启停发动机电控系统的开发与实验研究

郑 丽，毛雅风，刘艳蕾，李 娜

(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070)

在全球化石油燃料日渐枯竭以及世界环境问题逐渐严峻的大背景下，迫切需要开发出既满足现实使用用途又能减少怠速工况的新技术，怠速启停系统作为一种新型而又简约的节能技术受到了国内外广泛的重视。在20世纪80年代，日本五十铃汽车就开始开发怠速启停技术，随后丰田汽车最先在Vitz轿车上应用了智能怠速启停系统［1］，1999年12月，三菱公司在排量为1 L的庇斯达奇奥轿车上搭载了怠速启停系统，并与缸内直喷式汽油机进行了匹配［2］。近年来，宝马公司开发了一套发动机Start－Stop系统智能控制管理软件［3］并广泛用于宝马1系、3系和5系的4缸和6缸发动机上［4］。在第39届东京车展上，马自达汽车公司展示了一种智能的直接启停系统［5－6］。我国的汽车工业起步较晚，之前对汽车燃油经济性以及排放性能没有引起足够的重视，对怠速停止起动系统的相关研究相对还比较少。现阶段吉利汽车、江淮汽车、长安汽车等都加大了节能型汽车研发的力度。

笔者采用直接开发发动机电控管理系统的方法，在传统汽车的基础上通过增加相应硬件输入，开发启停逻辑，完成启停逻辑功能在整车上的实现，并对启停式发动机在启动后的气量控制、空燃比控制，以及氧传感器控制进行分析，对相应控制进行重新标定，将排放和油耗控制在最佳水平。对整车在EUDC循环工况下进行实验验证［7－8］，得出匹配启停功能的车辆燃油经济性和排放水平。

1 开发方案

1.1 整车参数

笔者利用INCA标定开发软件［9］为某整车厂开发启停发动机电控管理系统，该车型的主要参数如表1所示。

表1 试验车的整车参数

1.2 启停系统的管理逻辑

启停系统主要由启停式发动机控制单元、增强型起动电机、智能发电机、AGM电池、电池传感器EBS、DC/DC(可选)、起停主开关和人机界面、离合器踏板开关、空挡开关和制动真空度等传感器组成。图1为启停功能控制系统原理图。在该实验的车型中，采用锁止式启停主开关，因此需要在标定中将启停开关的类型设为锁止式。

图1 启停功能控制系统原理图

2 启停式发动机电控系统主要功能分析

2.1 发动机电控系统燃油控制

发动机电控系统燃油控制主要是通过对空燃比、进气量、点火角的控制来实现的，图2为发动机启动时进气流量控制图。笔者主要关注启停时发动机在启动时的点火角控制。图3为发动机电控系统点火角的控制图。

图2 发动机电控系统进气流量控制图

图3 发动机电控系统点火角的控制

2.2 燃油经济性计算

试验车辆由普通车辆加装启停系统改造而成。NEDC工况启停系统的燃油经济性计算模型中的停机时间计算式为:

式中:T1为车速等于0 km时的时间;T2为由于发动机冷却液温度过低而禁止的自动停机时间;T3为车速从自动停机触发限值至停稳的时间，根据发动机ECU的停机触发策略，同时因为NEDC规定离合器踏板操作已于车速降至限值前完成，车速的限值即作自动停机的触发条件;T4为驾驶员从踩离合器踏板至车辆起动的时间，此时车速不为0的短时间片段，又根据ECU起动的触发策略，NEDC规定车辆起动前，离合器踏板的操作会触动发动机自动起动;Nstop为自动停机的次数;Tidle为停机时间。燃油经济性的计算式为:

式中:nidle为平均怠速转速;Vinj为每次喷射时的平均进气量;λ为理论空燃比;ρfuel为燃油密度;ρair为空气密度;cinj为每次喷射燃油的消耗量;csec为每秒理论的燃油消耗量;η为考虑了怠速喷油加浓以及电池充电消耗因素等的折算系数;cfe为计算100 km的节油量;Dnedc为NEDC的理论行驶距离。

对式(1)中的参数 T1、Nstop进行调整可计算出ECE工况下的百公里燃油经济性的提高值，如表2所示。加入T2后作进一步地调整，便可得出在热机状态下的对比值，如表3所示。

表2 NEDC工况下启停系统的燃油经济性计算值

表3 ECE工况启停系统的燃油经济性

由表3可以看出，相比于NEDC的综合工况，在市区工况、启停更为频繁的ECE工况下，启停系统的节油能力进一步增强，在热机状态下已超过了10%。

3 实验验证

3.1 实验设备

实验选用HORIBA汽车排放分析仪，整个测试设备是由转毂、风机、控制程序、尾气采集及分析仪、数据采集存储及处理设备等组成。

3.2 实验方法

以国家标准NEDC循环为试验工况，在排放测试转毂上进行试验。NEDC循环由4个城市工况循环(ECE)和一个郊区工况循环(EUDC)组成，即新欧洲混合行车工况［10－11］，如图 4 所示。测试工况可参考GB18352.3－2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法。

