國(guó)六重型天然氣汽車失火標(biāo)定研究

曹林 吳順清 楊顯利 王龍宇

（一汽解放汽車有限公司商用車開(kāi)發(fā)院,長(zhǎng)春 130011）

0 引言

2018年6月，生態(tài)環(huán)境部和國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]，2019年排放法規(guī)在重型天然氣汽車產(chǎn)品上率先實(shí)施。法規(guī)在天然氣汽車失火監(jiān)測(cè)方面，只有“失火會(huì)導(dǎo)致催化器損壞”功能監(jiān)測(cè)一項(xiàng)要求，主機(jī)廠因缺乏細(xì)節(jié)指導(dǎo)，解讀各異，因此，失火監(jiān)控策略設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)管控都有缺陷。失火標(biāo)定作為抑制失火的重要一環(huán)，并未考慮重型車車型多、工況多和場(chǎng)景多的復(fù)雜性，暴露出源自輕型車失火標(biāo)定策略和方法上的缺陷，因此需要繼續(xù)改進(jìn)重型商用車標(biāo)定策略。

本文聚焦國(guó)六天然氣汽車標(biāo)定兩大核心領(lǐng)域，即廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation,EGR）標(biāo)定、過(guò)量空氣系數(shù)（λ）標(biāo)定。結(jié)合重型天然氣車的車型特點(diǎn)和場(chǎng)景特點(diǎn)開(kāi)展研究，從具體問(wèn)題入手，制定行之有效的標(biāo)定策略和方法，形成基于場(chǎng)景的重型天然氣汽車標(biāo)定技術(shù)。

1 研究背景

典型場(chǎng)景包括整車運(yùn)行在山區(qū)、高原、高寒、高濕地區(qū)。不同場(chǎng)景失火問(wèn)題都要自身特點(diǎn)，嚴(yán)重性各不相同。失火后果具體表現(xiàn)：

（1）輕微失火后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、動(dòng)力下降、油耗增加、排放惡化。

（2）嚴(yán)重失火后，發(fā)動(dòng)機(jī)未燃混合氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)中繼續(xù)燃燒，造成三元催化器高溫失效，甚至燒損。三元催化器高溫失效不可逆，生產(chǎn)企業(yè)和用戶蒙受經(jīng)濟(jì)損失（圖1）。

圖1 催化器燒損后的內(nèi)部殘?jiān)?/p>

2 失火原因分析

發(fā)動(dòng)機(jī)失火原因復(fù)雜，在對(duì)諸多失火模式分析整理后，確定3種導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火的直接原因（圖2）：

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)失火原因分析

（1）點(diǎn)火失??；

（2）EGR率高；

（3）可燃混合氣濃（λ偏濃）。

點(diǎn)火、EGR和可燃混合氣濃度是導(dǎo)致失火背后的深層原因，與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、零部件質(zhì)量和整車標(biāo)定策略都有關(guān)。其中，零部件質(zhì)量涉及點(diǎn)火線圈、火花塞、EGR閥、加熱型氧傳感器、進(jìn)氣質(zhì)量傳感器和噴嘴，覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣、燃?xì)夂忘c(diǎn)火系統(tǒng)。因此，解決零部件故障對(duì)抑制失火十分重要。

在“EGR率高”和“可燃混合氣濃”原因分析中，整車標(biāo)定策略起重要作用。本文結(jié)合具體實(shí)例，從整車標(biāo)定策略角度分析“EGR 率高”和“可燃混合氣濃”問(wèn)題成因和解決方案。

3 EGR標(biāo)定對(duì)失火影響研究

“EGR率高”和重型商用車使用場(chǎng)景復(fù)雜有關(guān)，針對(duì)以下4種場(chǎng)景下失火問(wèn)題進(jìn)行研究：

（1）EGR開(kāi)啟標(biāo)定對(duì)失火影響研究；

（2）抑制高原失火的EGR新策略研究；

（3）抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略研究；

（4）抑制高濕失火的EGR新策略研究。

3.1 EGR開(kāi)啟標(biāo)定對(duì)失火影響研究

EGR 開(kāi)啟標(biāo)定包括延遲標(biāo)定、速率標(biāo)定，結(jié)果直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)混合氣混合比，影響發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能、失火和爆震。建立有效的標(biāo)定策略和方法是標(biāo)定尋優(yōu)的關(guān)鍵。

