碳罐脱附策略对混动车辆汽油机怠速燃烧影响研究

孙建军，秦万里，卢维伟，田德辛，许杰，方会咏，黄伟山，刘义强

碳罐脱附策略对混动车辆汽油机怠速燃烧影响研究

孙建军，秦万里，卢维伟，田德辛，许杰，方会咏，黄伟山，刘义强

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 315336）

文章为了研究碳罐脱附策略对发动机热机怠速燃烧稳定性影响，在一台PHEV混动车型发动机上进行了不同碳罐吸附量，不同脱附流量，不同脱附时间和不同进气负荷条件下，发动机燃烧稳定性的对比试验。试验结果表明，碳罐吸附量的增加，将会导致发动机燃烧稳定性下降；碳罐脱附流量的增加，会导致燃烧稳定性下降；脱附时间增加，燃烧稳定性提升；进气负荷增加，燃烧稳定性提升。

碳罐；脱附策略；怠速；燃烧稳定性；混合动力

引言

为应对全球排放法规日益加严，各汽车公司对内燃机的污染物排放重视程度越来越高，怠速工况作为乘用车汽油机最常用的工况，其排放也受到重点关注；另外，随着客户对车辆乘坐品质的追求，怠速工况的NVH表现也是目前各主机厂攻关的重点。随着排放法规对车辆蒸发物限值的加严，碳罐作为控制乘用车蒸发物排放的有效手段[1]，目前已经成为乘用车的标配。一方面，碳罐通过吸附燃油箱中过多的燃油蒸汽，实现降低整车蒸发物的目的，另一方面，通过控制碳罐的冲洗策略，也称为脱附策略（下同），实现碳罐中活性碳再生，确保碳罐持续的吸附能力。碳罐吸附-脱附工作原理如图1所示。

碳罐脱附时，脱附流量中不仅包含新鲜空气，还会包含燃油蒸汽，这部分燃油蒸汽最终会进入燃烧室被燃烧掉。但是不合理的碳罐脱附策略会对发动机的燃烧造成不利影响，甚至失火。脱附流量中的燃油蒸汽会对正常的空燃比控制产生影响，对于发动机的热机怠速工况，尤其明显。刘锡鑫，马江涛等人通过研究碳罐连接嘴在进气歧管不同布置位置，得出布置位置差异对发动机怠速燃烧有重要影响的结论[2]。曹暑林，谢悦孝等人通过研究失火与催化器放热的关系，得出连续失火将会导致催化器排温剧烈升高，最终导致催化器的烧蚀的后果[3]。

图1 碳罐工作原理

插电混动作为控制排放和降低油耗的常用技术手段，已经广泛应用到实际中。本文中，笔者通过设计试验，研究不同的碳罐脱附策略对一台插电混动汽油机热机怠速燃烧稳定性的影响，并提出合理的优化建议，为混动车型碳罐开发和脱附策略开发提供依据。

1 试验装置

表1 PHEV车型主要技术参数

项目指标参数 发动机排量/L1.5 最大功率/kW@ rpm130@5 500 最大扭矩/Nm@ rpm255@1 500～4 000 缸径x行程L82 x 93.2 压缩比10.5 电池和电机电池/kW11.3 电机功率/kW60 电机扭矩/Nm160 纯电续航/km60 碳罐控制阀控制频率/Hz35 最大流量/（kg/h）6 碳罐体积/L2

本文中的试验车辆搭载一台1.5 L缸内直喷的增压发动机和一台60 kW的电动机，属于PHEV车型。该车型主要的技术参数和性能指标如表1所示。另外，本次试验用的PHEV车型所搭载的发动机均无空调负载和发电机负载。在热机怠速工况，插电混动专用的汽油机相比传统动力汽油机，其热机怠速的负荷更低，需要的进气量也更少，缸内混合气组织难度更高，燃烧过程对于不同的碳罐的脱附策略，也更加敏感。

2 试验设计与试验方法

通过对比不同脱附策略对发动机失火情况，转速波动，空燃比波动，研究脱附策略与燃烧稳定性的关系。本次试验，通过修改碳罐电磁阀的占空比信号实现不同脱附流量的控制；通过加注不同油量的方法，实现碳罐不同的吸附量；通过更改充电负荷的方法实现发动机稳态不同负荷的改变。对于燃烧稳定性的评估，主要采用失火频次，转速波动幅度，动态空燃比变化等指标。主要试验项目和试验方法如下：

（1）热机怠速，非充电工况，通过改变碳罐控制阀的占空比信号，实现不同脱附流量的控制，研究不同脱附流量与燃烧稳定性的关系。试验前车辆应加油，通过燃油搅动增加燃油蒸发量，确保碳罐充分吸附燃油蒸汽。

（2）热机怠速，非充电工况，相同脱附流量，研究不同碳罐吸附量[4]对燃烧稳定性的影响。试验车辆正常行驶至低油量，同时手动控制碳罐电磁阀长时间开启，使碳罐保持脱附状态，持续冲洗碳罐中吸附的燃油蒸汽，确保碳罐处于最低吸附量，进行测试；然后将车辆加满油，手动控制碳罐电磁阀处于关闭状态，禁止碳罐脱附，确保碳罐处于最大吸附量状态，然后进行测试。