图4 ECE－EUDC循环工况

将试验车在静置间(恒温)放置不低于8 h，待发动机水温在一定范围内时将其拖到转毂上进行固定。分别采集分析催化器的前后两端尾气，并分别在催化器前后端的排气管处安装氧传感器，用于采集尾气的氧浓度。同时为测量排气的温度，分别在催化器的前后两端排气管和催化器的本体上安装了K型热电偶。试验装置的布置如图5所示。

图5 实验装置布置图

尾气的采样精度设为1 s采一个点的采样频率(通常称为秒采数据)，数据的记录仪可提供循环工况NEDC下的车速、各个温度测点的瞬态值，以及催化器前后两端各排放物瞬态浓度和质量。同时用CAN总线工具CANalyzer测得总线信号，如车速、节气门位置、发动机转速、进气量和瞬时喷油量等，采样的频率设置成7.82 ms一个点。

为保证试验中各物理量的同步性，对各数据量的时间轴进行了标定，以期达到各物理量同步。标定同步性的方法是使CANalyzer记录的车速与排放实验室数据记录仪记录的车速在每一时刻均保持一致，建立两种数据记录的对应关系。

3.3 数据分析

3.3.1 怠速停机后启动时空燃比对油耗的影响

笔者主要侧重于拥有启停功能的智能汽车与无启停功能的传统汽车的对比，基准数据为启停功能关闭的数据，相当于传统车型。后4组数据为启停功能开启情况下测得的，如表4所示。

表4 不同空燃比对怠速停机启动的油耗数据g/(kW·h)

由表4可知，在基准空燃比增加0.5的基础上，启动时前7 s的节油率分别为:6.63%、8.96%、7.96%、13.90%、11.76%、7.12%、9.48%。当在水温为80℃启动时，基准空燃比增加1时前7 s的节油率为(相对于按照基准空燃比的启动):16.71%、9.12%、11.95%、18.45%、16.60%、14.29%、13.30%。同时也可以看出，对于同一空燃比，发动机在水温为80℃启动时的油耗明显小于水温为50℃时启动的油耗。由于启动的空燃比已做了重新标定，从而需要考虑重新标定后的空燃比对启动的性能是否造成了严重的影响。通过对启动时发动机转速数据的记录，并根据不同启动空燃比和温度下所测得的实际发动机转速与目标转速进行对比，再分析发动机启动的时间及平顺性，可得如图6所示的启动空燃比修改后对转速的影响曲线界面图。其中曲线1为发动机在初始空燃比，发动机水温在50℃时启动的转速曲线;曲线2为发动机在初始空燃比，发动机水温在80℃时启动的转速曲线;曲线3为发动机在空燃比增加0.5，发动机水温在50℃时启动的转速曲线;曲线4为发动机在空燃比增加0.5，发动机水温在80℃时启动的转速曲线;曲线5为发动机在空燃比增加1，发动机水温在50℃时启动的转速曲线;曲线6为发动机在空燃比增加1，发动机水温在80℃时启动的转速曲线。

图6 启动空燃比修改后对转速的影响曲线界面图

从图6可以看出，对于同一空燃比，不同发动机水温下启动以及对于同一水温，不同空燃比下启动时，启动时间变化不大，且最终稳定转速也相差不大，约在50 r/min左右。从而实现了在节油的情形下，保证了整车启动时的安全性、及时性和平稳性。

3.3.2 进气量对油耗的影响

关于进气量对油耗的影响，笔者也进行了4组实验，不同进气量对怠速停机启动的油耗数据如表5所示。

启动时进气量重新标定后的实验数据如图7

表5 不同进气量对怠速停机启动的油耗数据g/(kW·h)

所示。图7中曲线1为发动机在初始空燃比，发动机水温在50℃时启动的转速曲线;曲线2为发动机在初始空燃比，发动机水温在80℃时启动的转速曲线;曲线3为发动机在初始进气量降低20%后，发动机水温在50℃时启动的转速曲线;曲线4为发动机在初始进气量降低20%后，发动机水温在80℃时启动的转速曲线。从图7中可以看出，进气量降低20%后，无论发动机在水温50℃还是80℃启动时，转速的变化、启动时间，以及启动平顺性均与初始进气量启动时相差不大，从而在节省燃油的前提下，确保了发动机启动时的及时性、安全性和舒适性。

图7 启动时不同进气量对启动的影响曲线界面图

根据以上分析，怠速停机后启动时，适当降低对进气量的要求，不仅可以节省频繁启动时的燃油消耗，也保证了启动的安全性。

4 结论

笔者基于ECE－EUDC循环工况对具有怠速停机功能的整车进行开发。通过分析启停式发动机电控系统的节油因素，在传统发动机电控管理系统上进行相关功能的开发研究，新增氧传感器加热控制逻辑、催化器失效诊断逻辑、启动时空燃比以及进气量和点火角的模型。通过在转毂上对其进行试验，结果表明不仅可以保证启停功能的安全性，还达到节油0.4 L/100 km以上的目的。

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