3.1.1 標(biāo)定方法

首先選取一個(gè)工況點(diǎn)：即轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、負(fù)荷為35%，研究EGR 開(kāi)啟延遲和開(kāi)啟速率的最優(yōu)值，然后研究全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最優(yōu)值。

失火監(jiān)控主要是通過(guò)監(jiān)控參考催化器內(nèi)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，在其內(nèi)部的前、中、后區(qū)域布置9個(gè)熱電偶，監(jiān)控不同位置的溫度，標(biāo)定選取溫度相對(duì)穩(wěn)定的第4、5、6測(cè)溫點(diǎn)（圖3）。

圖3 催化器內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)分布

（1）EGR開(kāi)啟延遲與失火關(guān)系

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)（圖4）顯示，從左到右EGR 開(kāi)啟延遲時(shí)間依次：0.5 s、1 s、1.5 s和2 s，隨著延遲時(shí)間增加：

圖4 EGR開(kāi)啟延遲標(biāo)定數(shù)據(jù)

·EGR率波動(dòng)隨EGR開(kāi)啟延遲縮短而變大：

·延遲時(shí)間0.5 s，EGR率波動(dòng)幅度達(dá)到15%；

·延遲時(shí)間1.5 s，EGR率波動(dòng)幅度降為7%。

催化器內(nèi)中心溫度（4、5、6 測(cè)溫點(diǎn)）與EGR 開(kāi)啟延遲時(shí)間關(guān)系不大，一直比較穩(wěn)定。

結(jié)論：EGR 開(kāi)啟延遲對(duì)失火影響有限，EGR 率變化反應(yīng)出失火趨勢(shì)明顯，但催化器溫度穩(wěn)定，無(wú)明顯失火現(xiàn)象。而且，隨著EGR 開(kāi)啟延遲時(shí)間增加，失火減弱，爆震增加。

（2）EGR開(kāi)啟速率和失火關(guān)系

EGR開(kāi)啟速率用步長(zhǎng)（r/step）表示，試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)（圖5）中，從左到右開(kāi)啟步長(zhǎng)依次為0.04、0.06、0.08和0.1 r/step。隨著步長(zhǎng)增加，EGR開(kāi)啟速率也增加：

圖5 EGR開(kāi)啟速率標(biāo)定數(shù)據(jù)

·催化器中心峰值溫度越高；

·EGR率波動(dòng)幅度越大；

·失火率增加，在速率為0.1 r/step左右，失火率已接近故障診斷限值。

結(jié)論：EGR開(kāi)啟速率比延遲對(duì)失火影響大，開(kāi)啟速率受失火和爆震邊界的約束，各工況下最優(yōu)值不同。

綜上所述，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、負(fù)荷為35%工況時(shí)，EGR參數(shù)如下：

·EGR開(kāi)啟延遲最優(yōu)值為2 s；

·EGR開(kāi)啟速率最優(yōu)值為0.1 r/step。

（3）全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)EGR開(kāi)啟性能

由于EGR開(kāi)啟工況在低負(fù)荷區(qū)，EGR開(kāi)啟性能主要與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。標(biāo)定策略設(shè)計(jì)只考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響。全轉(zhuǎn)速掃點(diǎn)標(biāo)定后，得到本車型EGR開(kāi)啟延遲和EGR開(kāi)啟速率的最優(yōu)值（圖6）。

圖6 EGR開(kāi)啟延遲時(shí)間和速率最優(yōu)值

3.1.2 標(biāo)定應(yīng)用

EGR 開(kāi)啟性能最主要應(yīng)用在整車動(dòng)力性標(biāo)定中。整車動(dòng)力性標(biāo)定要求EGR開(kāi)啟性能數(shù)據(jù)，在整車加速、爆震、失火三者之中尋求最優(yōu)值，達(dá)成平衡。

