车辆起动过程发动机空燃比曲线控制优化

段震中 邹雄辉 吴志武 李 凯 涂小斐

（1-上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心 上海 200438 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

所谓起动是指从驾驶员拧动点火钥匙开始，一直持续到发动机转速上升至起动结束的转速，并能维持自身运转的过程。如果车辆在环境中放置时间在8 h 以上，即认为车辆已完全冷机，此时的起动过程可以认为是冷起动[1]。冷起动过程产生的HC 和CO 排放对点燃式发动机整车排放贡献量极为突出。此时，氧传感器表面的液态水未蒸发完全而不能进入闭环控制，排气温度也未达到三元催化器的起燃温度，最终的结果是把产生的大量HC 排进大气，导致污染。所以，整车的排放控制很大程度上依赖于控制冷起动空燃比[2]。

本文针对某型号发动机起动阶段的空燃比曲线出现类似“W”形状的问题进行了研究，提出了一种通过控制燃油衰减因子来优化空燃比表现的方法，然后通过大量的标定和测试验证，使发动机空燃比曲线形状优化。

1 起动控制原理

起动控制一般有起动喷油控制、起动进气控制和起动点火控制3 种控制手段。

起动喷油控制的基本原理如下[1]：对于放置时间在8 h 以上的车辆（低温情况下更加显著），发动机燃烧室壁面上的油膜已完全挥发，且此时温度较低，大部分喷射的燃油会与燃烧室壁面直接接触形成油膜，大大降低了可燃混合气的形成。为了保证足量的可燃混合气，需要增大喷油量。但过多的燃油会产生积炭。积炭在冷机时吸附汽油分子，使空燃比偏大；发动机热机后，释放之前吸附的汽油分子，导致空燃比偏小[3]。值得一说的是，汽油的挥发性与温度有很大关系，其挥发性能的好坏直接影响空燃比[4]。起动完成后，随着发动机着火燃烧的进行，发动机内部的温度逐渐升高，此时油膜的影响越来越小。所以，在起动后及暖机过程，需要对喷油量进行衰减，既要满足发动机运行需求，又不会使混合气偏浓。图1 为起动、起动后以及暖机过程中喷油量的变化规律。

图1 起动、起动后及暖机阶段喷油量的变化规律

起动进气控制的基本原理如下[1]：起动时，发动机需要克服内部的摩擦阻力，此部分阻力由机油粘度导致且低温下较为显著。摩擦阻力在起动完成后的发动机运行过程中，随机油温度的升高而逐渐减小。为保证起动可靠，发动机在冷起动时通常略微增加进气量，同时适当增加喷油量，保证起动成功。

起动点火控制的基本原理如下[1]：在发动机最初点火时，点火提前角要适当减小，防止活塞到达上止点前燃烧室内压力过大；转速上升阶段，点火提前角应适当加大，便于控制转速上升的斜率，使转速上升曲线尽量平滑。起动时点火提前角无论如何设定，都要求最终输出值能保证混合气可靠着火。

研究表明，采用二次喷射策略可以改善直喷汽油机缸内混合气的分布,进而改善燃烧稳定性,提高车辆起动性能且降低排放[5]。

理想的冷起动空燃比曲线形状应该是：随着发动机转速的上升，空燃比快速下降至最低。当发动机转速上升到最高点后开始回落时，空燃比由最低状态逐渐上升。当发动机转速回落到怠速转速之后，空燃比曲线在1（理论空燃比）附近波动。

空燃比曲线的形状随着发动机转速的变化如图2 所示。当空燃比处于1 附近时，三元催化转换器对CO、NOx、HC 3 种污染物的转换效率最高，可达90%左右。因此，需要精确控制空燃比曲线[6]。冷起动空燃比的控制实际上是起动喷油控制和起动进气控制综合作用的结果。

图2 起动及起动后空燃比曲线示意图

2 问题描述

某款动力总成配置为1.5 L 自然吸气发动机搭载6 速手动变速箱，在检查10 ℃冷起动时发现，空燃比曲线呈“W”形状，如图3 所示（图中，红色曲线为转速，绿色曲线为空燃比）。空燃比下降到最低后，在向1 提升的过程中再次降低，出现第2 次下降到最低，曲线呈现类似“W”形状。本文就空燃比曲线呈现“W”形状的问题进行了分析，通过大量的标定测试和验证，提出了优化的新思路，最终使空燃比曲线形状得到优化，解决了问题。

图3 起动空燃比曲线呈“W”形状

3 问题分析及测试

众所周知，在保持起动进气控制不变的情况下，空燃比曲线的形状取决于起动喷油的控制。起动喷油控制包括起动喷油系数f1和起动后喷油系数f2的控制。

起动喷油系数f1的计算公式为：

式中：FST 为起动加浓系数。

起动后喷油系数f2的计算公式为：

式中：FSM 为起动后加浓系数；nstr 为衰减系数。

对于本文中空燃比曲线出现类似“W”的形状，解决措施是对起动后阶段的喷油量进行快速衰减，使空燃比在第一次下降到最低后逐渐向1 提升的过程中不再下降。具体的方法是减小起动后阶段加浓系数FSM 以及加大衰减系数nstr，即加大衰减因子（FZSM1，FZSM2，FZSM3）。根据这一思路，作者对各个标定参数组合调整，进行了大量的测试研究。

