混动发动机在不同水温下的喷油控制策略影响试验研究

闫博文，马天宇，蒲运平，胡铁刚，邓伟，蒋平，聂相虹

（重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆400000）

前言

随着国家“双碳”目标和新能源战略的制定，以及石油市场环境出现的不稳定性，汽车电气化实现了快速发展。混合动力作为最为重要的电气化构型之一，既保留了纯电动车型的驾驶性优势，同时更好地解决了里程焦虑和电池成本过高等问题，因此近年来出现了爆发式增长。在混动系统中，发动机可利用电机特性进行运行工况调节以及动力性补偿，因此其首要开发目标更加侧重于热效率的进一步提升。另一方面，随着国6b阶段RDE法规即将实施以及未来更加严格的法规制定，混动发动机的原始排放，尤其碳烟颗粒物排放的降低也十分重要，这将直接关系到后处理系统的选型及成本等问题。

当前混动总成按照电气化程度增加可依次分为HEV、PHEV和REEV，根据电驱系统的构型不同还可进一步分为串联、并联、混联系统等。尽管PHEV和REEV可依靠外部充电进行电量补给，然而实际用户购买或使用仍多受到政策驱动或充电条件限制，车辆实则较长时间运行于馈电模式。由此可见，发动机自身经济性和排放的精细化开发仍具有较大意义。

图1所示为不同混动总成和构型对馈电模式下发动机具体使用工况区域的影响。可以看出，由于串联和混联系统可在较低车速下实现整车与发动机工况完全解耦，因此发动机可更多在中等转速中等负荷的高效率区运行，而纯并联系统由于无法完全解耦，在综合考虑系统效率的情况下，发动机运行工况也将出现于负荷相对较低的区域。此外还看到不同混动构型均会存在较多低速低负荷的充电工况或过渡工况。另一方面，由于不同混动系统和构型的电池电机能力不同，发动机起停间隔及相应的水温上升速率差别较大，使得发动机运行状态也有所差异。上述因素都将对混动专用发动机的经济性和排放产生影响。

针对上述不同混动构型带来的发动机运行工况范围和水温的差异，以及性能精细化开发的需求，本文以一台长安近期开发的1.5TGDI混动专用发动机为基础，系统研究了不同水温条件下，喷油策略对图1所示混动潜在工况区域内发动机燃油经济性和碳烟颗粒数PN排放的影响。尽管此前已有较多学者对喷油策略进行了相关研究，但其在工程化应用的针对性、系统性以及基础机型的代表性等方面仍存在不足，本文将重点从工程应用角度出发，为不同构型混动系统的匹配及后续混动专用发动机开发策略提供参考。

图1 不同混动构型馈电运行工况

1 试验装置与研究方法

1.1 试验装置

研究选取了长安某款1.5TGDI混动专用发动机，其特征参数如表1所示。该发动机采用了米勒循环、高压缩比、增压中冷以及高压燃油喷射系统等，其中高压燃油喷射系统最大喷射压力35 MPa，采用侧置6孔喷油器布置，可灵活调节喷油策略，同时具有CVO（controlled valve operation）最小脉宽控制功能，支持最小脉宽0.3 ms的稳定控制。

表1 基础机特征参数

图2为发动机试验台架示意图，试验使用AVL740瞬态油耗仪测量发动机燃油消耗量，并采用0.2°CA分辨率的曲轴位置传感器以保证点火时刻的控制精度，缸内压力通过Kisler6115型传感器测量，缸压监测和燃烧数据计算使用AVL indicom燃烧分析仪，发动机原始排放（CO，HC，NO，CO，O等）通过HORIBA MEXA-7100 DEGR测量，PN排放采用HORIBA MEXA-2100测量，空燃比采用宽频氧传感器实现闭环控制。试验最终记录数据是对200个循环采集数据进行平均后的结果，从而较好的保证了数据准确性。