（1）改進(jìn)前，EGR 從a 點(diǎn)進(jìn)入（圖7），加速過(guò)程中，實(shí)際進(jìn)氣負(fù)荷低于目標(biāo)負(fù)荷8 kPa，達(dá)到目標(biāo)值時(shí)間要12 s，表現(xiàn)為整車動(dòng)力弱，發(fā)動(dòng)機(jī)有失火現(xiàn)象。

圖7 動(dòng)力性標(biāo)定數(shù)據(jù)

（2）改進(jìn)后，EGR 進(jìn)入時(shí)間提前，且速率提升，達(dá)到目標(biāo)值時(shí)間縮短6 s。整車表現(xiàn)動(dòng)力充沛，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)失火和無(wú)爆震現(xiàn)象（圖7）。

3.2 抑制高原失火的EGR新策略研究

3.2.1 問(wèn)題描述

重型車在瞬態(tài)工況下負(fù)荷變化大，EGR、空氣和燃?xì)怆y以實(shí)現(xiàn)“三氣”的理論配比，發(fā)動(dòng)機(jī)易發(fā)生失火。特別在高原低氣壓環(huán)境下，進(jìn)氣壓力上升緩慢，發(fā)動(dòng)機(jī)更易發(fā)生失火。輕型車失火標(biāo)定策略使用“需求負(fù)荷計(jì)量實(shí)際EGR率”的EGR計(jì)量策略，適用負(fù)荷變化小、路況單一的車型，不能適用重型車多車型、復(fù)雜路和多工況場(chǎng)景（表1），在高原低氣壓環(huán)境下失火問(wèn)題明顯放大[2]。因此，提高瞬態(tài)下“三氣”的相互跟隨性，是抑制瞬態(tài)失火的關(guān)鍵。

表1 重型車和輕型車特征對(duì)比

3.2.2 新標(biāo)定策略和效果

輕型車策略使用在重型車上，瞬態(tài)會(huì)出現(xiàn)實(shí)際負(fù)荷跟隨需求負(fù)荷延遲大，進(jìn)而實(shí)際EGR 跟隨需求EGR 有延遲，瞬態(tài)下空氣與EGR 配比失衡，導(dǎo)致失火。

新策略核心是“實(shí)際負(fù)荷計(jì)量實(shí)際EGR率”，直接使用進(jìn)氣負(fù)荷傳感器測(cè)得實(shí)際負(fù)荷，以實(shí)際負(fù)荷為基礎(chǔ)計(jì)算實(shí)際EGR 率，更接近實(shí)際需求量，根本解決瞬態(tài)失火問(wèn)題（圖8）。

圖8 EGR瞬態(tài)標(biāo)定新策略

標(biāo)定策略改進(jìn)前后，在海拔2 800 m 的高原地區(qū)進(jìn)行了連續(xù)換擋工況試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 高原連續(xù)換擋標(biāo)定數(shù)據(jù)

原策略下，瞬態(tài)工況下EGR 率異常波動(dòng)、催化器內(nèi)部高溫、失火率增加、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)，失火情況嚴(yán)重。

新策略下，EGR 率波動(dòng)減小、催化器內(nèi)部溫度降低、失火率減小、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。失火風(fēng)險(xiǎn)降低，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 連續(xù)換擋加速數(shù)據(jù)分析（海拔高度為2 800 m）

3.3 抑制EGR閥化冰后失火的EGR新策略

3.3.1 問(wèn)題描述

天然氣燃燒產(chǎn)物中水含量多，低溫寢車后，會(huì)出現(xiàn)EGR 閥內(nèi)部結(jié)冰現(xiàn)象（圖10）。車輛行駛前要對(duì)EGR 閥做化冰處理，化冰后的大量水瞬間激增，車輛加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)失火風(fēng)險(xiǎn)加大，嚴(yán)重影響車輛行車。