3.1 调整起动后阶段衰减系数

冷起动时，将FZSM1 和FZSM2 同时加大40%和80%，见表1。

表1 针对起动后阶段FZSM1 和FZSM2 的喷油调整 %

结果发现，单纯加大衰减系数nstr，作用不明显，空燃比曲线依然维持类似“W”的形状。具体图形如图4 和5 所示。

图4 FZSM1 和FZSM2 都加大40%

由图4 和图5 可知，发动机进入起动后阶段，缸内混合气较浓，通过加大起动后的衰减系数FZSM1和FZSM2 的方式，没能有效降低缸内混合气的浓度，故而对起动后发动机转速的快速回落影响较小。

图5 FZSM1 和FZSM2 都加大80%

3.2 综合调整起动和起动后阶段加浓系数和衰减系数

作者尝试综合调整起动加浓系数FST、起动后加浓系数FSM、起动后加浓衰减因子FZSM1 和FZSM2，试图将空燃比曲线所显现的“W”形状优化成理想的空燃比曲线形状。调整的思路是：减小起动后加浓系数FSM 和加大2 段起动后加浓衰减因子FZSM1 和FZSM2。调整参数见表2。

表2 针对起动及起动后阶段喷油调整 %

结果发现，直至发动机在暖机过程中出现抖动（空燃比也抖动），空燃比在起动后阶段仍然呈现“W”的形状，具体见图6～图8。

图6 FSM 减小30%

图6 为FSM 减小30%的工况，图7 为FSM 减小30%、FZSM1 加大30%的工况。

图7 FSM 减小30%、FZSM1 加大30%

与图6 相比，图7 中，由于起动后的加浓衰减因子FZSM1 增大了30%，混合气的浓度略有降低，但混合气仍然处于较浓的状态，故而起动后的加浓系数FSM 仍需要减小。

图8 为FSM 减小50%、FZSM1 和FZSM2 都加大30%的工况。

图8 FSM 减小50%，FZSM1 和FZSM2 都加大30%

与图7 相比，图8 中，起动后，缸内混合气的空燃比进一步向1 靠近，混合气过浓的状态改善有限，结果是发动机的转速下降缓慢，空燃比在起动后阶段仍然呈现“W”的形状。

通过增加起动加浓系数FST，导致发动机起动时转速上升更高。配合大幅减小起动后加浓系数FSM，最终缸内混合气浓度降低。但最终结果仍然不理想，起动后的发动机转速下降依然迟缓。如图9所示。

图9 FST 增加20%、FSM 减小70%

表3 汇总了作者对起动及起动后阶段喷油量进行调整所做过的其它研究测试。

表3 针对起动后阶段喷油调整的其它尝试组合 %

增大FST，可以使空燃比下降到低于最低值；增大FSM、FZSM1 和FZSM2，可以使空燃比下降至最低后快速回升到理论空燃比。但空燃比曲线的整体形状还是保持“W”形状。因此，重点针对起动后阶段喷油量进行调整的思路不能解决空燃比曲线呈“W”形状的问题，必须转换思路。

3.3 问题再分析及解决

通过横向对比其他项目的发动机空燃比曲线发现，其他项目的空燃比曲线下降至最低是在转速上升到最高转速之后，而本文的空燃比曲线第1 次下降至最低发生在转速上升到最高转速以前。对于本文空燃比曲线呈现的“W”形状，作者默认第1 次下降至最低是正常的，然后尝试多种调整起动后阶段喷油量的方案，希望空燃比曲线在上升的过程中不要再次下降，但实际空燃比曲线依旧会再次下降。转换思路，如果认为空燃比曲线第2 次下降至最低是正常的（此时，空燃比下降至最低发生在转速上升到最高转速之后，与横向对比的项目表现一致），那么第1 次空燃比下降至最低则是由于起动阶段油量太多，应当减小起动阶段加浓系数FST。按照这种思路进行调整后，问题得到了解决。

图10 为调整好的起动曲线。

图10 调整好的起动曲线（FST 减小10%）

从图10 可以看出，按照对起动阶段加浓系数FST 进行减小的思路，空燃比曲线呈现比较理想的形状。

4 结论

1.5L 自然吸气发动机搭载6 速手动变速箱，10 ℃的冷起动阶段空燃比曲线出现类似“W”的形状，原因是起动阶段加浓系数FST 偏大，起动阶段的喷油量过大，导致空燃比在正常下降至最低之前出现一次异常下降至最低。解决措施是减小起动阶段加浓系数FST，使空燃比曲线呈现出比较理想的形状。