碳罐脫附策略對混動車輛汽油機怠速燃燒影響研究

孫建軍，秦萬里，盧維偉，田德辛，許杰，方會詠，黃偉山，劉義強

碳罐脫附策略對混動車輛汽油機怠速燃燒影響研究

孫建軍，秦萬里，盧維偉，田德辛，許杰，方會詠，黃偉山，劉義強

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

文章為了研究碳罐脫附策略對發動機熱機怠速燃燒穩定性影響，在一臺PHEV混動車型發動機上進行了不同碳罐吸附量，不同脫附流量，不同脫附時間和不同進氣負荷條件下，發動機燃燒穩定性的對比試驗。試驗結果表明，碳罐吸附量的增加，將會導致發動機燃燒穩定性下降；碳罐脫附流量的增加，會導致燃燒穩定性下降；脫附時間增加，燃燒穩定性提升；進氣負荷增加，燃燒穩定性提升。

碳罐；脫附策略；怠速；燃燒穩定性；混合動力

引言

為應對全球排放法規日益加嚴，各汽車公司對內燃機的污染物排放重視程度越來越高，怠速工況作為乘用車汽油機最常用的工況，其排放也受到重點關注；另外，隨著客戶對車輛乘坐品質的追求，怠速工況的NVH表現也是目前各主機廠攻關的重點。隨著排放法規對車輛蒸發物限值的加嚴，碳罐作為控制乘用車蒸發物排放的有效手段[1]，目前已經成為乘用車的標配。一方面，碳罐通過吸附燃油箱中過多的燃油蒸汽，實現降低整車蒸發物的目的，另一方面，通過控制碳罐的沖洗策略，也稱為脫附策略（下同），實現碳罐中活性碳再生，確保碳罐持續的吸附能力。碳罐吸附-脫附工作原理如圖1所示。

碳罐脫附時，脫附流量中不僅包含新鮮空氣，還會包含燃油蒸汽，這部分燃油蒸汽最終會進入燃燒室被燃燒掉。但是不合理的碳罐脫附策略會對發動機的燃燒造成不利影響，甚至失火。脫附流量中的燃油蒸汽會對正常的空燃比控制產生影響，對于發動機的熱機怠速工況，尤其明顯。劉錫鑫，馬江濤等人通過研究碳罐連接嘴在進氣歧管不同布置位置，得出布置位置差異對發動機怠速燃燒有重要影響的結論[2]。曹暑林，謝悅孝等人通過研究失火與催化器放熱的關系，得出連續失火將會導致催化器排溫劇烈升高，最終導致催化器的燒蝕的后果[3]。

圖1 碳罐工作原理

插電混動作為控制排放和降低油耗的常用技術手段，已經廣泛應用到實際中。本文中，筆者通過設計試驗，研究不同的碳罐脫附策略對一臺插電混動汽油機熱機怠速燃燒穩定性的影響，并提出合理的優化建議，為混動車型碳罐開發和脫附策略開發提供依據。

1 試驗裝置

表1 PHEV車型主要技術參數

項目指標參數 發動機排量/L1.5 最大功率/kW@ rpm130@5 500 最大扭矩/Nm@ rpm255@1 500～4 000 缸徑x行程L82 x 93.2 壓縮比10.5 電池和電機電池/kW11.3 電機功率/kW60 電機扭矩/Nm160 純電續航/km60 碳罐控制閥控制頻率/Hz35 最大流量/（kg/h）6 碳罐體積/L2

本文中的試驗車輛搭載一臺1.5 L缸內直噴的增壓發動機和一臺60 kW的電動機，屬于PHEV車型。該車型主要的技術參數和性能指標如表1所示。另外，本次試驗用的PHEV車型所搭載的發動機均無空調負載和發電機負載。在熱機怠速工況，插電混動專用的汽油機相比傳統動力汽油機，其熱機怠速的負荷更低，需要的進氣量也更少，缸內混合氣組織難度更高，燃燒過程對于不同的碳罐的脫附策略，也更加敏感。