圖10 EGR閥低溫結(jié)冰

化冰后EGR 閥開(kāi)啟,水進(jìn)入氣缸后，失火造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速劇烈波動(dòng)，并觸發(fā)了失火保護(hù)（圖11）。

圖11 EGR閥化冰后失火標(biāo)定數(shù)據(jù)

3.3.2 新標(biāo)定策略和效果

新策略從結(jié)冰預(yù)防、化冰標(biāo)定2 方面優(yōu)化升級(jí)，提前采取措施降低EGR 閥結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，化冰后采取根據(jù)EGR 結(jié)冰嚴(yán)重程度限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出、調(diào)整監(jiān)控等級(jí)措施，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)安全，保證行車安全（表3）。

表3 EGR化冰失火標(biāo)定策略

新策略應(yīng)用后，在不改變EGR 閥布置前提下，環(huán)境溫度高于-25 ℃，EGR閥化冰后發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，方案已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用。

3.4 抑制高濕失火的EGR新策略

3.4.1 問(wèn)題描述

在高濕、高熱環(huán)境下，濕熱空氣在中冷器內(nèi)冷凝，冷凝的水跟隨混合氣進(jìn)入燃燒室，燃燒過(guò)程中也產(chǎn)生大量水，導(dǎo)致出現(xiàn)失火現(xiàn)象[3]。本機(jī)型在不同濕度下，額定功率點(diǎn)性能變化如下（圖12）：

圖12 缸壓和放熱率的濕度特征

（1）燃燒重心推遲上止點(diǎn)前2.2°；

（2）燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)到上止點(diǎn)后2.6°；

（3）循環(huán)變動(dòng)增加0.7%；

（4）氣缸壓力平均下降12%；

（5）放熱率下降14%。

3.4.2 新標(biāo)定策略和效果

在海南高濕環(huán)境下失火問(wèn)題：在環(huán)境溫度為30 ℃、絕對(duì)濕度22 g/kg 條件下，穩(wěn)態(tài)行駛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～1 500 r/min行駛時(shí)出現(xiàn)高濕失火現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)幅度超過(guò)10%。

新策略將潮濕空氣作為惰性氣體處理。濕度偏大時(shí)，適當(dāng)降低實(shí)際EGR率，保持總EGR率不變。降低高濕度下失火風(fēng)險(xiǎn)；濕度降低，實(shí)際EGR率再恢復(fù)正常。

新策略應(yīng)用后，試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)顯示：

（1）環(huán)境溫度為30 ℃；

（2）絕對(duì)濕度24 g/kg。

EGR 率減少3.5%，抵消濕度過(guò)高的影響，失火消除（圖13）。

圖13 高濕失火標(biāo)定數(shù)據(jù)

4 λ標(biāo)定對(duì)失火影響研究

λ偏濃易失火，此時(shí)多余甲烷后燃，可能造成催化器失效或燒損。λ偏差標(biāo)定的要求在±3%內(nèi)。

4.1 λ偏差成因

λ偏差成因和標(biāo)定精度、硬件狀態(tài)、環(huán)境溫度和壓力以及天然氣氣質(zhì)差異因素有關(guān)。整理分析相關(guān)失火問(wèn)題后，確定λ偏差的7方面主要原因：

（1）瞬態(tài)油量偏差；

（2）進(jìn)氣模型偏差；

（3）噴嘴流量偏差；

（4）開(kāi)環(huán)標(biāo)定偏差；

（5）緩沖罐泄漏；

（6）點(diǎn)火系統(tǒng)故障；

（7）傳感器故障。

4.2 怠速開(kāi)環(huán)標(biāo)定

4.2.1 問(wèn)題描述

開(kāi)環(huán)標(biāo)定偏差，主要在冷起動(dòng)后的怠速工況。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，氧傳感器在露點(diǎn)達(dá)到溫度前的工作，稱為λ開(kāi)環(huán)工作，環(huán)境溫度越低開(kāi)環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)。此時(shí)，進(jìn)氣溫度低、機(jī)油粘度大、附件阻力大，無(wú)油量閉環(huán)修正的λ值，極易出現(xiàn)偏差[4]。

