匹配VVT发动机的两用燃料汽车气耗标定优化方法

吴　琼，李卫兵，秦小飞

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心， 安徽 合肥　230601)



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匹配VVT发动机的两用燃料汽车气耗标定优化方法

吴琼，李卫兵，秦小飞

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心， 安徽 合肥230601)

对匹配VVT发动机的两用燃料汽车的燃气ECU喷气脉宽、点火提前角和汽油ECU的进气VVT进行重新标定优化，分别对标定优化前后状态下使用天然气燃料进行动力性与经济性的试验对比分析。结果表明，优化后最高车速增加了3 km/h，0～100 km/h额定转速换挡时间减少1.6 s，最高挡80～120 km/h加速时间减少6 s，试验工况下等速气耗都有所减少。NEDC循环的气耗降低0.23 kg/100 km，使用汽油ECU和天然气ECU同步优化方案后燃烧天然气的动力性与经济性都有提升，并且在汽油ECU更改VVT角度配合天然气ECU标定优化后燃烧天然气的节气效果最优。

两用燃料汽车；标定优化；动力学；经济性； NEDC循环

随着汽车的普及，汽车尾气排放引起的污染问题也越来越受到重视。汽车相关先进技术与清洁燃料的应用可为降低汽车排放引起的污染以及提高经济性提供一些可行的方法。天然气是一种清洁能源，作为汽车燃料使用能很好地降低污染，且其成本要低于传统汽油燃料；所以，在节能减排的技术路线中，汽油-天然气两用燃料发动机是一种重要的技术路线，现在城市中的出租车基本都是采用这种深受欢迎的技术路线。

目前，两用燃料车辆基本都是燃油车辆进行改装，通过增加一套燃气电控系统实现两种燃料之间自由的切换；但是这种简单的改装并不能完全发挥天然气发动机的性能，如果标定匹配不好会导致使用燃气后，整车的气耗增加而达不到预期效果。为此，本文作者专门研究配置进气VVT(variable valve timing，可变气门正时)发动机改装成天然气燃料后，如何通过标定优化降低气耗，提高经济性。

1　汽油/天然气两用燃料发动机电控系统概述

图1为主从式汽油/天然气两用燃料控制系统。系统工作时，燃气ECU以原车汽油ECU的喷油信号为基础输入信号，经发动机水温、燃气温度、燃气压力等参数校正后，确定该时刻的喷气时间，通过高精度燃气喷嘴向发动机进气歧管喷射天然气，并通过氧传感器信号实现闭环控制。该双燃料控制系统在软件设计上综合考虑了燃气喷射压力、燃气温度、喷嘴开启及关闭时间等因素，以实现喷油时间到喷气时间的精确转换[1]。

天然气与汽油的燃烧特性存在差异，但是燃油ECU在开发过程中并没有考虑到天然气燃烧特性的差异；因此，需要重新标定燃烧天然气时的点火与喷油等参数以使天然气燃烧更加合理。另外，对于匹配进气VVT汽油发动机来说，2种燃料最佳的VVT开启提前角是不一样的。

综上，只有对点火角、VVT开启提前角和天然气喷射量等方面重新进行匹配才能获得较好的燃气经济性与动力性。本研究主要以某车型改装为图1所示燃气电控系统后，从燃油ECU和燃气ECU 2个方面进行匹配与标定，提高整车的燃气经济性。

图1　一种主从式汽油/天然气两用燃料电控系统

2　2种燃料的差异与对策

2.12种燃料特性差异

汽油-天然气两用燃料发动机所使用两种燃料的主要特性如表1所示。影响ECU匹配标定的主要因素包括理论空燃比、辛烷值和火焰传播速度。其中，理论空燃比主要是影响燃气喷射脉宽的标定，辛烷值和火焰传播速度主要影响点火提前角和VVT相位[1-2]。

表1　汽油-天然气两种燃料主要燃烧特性对比

表1(续)