2 試驗設計與試驗方法

通過對比不同脫附策略對發動機失火情況，轉速波動，空燃比波動，研究脫附策略與燃燒穩定性的關系。本次試驗，通過修改碳罐電磁閥的占空比信號實現不同脫附流量的控制；通過加注不同油量的方法，實現碳罐不同的吸附量；通過更改充電負荷的方法實現發動機穩態不同負荷的改變。對于燃燒穩定性的評估，主要采用失火頻次，轉速波動幅度，動態空燃比變化等指標。主要試驗項目和試驗方法如下：

（1）熱機怠速，非充電工況，通過改變碳罐控制閥的占空比信號，實現不同脫附流量的控制，研究不同脫附流量與燃燒穩定性的關系。試驗前車輛應加油，通過燃油攪動增加燃油蒸發量，確保碳罐充分吸附燃油蒸汽。

（2）熱機怠速，非充電工況，相同脫附流量，研究不同碳罐吸附量[4]對燃燒穩定性的影響。試驗車輛正常行駛至低油量，同時手動控制碳罐電磁閥長時間開啟，使碳罐保持脫附狀態，持續沖洗碳罐中吸附的燃油蒸汽，確保碳罐處于最低吸附量，進行測試；然后將車輛加滿油，手動控制碳罐電磁閥處于關閉狀態，禁止碳罐脫附，確保碳罐處于最大吸附量狀態，然后進行測試。

（3）熱機怠速，非充電工況，維持恒定脫附流量，研究脫附時間對燃燒穩定性的影響。參考上述操作步驟，使車輛初始狀態保持較高的碳罐吸附量，手動控制碳罐電磁閥開啟，長時間監控并記錄發動機燃燒穩定性相關指標數據。

（4）熱機怠速，不同負荷工況，研究相同脫附流量，不同進氣負荷對燃燒穩定性的影響。確保碳罐處于較高的燃油蒸汽吸附量狀態，通過手動控制發動機的充電扭矩，實現改變發動機怠速負荷的目的。

3 試驗數據分析

全部測試采用ETAS公司生產的ES592進行數據通訊，記錄ECU內部的運行數據，并根據此記錄進行燃燒穩定性評估。

3.1 不同脫附流量對燃燒的影響

如圖2所示，當碳罐控制閥的占空比按照0/7%/36%階梯變化時，發動機失火頻率成正比例變化，尤其在占空比36%時，失火頻率急劇增多。同時，發動機空燃比信號出現短暫的偏稀過程，并且伴隨空燃比信號波動幅度增加，發動機轉速波動幅度也輕微變大。

整個過程，發動機的進氣量幾乎不變，但是發動機的噴油量，明顯減少。說明碳罐脫附流量中含有大量燃油蒸汽，迫使噴油器噴減少噴油量，以確保混合氣始終維持在理論空燃比附近。通過本試驗，證明相同工況下，發動機燃燒穩定性隨著脫附流量增加而降低。

圖2 脫附流量與燃燒穩定性關系

3.2 碳罐吸附量差異對發動機燃燒的影響

相同脫附流量下，不同碳罐吸附量對發動機燃燒影響如圖3所示。當碳罐控制閥的占空比按照0/7%/36%階梯變化時，最低碳罐吸附量情況下，發動機沒有失火計數發生，空燃比信號穩定，沒有明顯波動，發動機轉速穩定，噴油量變化不大；最大吸附量情況下，發動機失火計數迅速增加，空燃比信號大幅度波動，且在進氣量不變前提下，噴油量明顯減少。證明相同脫附流量下，發動機燃燒穩定性隨著碳罐吸附量的增加而降低。

圖3 碳罐吸附量差異對燃燒穩定性的影響

3.3 連續脫附時間對發動機燃燒穩定性影響

保持發動機工況不變，相同脫附流量下，隨著脫附時間的增加，發動機熱機怠速工況的失火計數次數程下降趨勢，空燃比信號波動幅度減小，如圖4所示，同時，發動機的噴油量程逐漸上升的趨勢。證明相同脫附流量下，脫附流量中的燃油蒸汽比例逐漸減少，外部燃油對噴油器的影響降低，發動機燃燒穩定性隨脫附時間增加而提高。