怠速開(kāi)環(huán)的基礎(chǔ)標(biāo)定在熱機(jī)下完成，核心標(biāo)定工作是確認(rèn)λ失火邊界。

4.2.2 熱機(jī)怠速λ開(kāi)環(huán)標(biāo)定

（1）λ失火邊界評(píng)估

怠速工況最直接評(píng)估λ值合理性的參量是催化器內(nèi)部溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化率，可作為λ邊界的評(píng)價(jià)指標(biāo)（表4）。

表4 熱機(jī)怠速λ邊界評(píng)價(jià)指標(biāo)

（2）λ邊界標(biāo)定

當(dāng)λ<1 時(shí)，順序設(shè)定λ為1、0.95、0.9、0.85、0.8、0.75。

當(dāng)λ>1時(shí)，順序設(shè)定λ為1.05、1.1、1.15、1.2、1.25。

當(dāng)λ<1時(shí)，隨著λ濃度升高，催化器溫度急劇上升，當(dāng)達(dá)到λ達(dá)0.75時(shí)，溫度升至800 ℃，超過(guò)催化器失效溫度，失火趨勢(shì)加劇。

λ>1，隨著λ濃度減稀，催化器內(nèi)部溫度平穩(wěn)，由于天然氣機(jī)λ稀燃邊界約為1.57，λ裕度充足，怠速可適當(dāng)偏稀，對(duì)催化器安全和發(fā)動(dòng)機(jī)氣耗都有益處（圖14）。

圖14 怠速λ邊界標(biāo)定試驗(yàn)采集曲線

在熱機(jī)怠速工況下，λ與轉(zhuǎn)速波動(dòng)和催化器溫度的統(tǒng)計(jì)曲線見(jiàn)圖15。

圖15 怠速λ與評(píng)價(jià)指標(biāo)

分析λ、催化器溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)后，熱機(jī)怠速λ為0.97～1.04，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)失火，運(yùn)行平穩(wěn)安全。

4.2.3 暖機(jī)怠速λ開(kāi)環(huán)標(biāo)定

（1）λ標(biāo)定難點(diǎn)

·暖機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩不斷變化；

·暖機(jī)轉(zhuǎn)速逐步減?。?/p>

·大排量發(fā)動(dòng)機(jī)怠速各缸燃燒循環(huán)變動(dòng)大；

·燃?xì)?、點(diǎn)火硬件一致性差異。

以上因素疊加，暖機(jī)比熱機(jī)標(biāo)定難度大。暖機(jī)開(kāi)環(huán)標(biāo)定要借助λ計(jì)量設(shè)備，時(shí)時(shí)監(jiān)控開(kāi)環(huán)λ變化值。

（2）λ邊界標(biāo)定

·暖機(jī)怠速催化器溫度邊界與熱機(jī)相同；

·暖機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)a，隨著環(huán)境溫度降低，要適當(dāng)放寬2%～5%。

環(huán)境溫度-10 ℃時(shí)，λ開(kāi)環(huán)到閉環(huán)全過(guò)程怠速試驗(yàn)采集曲線見(jiàn)圖16。

圖16 怠速標(biāo)定采集曲線（-10 ℃）

從試驗(yàn)采集曲線看出，開(kāi)環(huán)到閉環(huán)λ值過(guò)渡平穩(wěn)，閉環(huán)時(shí)刻自學(xué)習(xí)斜率>0.95，截距系數(shù)<0.05。過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定無(wú)失火，按照暖機(jī)怠速邊界要求，確定暖機(jī)怠速的開(kāi)環(huán)λ值范圍是0.95～1.08，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行正常，無(wú)失火，滿足工程目標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于實(shí)際天然氣汽車失火問(wèn)題展開(kāi)研究，圍繞問(wèn)題涉及的國(guó)六失火標(biāo)定技術(shù)短板深入分析，提出解決方案，效果明顯，已完成技術(shù)落地，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用。本文涉及的失火技術(shù)具有普遍代表性，對(duì)解決類似車型失火問(wèn)題具有借鑒意義。