图2 发动机台架装置示意图

台架测试中以燃烧分析仪实时监测的相邻两循环最大爆发压力差值并辅助以爆震音箱采集的声音进行爆震或超级爆震的判别，当爆发压力差值的振幅出现剧烈的脉冲式增加且听到强烈敲击声时认为出现超级爆震，此时ECU将迅速采取限转矩措施保证发动机安全。试验过程中的各工况点的台架测试边界条件，主要包括进排气系统压力和温度等，与整车在标准环境测试时发动机的实际运行边界保持一致。

1.2 研究方法

发动机喷油策略优化主要包括喷油压力、喷油时刻、喷油次数和喷油比例分配。基于前期开发研究经验，喷油压力通常可设置为最大压力以保证燃油充分雾化和快速混合，在0.1 MPa BMEP及以下工况可适当降低喷油压力以延长喷油脉宽和混合时间，提高燃烧稳定性。喷油次数直接影响燃油混合及其均匀性、缸内冷却及燃油湿壁等，在喷油次数确定的情况下，各次喷油的最优喷油时刻和喷油比例对于各机型而言差异并不十分明显。

基于上述讨论，本文主要是结合混动系统涉及的常用运行工况范围和瞬态升温过程，选取1 000、2 000、3 000 r/min 3个转速，重点研究了30、50、70和90℃不同水温条件下，单次、两次和3次喷射对发动机性能的影响。需要说明的是，由于50和70℃水温下的结果十分相近，在第2部分讨论中仅展示50℃测试结果。结合多台机型产品开发经验，各喷油模式下优选喷油特性参数如表2所示。表中所示喷油特性参数是在各工况下并非绝对最优，但已十分接近最优值，且不影响主要结论，这对实际工程应用及后续机型进一步优化已具有较好的指导价值和借鉴意义。

另一方面，如表2所示，受最小喷油脉宽限制，3次喷射最小测试负荷为0.3 MPa BMEP，两次喷射最小测试负荷为0.2 MPa BMEP，为使得单次喷射具有对比价值，其最小测试负荷设置为0.2MPa BMEP。负荷上限则主要基于混动系统常用工况区域进行选取，如图1所示，1 000、2 000和3 000 r/min对应的最大负荷分别为1.0、1.6和1.6 MPa BMEP。

表2 喷油策略参数及测试负荷边界

试验过程中，对于非爆震限制区域的中低负荷测试工况点，将调整点火角以保证燃烧相位CA50处于7°-9°CA ATDC的最优区间，而对于爆震限制区域的中高负荷测试工况点，点火角将调整至爆震边界，即在出现轻微爆震的情况下推迟1°CA作为安全余量。

2 试验结果与分析

2.1 低转速工况喷油策略影响试验研究

图3所示为1 000 r/min工况不同水温条件下喷油策略对发动机性能的影响。可以看出在30℃水温条件下多次喷射的油耗和PN排放均相比于单次喷射更低，主要原因是低水温条件下多次喷射可以强化燃油雾化混合，提高了燃烧效率，同时避免燃油湿壁过多。随着负荷增加，多次喷射通过部分燃油晚喷还可降低缸内温度进而减小爆震倾向，使其油耗和排放优势更为显著。因此在30℃附近低水温条件下多次喷射的工况选择区域可拓展至0.5 MPa BMEP以下。考虑到最小喷油脉宽控制精度，低负荷下可优先选取两次喷射，而中高负荷可优先选取3次喷射，这是因为3次喷射稳态PN排放更低，且更有利于减少瞬态空燃比偏浓时造成的PN排放变差。需要说明的是，尽管低速工况并非混动最优工况，然而如图1所示，在发动机起动后仍将有大量过渡工况或充电工况落入此区域，且对于纯并联构型，馈电爬坡时发动机也将进入低速大负荷工况，因此该转速区域的优化仍具有较大意义。此外如前所述，对电气化程度较高的混动构型，发动机起停间隔时间较长，水温上升较为缓慢，由此对发动机性能尤其RDE工况排放的影响仍不可忽视。