（3）热机怠速，非充电工况，维持恒定脱附流量，研究脱附时间对燃烧稳定性的影响。参考上述操作步骤，使车辆初始状态保持较高的碳罐吸附量，手动控制碳罐电磁阀开启，长时间监控并记录发动机燃烧稳定性相关指标数据。

（4）热机怠速，不同负荷工况，研究相同脱附流量，不同进气负荷对燃烧稳定性的影响。确保碳罐处于较高的燃油蒸汽吸附量状态，通过手动控制发动机的充电扭矩，实现改变发动机怠速负荷的目的。

3 试验数据分析

全部测试采用ETAS公司生产的ES592进行数据通讯，记录ECU内部的运行数据，并根据此记录进行燃烧稳定性评估。

3.1 不同脱附流量对燃烧的影响

如图2所示，当碳罐控制阀的占空比按照0/7%/36%阶梯变化时，发动机失火频率成正比例变化，尤其在占空比36%时，失火频率急剧增多。同时，发动机空燃比信号出现短暂的偏稀过程，并且伴随空燃比信号波动幅度增加，发动机转速波动幅度也轻微变大。

整个过程，发动机的进气量几乎不变，但是发动机的喷油量，明显减少。说明碳罐脱附流量中含有大量燃油蒸汽，迫使喷油器喷减少喷油量，以确保混合气始终维持在理论空燃比附近。通过本试验，证明相同工况下，发动机燃烧稳定性随着脱附流量增加而降低。

图2 脱附流量与燃烧稳定性关系

3.2 碳罐吸附量差异对发动机燃烧的影响

相同脱附流量下，不同碳罐吸附量对发动机燃烧影响如图3所示。当碳罐控制阀的占空比按照0/7%/36%阶梯变化时，最低碳罐吸附量情况下，发动机没有失火计数发生，空燃比信号稳定，没有明显波动，发动机转速稳定，喷油量变化不大；最大吸附量情况下，发动机失火计数迅速增加，空燃比信号大幅度波动，且在进气量不变前提下，喷油量明显减少。证明相同脱附流量下，发动机燃烧稳定性随着碳罐吸附量的增加而降低。

图3 碳罐吸附量差异对燃烧稳定性的影响

3.3 连续脱附时间对发动机燃烧稳定性影响

保持发动机工况不变，相同脱附流量下，随着脱附时间的增加，发动机热机怠速工况的失火计数次数程下降趋势，空燃比信号波动幅度减小，如图4所示，同时，发动机的喷油量程逐渐上升的趋势。证明相同脱附流量下，脱附流量中的燃油蒸汽比例逐渐减少，外部燃油对喷油器的影响降低，发动机燃烧稳定性随脱附时间增加而提高。

图4 连续脱附时间对燃烧稳定性的影响

3.4 发动机工况差异对燃烧影响

在相同碳罐吸附量条件下，测试发动机非充电工况与充电工况（充电扭矩20 Nm）下，碳罐脱附过程对发动机燃烧稳定性的影响。测试结果如图5所示，充电工况下，碳罐脱附流量大于非充电工况，但是瞬时失火计数远低于非充电工况。发动机喷油量，充电工况下约是非充电工况的两倍，证明相同碳罐吸附量条件下，发动机进气负荷越大，燃烧稳定性越好，发动机燃烧稳定性随发动机进气负荷增加而提高。

图5 发动机工况差异对燃烧稳定性的影响

4 总结和建议

通过上述给出的燃烧稳定性对比结果，得出燃烧稳定性不仅与碳罐的吸附量有关，还与碳罐的脱附策略和发动机的运行工况相关。在上述对比数据中，还揭示了新的的规律，即非充电工况怠速燃烧稳定性增加时，同时伴随喷油量增加；燃烧稳定性恶化时，同时伴随喷油量减少。在充电工况，发动机负荷增加，喷油量大幅度增加，燃烧稳定性提升明显。

由此可以推断碳罐脱附时，脱附流量中包含的燃油蒸汽，会导致喷油器喷油量的减少，造成喷油器容易进入流量非线性区，最终喷油器实际喷油量与需求值不符，造成缸内混合气空燃比波动，燃烧稳定性下降，这个推断需要进一步进行验证；另外，脱附流量是否均匀分配到所有气缸中，也是影响燃烧稳定性的可能原因，需要进一步研究。

为了提升热机非充电怠速工况发动机燃烧稳定性，建议增加发动机储备扭矩，通过增加怠速进气量来稀释脱附流量，降低脱附流量对燃烧稳定性的负面作用。还有，通过智能识别加油事件，合理优化碳罐脱附策略，优化怠速脱附流量也是改善燃烧稳定性的有效手段。

[1] 林志昌,邵亚宾.脱附流量对炭罐蒸发排放性能的影[J].2020中国汽车工程学会年会论文,2107-2110.

[2] 刘锡鑫,马江涛,蔡昊.碳罐接管嘴布置位置对发动机燃烧的影响[J].机械研究与应用,2016,29(6):188-190.

[3] 曹暑林,谢悦孝.基于催化器放热效应的失火故障阀值匹配方法研究[J].上海汽车,2020(02):10-14.

[4] 周祥云,张磊,黄敬锋,等.基于国六法规的碳罐脱附流量对蒸发排放性能的影响[J].汽车实用技术,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

孙建军（1987—），男，中级工程师，工程硕士，就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，主要从事内燃机性能和排放开发。