0 前言
随着汽车保有量的快速增长,我国汽车排放法规更加严格，国家环保局于2007年实施相当于欧Ⅲ标准的国家轻型汽车的排放法规(GB18352.3—2005)。国Ⅲ与国Ⅱ法规(GB18352.2—2001)主要不同之处在于：(1)取消ECE循环前40s不采样的暖机时间,改为发动机起动后立即开始废气采样；(2)对排放污染物中的HC和NOx分别测量并规定限值；(3)增加-7℃环境下冷起动的HC、CO的限值标准。
采用并联式混合动力方案，起动过程中采用电机助力，可以降低起动过程中燃油的喷射量，改善冷起动下的空燃比，降低HC和CO排放。同时在发动机怠速、稳态、大负荷、瞬态工况下，利用ISG电机进行动力匹配，改善发动机运行工况点，提高制动能量回收效率，降低整车的污染物的排放，提高燃油的经济性。因此需要在发动机管理系统的基础上，增加混合动力系统的优化控制策略。为此，开发出了国产发动机控制管理系统，进行大量的标定匹配试验，使发动机相关指标满足相关国家标准。同时将整车控制系统集成到发动机管理系统中，开发出了混合动力多能源管理系统。实现混合动力控制软件与发动机控制软件的集成化功能。
1 并联混合动力轿车系统结构
目前采用的并联式混合动力方案是一种前置前驱的中度混合形式。经过大量的方案选型和设计，采用性价比优良的超级电容储能装置，集成发动机、ISG电机、超级电容和双离合器等部件。它是将盘式一体化ISG电机直接安装在内燃机曲轴输出端, 电机转子和发动机曲轴直接连接，定子固定在发动机机体上。ISG电机取代了飞轮以及原有的起动机和发电机，图1为并联混合动力系统结构示意图。
图1 并联混合动力系统结构示意图
为了实现混合动力轿车性能优化匹配策略，建立基于扭矩管理的控制策略。因此开发出了集成式混合动力多能源电控管理系统，将超级电容、整车的刹车踏板、加速踏板、档位信号等集成到发动机电控单元上，多能源电控管理系统与电机控制单元之间采用CAN总线通讯方式。图2是开发出了混合动力多能源电控管理系统硬件结构。
图2 混合动力多能源电控管理系统硬件
2 混合动力发动机台架标定试验
在发动机结构基础上，改装了原机的机械节气门结构，换成电子节气门结构，同时增加了电子油门踏板、整车各个档位、电控离合器、超级电容等信号引脚。在软件结构上，建立基于电子节气门的扭矩管理控制策略，增加了混合动力功能控制软件。因此对发动机重新进行台架优化标定匹配，为进一步实现混合动力性能做好基础。
2.1发动机结构参数
采用上海华普汽车有限公司的JL479QA发动机，直列四缸、顶置双凸轮轴、16气门机构，对向斜顶面型燃烧室，采用无分电器，分组点火，闭环，多点顺序喷射方式。JL479QA汽油机基本性能参数如表1所示。
表1 汽油机基本参数
缸径×冲程
78.7×77.0mm
总排量
1.498L
压缩比
9.8
最大功率
69kw/6000r/min
最大扭矩
128N.m/3400r/min
全负荷最低燃油消耗率
？Q269g/kw.h
最低空载稳定转速(怠速)
800±50r/min
燃油牌号
研究法辛烷值93号及以上无铅车用汽油
润滑方式
压力与飞溅复合式
2.2试验仪器和设备
试验室主要采用的设备有：AVL 测功器，功率为240KW，AVL 733S瞬态油耗仪，日本HORIBA的MEXA 110宽域型氧传感器。
2.3发动机标定试验内容
整个混合动力控制策略采用基于电子节气门的扭矩控制模式，优化目标是发动机的起动、怠速工况、加速工况、减速工况等瞬态工况。图3是发动机的转速-节气门开度-扭矩在稳态工况下的二维脉谱图，同样根据当前发动机的转速和需求扭矩，可以得到对应的电子节气门开度。