随着水温升高，气缸壁面温度逐渐升高，燃油蒸发混合作用加强，从图3中可以看出，当水温升高至50℃以上时，单次喷射与多次喷射在中低负荷工况的油耗已基本相当。然而在中高负荷工况，多次喷射对爆震的抑制效果也变得更加明显，可以看出此时燃烧相位相比于单次喷射更为提前，油耗水平也进一步降低。另一方面，随着水温升高，在燃油蒸发雾化效果较好的情况下，由于单次喷射混合时间更长，因此其对PN排放的改善效果更优，可以看出当水温达到50℃时，单次喷射的PN排放在中高负荷工况已优于多次喷射，当水温进一步增加至90℃时，单次喷射的PN排放整体明显优于多次喷射。为保证发动机具有较好的经济性，在中高负荷工况仍可优先考虑多次喷射，但其使用负荷区域可逐渐拓展至0.7 MPa BMEP以上的爆震限制区域。此外还可以注意到两次和3次喷射表现基本相当。

图3 1 000 r/min工况喷油策略对发动机性能影响

2.2 中等转速工况喷油策略影响试验研究

图4所示为2 000 r/min工况不同水温条件下喷油策略对发动机性能的影响。可以看出在中低负荷工况，单次喷射在各水温条件下的油耗与多次喷射基本相当，这是因为随着转速增加，缸内气流运动变强使得单次喷射的燃油雾化效果变好，在此基础上，单次喷射的燃油混合时间更长也促使其混合均匀性进一步提高，由此燃烧效率得到改善。值得注意的是，30-50℃水温条件下，多次喷射在较小负荷工况的燃烧循环波动均接近3%，即出现了燃烧不稳的现象，这是由于多次喷射在小负荷的单次喷油量较少，因此随着转速增加更容易受到气流运动影响导致不同循环的混合气浓度分布变化较大。

另一方面，从图4（c）中还可以看到，即便是在30℃低水温条件下，单次喷射在中低负荷的PN排放也与多次喷射基本相当，且随着水温升高PN排放优势逐渐增加。此外两次和3次喷射在中低负荷工况下对油耗和排放的影响效果差异并不明显。

图4 2 000 r/min工况喷油策略对发动机性能影响

在中高负荷工况，多次喷射对爆震抑制及相应的燃烧相位和油耗改善的优势相比于低转速有所降低，且随着水温增加进一步减小，这主要是由于随着发动机转速增加，缸内气流运动加强使得火焰传播速率加快，进而使得相同负荷下的爆震倾向减小，因此通过多次喷射降低缸内温度所能带来的收益相对有所下降，此外随着转速及负荷增加，相同水温下的机体温度逐渐升高，使得多次喷射的效果进一步降低。另一方面，当水温升高至90℃时，3次喷射相比于两次喷射对爆震抑制及油耗改善效果更优。

从图4（c）中还可以看出，随着负荷进一步增加至1.3 MPa BMEP以上时，多次喷射的PN排放反而更优，即使在90℃高水温条件下，其与单次喷射的PN排放也基本相当。这主要是由于高负荷工况下单次喷射的喷油量过多容易造成燃油湿壁及混合不均匀，进而造成PN排放变差，尤其在低水温条件下这种效果更明显。此外两次和3次喷射的PN排放差异并不明显。

综合上述油耗和PN排放的对比分析，对于2 000 r/min工况，30℃水温条件下可选取0.8 MPa BMEP以上的负荷区域采用多次喷射，随着水温升高至50℃以上时，将负荷可逐渐提升至1.0 MPa BMEP以上的区域。