2.2燃料特性差异的控制对策

天然气理论空燃比大于汽油理论空燃比，所以燃气ECU将喷油脉宽转换为喷气脉宽时，需要重新精确标定油-气转换系数，确保燃烧天然气时在理论空燃比附近，同时需要兼顾整车动力性与经济性。

由于天然气完全是以气体形式与空气形成混合气，而汽油是以液态形式与空气进行混合会有非常严重的油膜效应，如图2所示。喷油器喷射出来的燃油有一部分残留在进气歧管壁上，没有与空气混合，同时上一个循环残留的油膜也有一部分挥发在空气中。这一复杂的油膜效应在汽油ECU标定开发过程中充分考虑与标定。

但是，燃烧天然气后由于没有油膜效应，燃气喷射完成后就可以形成混合气[3-4]。油-气转换精确标定时需要增加延迟喷射，减少油膜效应对混合形成的影响，在减速断油后由于没有残留在歧管壁上的油膜，也需要对天然气进行补偿。

图2　汽油混合气的油膜特性

一方面，天然气的辛烷值达到130，远大于汽油的辛烷值93，所以改烧天然气后发动机不会发生爆震；另一方面，由于天然气火焰传播速度为33.8 m/s，小于汽油的火焰传播速度39～47 m/s, 会导致发动机排气温度变高，发动机热负荷变大：所以，改烧天然气后混合气点火提前角不能使用汽油ECU混合气的点火角标定数据，为了充分发挥天然气的性能，需要对燃烧天然气的点火角进行全面优化与标定。

由于2种燃料的特性不一样，发动机燃烧天然气与汽油最佳的VVT的开启提前角不一样，所以当燃烧天然气后也需要调整VVT开启提前角；但是VVT开启是由燃油ECU进行控制，不能通过燃气ECU进行修改后控制VVT执行器。为了使燃烧汽油与天然气都能够取得较好的效果，需要对原来汽油ECU中VVT开启提前角优化匹配而不能完全按照汽油要求进行控制。

由于天然气的着火温度和着火极限都要高于汽油，天然气的点火能量要高于汽油系统；因此需要更换点火效能更高的火花塞，确保任何时刻都能可靠地点火成功，减少未燃烧的HC排放。

3　整车标定优化

为了充分发挥燃烧天然气性能，同时考虑出租车对经济性的要求，整车标定从以下几个方面进行控制数据优化。

3.1油-气转换模型标定优化

由于天然气没有油膜效应，燃气喷嘴喷射出来的天然气直接与新鲜空气形成混合气，没有汽油挥发混合过程；所以相对于汽油喷射时刻需要滞后，才能够在气缸内部形成均匀的混合气。经过整车多次匹配标定，天然气的喷射时刻相对于汽油喷射时刻延迟时间最终确定为4 000 μs。

同样，由于天然气没有油膜效应，当发动机退出减速断气状态后恢复供气状态，需要对油气转换系数增加补偿汽油模型里面的歧管壁上挥发汽油蒸汽，通过标定试验，最终确定补偿100 μs的喷气脉宽后恢复供油的驾驶性较好。

根据发动机负荷(进气歧管压力)和发动机转速确定发动机全工况油-气模型转化系数，该系数主要标定原则如下：1)小负荷以经济性为主，燃气量相对较小，也是出租车在市区使用较多的工况；2)中负荷兼顾动力性与经济性；3)大负荷以动力性为主，喷气量相对较大。

根据以上原则经过实车标定确定的参数如表2所示。

表2　天然气喷气量的转化系数　%

表2(续)

3.2点火提前角优化

由于两种燃料燃烧特性的差异，燃烧天然气后点火提前角相对汽油需要增加，增加点火角标定结果如表3所示。

表3　天然气的点火提前角　(°)

3.3VVT角度优化

燃烧天然气时完全使用汽油的VVT控制角度不能取得较好的燃气经济性，综合2种燃料特性减小整车上常用工况点的VVT开启提前角，如表4所示。图1中的双燃料控制系统中VVT执行器是由汽油ECU控制，优化后的VVT开启提前角后对燃烧汽油与天然气都起作用。