图3 发动机转速-节气门开度-扭矩脉谱
针对混合动力功能需要得到的目标，发动机方面需要标定的项目有，基本稳态工况下的点火提前角、喷油脉谱的标定试验；发动机大负荷下喷油脉谱修正和点火提前角修正的标定试验；发动机各个稳态工况下的氧闭环标定试验；发动机起动工况的标定试验；发动机怠速工况(包括大灯、空调、助力转向外在负荷)的标定试验；发动机各种温度、压力修正脉谱的标定试验；整车转鼓排放试验；整车冷起动标定试验；“三高”标定试验；驾驶性标定试验。图4为发动机稳态工况基本点火角脉谱，图5为发动机稳态工况充气效率脉谱。
图4 发动机点火提前角基本脉谱
图5 发动机充气效率基本脉谱
根据图6根据等油耗曲线可以看出，发动机在小负荷工况，节气门开度小于10%，比油耗比较高，大于490 g/kw？h。而随着节气门开度的增大，燃料燃烧效率的提高，比油耗不断减小。燃油的经济性比较好。发动机的最佳经济区集中于中等负荷以上，从经济性的角度来看，在1500r/min～3500r/min转速段，燃油经济性最好，适合车用工况。因此在混合动力匹配当中，应当使发动机在中高负荷工况，这样可以提高的燃油的经济性。避免小负荷工况，在中等负荷下，进行行车发电。因此采用电机平衡发动机所受的载荷，使发动机在高效率区域工作。当车辆怠速工作时，发动机燃油经济性和排放性差，而并联混合动力系统可以关闭发动机，在刹车制动过程中，利用电机发电进行能量回收。
图6 发动机万有特性比油耗脉谱
3 整车转鼓标定试验
轻型车城市运转循环是由1部（市区运转循环）和2部（市郊运转循环）组成，如下图7所示。测试过程为：在初始状态(车辆在一个温度为20～30℃的房间内静放至少6h)下，在冷起动前开始测试循环(国Ⅱ不包括冷起动和40s的暖机期的排放)。测试中，采用CVS(定容采样法)将废气收集到采样袋中，表1是实测整车排放结果。
图7 国Ⅲ轻型车运转循环工况
表2 整车转鼓排放数据对比
CO
HC
NOx
国Ⅲ
2.30
0.20
0.15
国Ⅳ
1.0
0.10
0.08
实测数据
0.684
0.076
0.054
在城市工况下，传统发动机有很大部分处于怠速工况、小负荷工况，怠速工况时间比例为35.4%。这些工况发动机燃烧效率低，油耗高、排放高，因此采用ISG电机，电机的额定功率为6kW。利用电机取消发动机的怠速工况。当发动机处于小负荷工况，那么为了提高燃油经济性，将节气门开度处于经济油耗区，同时对超级电容进行充电，当电量充满后，再进行电机助力。因此在小负荷工况下，电机处于频繁的充电和放电状态，这样提高发动机工作区域。
图8 ECE循环工况下转速与扭矩关系分布
图9 ECE循环工况下转速与节气门开度关系分布
根据图10可以看出，在市区和市郊的ECE循环工况中，在发动机加速工况下，HC和CO排放都比较高，出现连续的排放物尖峰，主要原因是在发动机瞬态工况下，进行喷油量补偿策略，混合气偏浓，燃烧不充分，排放物增多。
图 10 市区和市郊的ECE循环工况
图11是过渡工况下燃油补偿量脉谱。采用电子节气门可以改善发动机瞬态工况，实现对发动机瞬态工况的节气门柔性控制，使预混合气体燃烧更充分，这样可以降低污染物的排放。对于发动机加速工况，避免加速加浓策略，减小或避免喷油加浓策略，利用电机瞬间提供扭矩大，驱动响应快的特点，实现对加速工况的优化；对于发动机减速制动工况，进行能量的制动回收，对超级电容进行充电，存储能量、减少能耗的损失。
图 11 瞬态工况燃油补偿系数
4混合动力系统起动标定试验
4.1混合动力ISG性能特性