2.3 高转速工况喷油策略影响试验研究

图5所示为转速3 000 r/min工况不同水温条件下喷油策略对发动机性能的影响。随着转速增加至3 000 r/min，缸内油气混合效果及火焰传播速率进一步提升，可以看出负荷在1.0 MPa BMEP以下的非爆震限制区域，单次喷射与多次喷射的油耗和PN排放差异与2 000 r/min工况基本一致，而在1.0-1.3 MPa BMEP工况，单次喷射与多次喷射油耗差异也较小。从燃烧特性对比可以看出，由于单次喷射对进气及压缩冲程的缸内滚流强度影响较小，因此燃烧持续期相比更短，另外，如前所述，随着转速增加，多次喷射对爆震抑制的效果有所降低，两方面因素共同作用使得1.0-1.3 MPa BMEP负荷区间内单次与多次喷射的燃烧相位仍基本相当，进而使得油耗差异并不明显。

另一方面，值得注意的是30℃水温条件下，单次喷射在1.0 MPa BMEP以上负荷的PN排放已明显变差，随着水温升高，PN排放明显变差的负荷逐渐提升至1.3 MPa BMEP。这主要是由于随着转速增加，改善燃油的混合，而在中高负荷下单次喷射的燃油混合均匀性逐渐变差，因此相比2 000 r/min工况在更低负荷出现了PN排放明显变差的现象。综合上述分析，对于3 000 r/min工况，30℃附近的低水温条件下在1.0 MPa BMEP以上的负荷区域可采用多次喷射，当水温升高至50℃以上时，可逐渐拓展至1.3 MPa BMEP以上的负荷区域。由此可以看出，与1 000和2 000 r/min工况有所不同的是，3 000 r/min工况下的喷油模式的选择更多受限于PN排放的影响。

此外从图5中还可以注意到，两次喷射与3次喷射表现基本相当，然而在高负荷工况3次喷射相对两次喷射的燃烧稳定性较差，循环波动已略高于3%，这主要是由于高转速工况下混合时间缩短，3次喷射所能实现的混合均匀性反而变差。

图5 3 000 r/min工况喷油策略对发动机性能影响

3 结论

（1）在1 000 r/min低转速工况下，当发动机水温为30℃时，采用多次喷射可在全负荷范围内相比于单次喷射可实现更低的油耗和PN排放，且随着负荷增加其优势更为显著，此时多次喷射的工况覆盖区域可拓展至0.5 MPa BMEP以下。当水温逐渐升高至50℃以上时，单次喷射与多次喷射在中低负荷工况的油耗基本相当，中高负荷油耗优势则更为显著。另一方面，在水温升高的情况下，单次喷射PN排放优于多次喷射，然而尽管如此，由于其在中高负荷油耗明显变差，因此对于0.7 MPa BMEP以上的负荷区域仍可优先考虑采用多次喷射。

（2）随着转速增加至2 000-3 000 r/min，在中低负荷工况，单次喷射在各水温条件下的油耗表现与多次喷射基本相当，且燃烧稳定性更优，随着转速及水温增加，两者油耗相当的负荷区域逐渐扩大。另一方面，在中低负荷工况，单次喷射的PN排放在30℃低水温条件下与多次喷射基本相当，随着水温升高，其PN排放的优势进一步增加。然而在高负荷工况，单次喷射的PN排放明显变差。整体而言，对于2 000 r/min工况，喷油策略受油耗因素影响更大，因此在30和50℃以上水温时可分别选取0.8和1.0 MPa BMEP以上的负荷区域采用多次喷射，而对于3 000 r/min工况，PN排放因素影响更大，因此可分别选取1.0和1.3 MPa BMEP以上的负荷区域采用多次喷射。

（3）在各转速和各水温条件下，两次喷射与3次喷射对发动机油耗及PN排放影响相差并不明显。中高负荷工况可优先考虑采用3次喷射以兼顾瞬态空燃比较浓的情况下的PN排放控制。在低水温低转速条件下，低负荷工况可优先考虑两次喷射，以有利于更加准确的控制燃油喷射量，提高燃烧稳定性。