表4　优化后进气VVT开启提前角　(°)

表4(续)

4　标定优化后的整车性能

由于更改了汽油ECU的VVT开启提前角，需要验证更改前后对燃烧汽油性能的影响，如表5所示。从整车动力性与经济性的试验结果看，优化后的VVT开启提前角后整车的动力性略有下降，最高车速由174.3 km/h降低至171.5 km/h；80～120 km/h的加速时间增加了1 s；在NEDC循环中城郊油耗增加0.1 L/100 km，综合油耗增加了0.1 L/100 km：由此可见，优化VVT开启提前角后对整车动力性与经济性的影响较小[5-6]。

表5　更改VVT开启提前角前后汽车性能对比

对汽油VVT开启提前角优化和燃气ECU的各项标定优化前后的试验结果如表6所示。使用汽油ECU和天然气ECU同步优化方案后，燃烧天然气的动力性与经济性都有提升，最高车速增加了3 km/h, 0～100 km/h额定转速换挡时间减少1.6 s，最高挡80～120 km/h加速时间减少6 s，试验工况下等速气耗都有降低，NEDC循环的气耗降低0.23 kg/100 km。

表6　各项标定优化前后汽车性能对比

按照市场天然气价格4.38元/m3、天然气密度0.717 kg/m3，对比优化前天然气的气耗，只使用燃气ECU的优化和使用汽油VVT角度优化方案的气耗对比如表7所示。

表7　各优化方法气耗对比

由以上对比结果可知，只优化天然气ECU的相关标定数据节气效果有限，只有汽油ECU更改VVT角度配合天然气ECU标定优化后燃烧天然气的节气效果最优。

5　结论

本文对匹配VVT发动机的两用燃料汽车的燃气ECU喷气脉宽、点火提前角和汽油ECU的进气VVT进行重新标定优化，对比了试验研究结果，得到如下结论：

1)更改发动机的VVT角度后，使用汽油燃料整车的动力性和经济性略有下降，对整车动力性与经济性的影响较小；

2)经过燃气ECU和汽油ECU标定优化后，使用天然气燃料动力性与经济性都有提高，满足出租车驾驶员要求；

3)只优化然气ECU的相关标定数据节气效果有限，只有在汽油ECU更改VVT角度配合天然气ECU标定优化后燃烧天然气的节气效果最优。

本文对匹配VVT发动机的两用燃料汽车标定优化方法进行研究，打破了以往只优化燃气ECU方法，通过原车汽油ECU的VVT开启角度优化配合燃气ECU得到了非常好的方法，为后续带进气长管技术、EGR技术等发动机改装天然气提供经验借鉴。

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(编校：夏书林)

Study on the Optimization Method of the Gas Consumption for the Dual Fuel Vehicle Used the VVT Engine

WU Qiong, LI Weibing, QIN Xiaofei

(AnhuiJiangHuaiAutomobileCO.,LTD.TechnicalCenter,Hefei230601China)

In this paper, items of the dual-fuel vehicle with the VVT engine was re-calibrated and optimized, such as the jet pulse of the natural gas ECU, ignition timing and the intake VVT of the gasoline ECU. Experiments were carried out to test the calibration and optimization method. The results show that the method can increase the maximum speed 3km / h, and 0-100km / h gear shift time can be reduced 1.6s, and the 80-120km / h accelerating time can be reduced 6s, and test conditions constant gas consumption can be reduced. The gas consumption can be reduced by 0.23 kg / 100km in the NEDC cycle, and the natural dynamics and economy can be improved together. The method, together with intake VVT, can make the combustion gas saving reach the maximum.

the dual fuel vehicle； optimize calibration；fuel economy；dynamics；NEDC cycle

2015-11-17

吴琼(1983—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为汽车发动机控制及标定技术。

U464

A

1673-159X(2016)04-00102-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.021