混合动力轿车ISG电机采用了永磁同步电机，ISG电机控制系统由电机控制器、DC/DC转换器、ISG电机组成，ISG控制器工作电压范围为30V～50V，控制线路输入电压范围：12V～14V，冷却方式为风冷。ISG电机额定电压为144V，额定功率为6Kw，峰值功率为9Kw，最高转速为6500 rpm，最大扭矩为60N.m。图12为电机外特性转速-扭矩曲线图。
图 12 电机外特性转速、扭矩曲线
4.2混合动力起动控制策略
ISG电机按照将电机恒转速控制将发动机拖转到喷油转速，当发动机被拖转时间大于6s或者发动机转速高于1200r/min时，电机停止助力。该控制策略提高发动机的喷油转速，避免了传统发动机起动工况的低转速、过浓喷油问题；同时怠速停机回避了发动机在怠速工况下的油耗，因此与传统轿车相比，起动和怠速工况，整车油耗可降低8～10%。图13是传统发动机与混合动力起动转速对比图。
图13 传统发动机与混合动力起动转速对比图
起动、暖机、怠速工况的过渡直接关系到发动机的排放，在传统的发动机标定过程中，最大的难点是起动工况的排放问题，原因是起动过程中，由于氧传感器本身需要加热时间、三元催化转换器需要起燃温度，因此导致起动的几十秒内发动机处于开环控制，而起动工况混合气要求很浓，从而导致HC、NOx、CO排放值特别高，而一旦进入氧闭环、三元催化起作用下，排放完全由闭环优化标定解决，混合动力轿车要重新标定混合动力工况下的起动、暖机、怠速的喷油量、怠速阀开度、温度修正系数、电机的拖动转速、超级电容的电压。
在冷起动阶段，要对起动空燃比和点火提前角进行控制策略的优化，实现低温起动下良好的燃油经济性和排放性。发动机在冷机起动初期，提供比较浓的混合气，由于此时三元催化(TWC)没有起燃，所以整车的排放完全取决于发动机的出口排放，通过减小点火提前角使发动机的后燃情况加重，提高排气温度，促进TWC达到起燃温度，快速起燃。但是过小的点火提前角会导致燃烧不稳定。图14是混合动力起动工况点火提前角波动曲线。
图 14 混合动力起动工况点火提前角波动曲线
关于空燃比的控制，造成原机低温起动排放性能较差的主要原因在于为了保证起动成功,通常在起动时供给浓混合气,导致HC排放增加。在起动成功后,进入暖机阶段,空燃比逐步升高,一定时间后,升至化学计量比。这一期间由于混合气浓度高,也会导致异常高的HC排放,其低温起动空燃比进入闭环控制状态需要很长时间，即使TWC入口温度达到起燃温度，转化效率也很低。而对于混合动力而言，起动过程中喷油转速高，达到800r/min甚至更高的喷油转速，而这样发动机直接进入怠速闭环工况，燃油根据速度密度法计算，而不是传统发动机起动工况下的燃油开环控制。这样就可以使混合动力发动机起动过程中燃油经济性好，污染物的排放少。图15是传统发动机与混合动力起动喷油量对比图。
图15 传统发动机与混合动力起动喷油量对比图
5总结
(1)开发了基于超级电容的并联式混合动力轿车，对发动机结构进行了改装，增加了电子节气门模块，采用了ISG永磁同步电机、双离合器、电控双驱动空调等部件。
(2)开发了集成式混合动力多能源管理系统的硬件和软件功能，简化了大量的CAN数据通讯带来的问题，有利于软件开发的模块化，对发动机和电机输出扭矩进行整体优化匹配控制。
(3)对混合动力发动机进行了台架基本标定、整车排放标定、冷起动标定试验等项目，优化了传统发动机工况，降低了发动机瞬态工况的污染物的排放，提高了燃油的经济性。
(4)在混合动力台架上进行了混合动力起动、怠速试验，对发动机和电机的工况进行了控制策略的优化，极大提高了混合动力起动工况的燃油经济性，降低了起动工况的排放。
参考文献
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