圖4 連續脫附時間對燃燒穩定性的影響

3.4 發動機工況差異對燃燒影響

在相同碳罐吸附量條件下，測試發動機非充電工況與充電工況（充電扭矩20 Nm）下，碳罐脫附過程對發動機燃燒穩定性的影響。測試結果如圖5所示，充電工況下，碳罐脫附流量大于非充電工況，但是瞬時失火計數遠低于非充電工況。發動機噴油量，充電工況下約是非充電工況的兩倍，證明相同碳罐吸附量條件下，發動機進氣負荷越大，燃燒穩定性越好，發動機燃燒穩定性隨發動機進氣負荷增加而提高。

圖5 發動機工況差異對燃燒穩定性的影響

4 總結和建議

通過上述給出的燃燒穩定性對比結果，得出燃燒穩定性不僅與碳罐的吸附量有關，還與碳罐的脫附策略和發動機的運行工況相關。在上述對比數據中，還揭示了新的的規律，即非充電工況怠速燃燒穩定性增加時，同時伴隨噴油量增加；燃燒穩定性惡化時，同時伴隨噴油量減少。在充電工況，發動機負荷增加，噴油量大幅度增加，燃燒穩定性提升明顯。

由此可以推斷碳罐脫附時，脫附流量中包含的燃油蒸汽，會導致噴油器噴油量的減少，造成噴油器容易進入流量非線性區，最終噴油器實際噴油量與需求值不符，造成缸內混合氣空燃比波動，燃燒穩定性下降，這個推斷需要進一步進行驗證；另外，脫附流量是否均勻分配到所有氣缸中，也是影響燃燒穩定性的可能原因，需要進一步研究。

為了提升熱機非充電怠速工況發動機燃燒穩定性，建議增加發動機儲備扭矩，通過增加怠速進氣量來稀釋脫附流量，降低脫附流量對燃燒穩定性的負面作用。還有，通過智能識別加油事件，合理優化碳罐脫附策略，優化怠速脫附流量也是改善燃燒穩定性的有效手段。

[1] 林志昌,邵亞賓.脫附流量對炭罐蒸發排放性能的影[J].2020中國汽車工程學會年會論文,2107-2110.

[2] 劉錫鑫,馬江濤,蔡昊.碳罐接管嘴布置位置對發動機燃燒的影響[J].機械研究與應用,2016,29(6):188-190.

[3] 曹暑林,謝悅孝.基于催化器放熱效應的失火故障閥值匹配方法研究[J].上海汽車,2020(02):10-14.

[4] 周祥云,張磊,黃敬鋒,等.基于國六法規的碳罐脫附流量對蒸發排放性能的影響[J].汽車實用技術,2020(02):78-80.

Investigation of the Canister Desorption and Engien Combustion on a PHEV Vehicle

SUN Jianjun, QIN Wanli, LU Weiwei, TIAN Dexin, XU Jie, FANG Huiyong, HUANG Weishan, LIU Yiqiang

（Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336）

In order to study the influence of the carbon canister control strategy on the combustion stability of the engine's idle condition, the author conducted different canister adsorption capacity, different desorption flow, different desorption time and different load conditions on a PHEV hybrid engine. The analysis of the test results shows that the increase of the adsorption capacity of the carbon canister will lead to the decrease of the combustion stability; the increase of the desorption flow will lead to the decrease of the combustion stability; the increase of the desorption time will increase the combustion stability; the increase of the engine load will get a significant improvement.

Canister; Desorption; Low idle; Combustion stability; Hybrid

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.038

TK 421

A

1671-7988(2021)21-145-04

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1671-7988(2021)21-145-04

孫建軍（1987—），男，中級工程師，工程碩士，就職于寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，主要從事內燃機性能和排放開發。