%

表3 匯總了作者對起動及起動后階段噴油量進行調(diào)整所做過的其它研究測試。

表3 針對起動后階段噴油調(diào)整的其它嘗試組合 %

增大FST，可以使空燃比下降到低于最低值；增大FSM、FZSM1 和FZSM2，可以使空燃比下降至最低后快速回升到理論空燃比。但空燃比曲線的整體形狀還是保持“W”形狀。因此，重點針對起動后階段噴油量進行調(diào)整的思路不能解決空燃比曲線呈“W”形狀的問題，必須轉(zhuǎn)換思路。

3.3 問題再分析及解決

通過橫向?qū)Ρ绕渌椖康陌l(fā)動機空燃比曲線發(fā)現(xiàn)，其他項目的空燃比曲線下降至最低是在轉(zhuǎn)速上升到最高轉(zhuǎn)速之后，而本文的空燃比曲線第1 次下降至最低發(fā)生在轉(zhuǎn)速上升到最高轉(zhuǎn)速以前。對于本文空燃比曲線呈現(xiàn)的“W”形狀，作者默認第1 次下降至最低是正常的，然后嘗試多種調(diào)整起動后階段噴油量的方案，希望空燃比曲線在上升的過程中不要再次下降，但實際空燃比曲線依舊會再次下降。轉(zhuǎn)換思路，如果認為空燃比曲線第2 次下降至最低是正常的（此時，空燃比下降至最低發(fā)生在轉(zhuǎn)速上升到最高轉(zhuǎn)速之后，與橫向?qū)Ρ鹊捻椖勘憩F(xiàn)一致），那么第1 次空燃比下降至最低則是由于起動階段油量太多，應(yīng)當減小起動階段加濃系數(shù)FST。按照這種思路進行調(diào)整后，問題得到了解決。

圖10 為調(diào)整好的起動曲線。

圖10 調(diào)整好的起動曲線（FST 減小10%）

從圖10 可以看出，按照對起動階段加濃系數(shù)FST 進行減小的思路，空燃比曲線呈現(xiàn)比較理想的形狀。

4 結(jié)論

1.5L 自然吸氣發(fā)動機搭載6 速手動變速箱，10 ℃的冷起動階段空燃比曲線出現(xiàn)類似“W”的形狀，原因是起動階段加濃系數(shù)FST 偏大，起動階段的噴油量過大，導(dǎo)致空燃比在正常下降至最低之前出現(xiàn)一次異常下降至最低。解決措施是減小起動階段加濃系數(shù)FST，使空燃比曲線呈現(xiàn)出比較理想的形狀。