微型汽車零部件設計對整車電控標定影響的分析

武 斐 陳國棟 王 昊 王桂洋 袁忠莊

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

1 前言

微型汽車具有空間大、承載質量大等功能要求，因此其結構設計上有許多不同于轎車的地方。同時，微型汽車的面向群體決定了其必須有更低的價位，而低價位可能會對整車零部件的質量產生影響。本文結合V70整車標定中的實際經驗，總結出影響微型汽車整車標定性能的關鍵零部件：油泵總成、發電機、觸媒、真空助力器、傳動系等，并闡述了這些零部件對整車標定的影響。

2 油泵總成對整車標定的影響

汽油機燃油系統如圖1所示。圖1中，油泵總成的兩個零部件質量對其性能影響最大：一是單向閥，二是調壓閥。單向閥的作用是，當油泵停止工作時，立即阻止油管、燃油導軌中的燃油回流，保持油管、燃油導軌中有一定的壓力；調壓閥的作用是，在油泵工作時，始終保持油管中的油壓與大氣壓的壓差恒定[1]。

2.1 油泵總成保壓能力對整車標定的影響

燃油壓力與燃油溫度的關系如圖2所示。從圖2中可以看出，燃油壓力越低，產生燃油蒸氣所需要的溫度就越低。當油管中產生蒸氣時，燃油供給就會不連續甚至中斷，即發生“氣阻”，使高溫熱起動的時間明顯變長，甚至起動失敗。

表1是海南熱帶適應性標定中燃油導軌中燃油溫度的測試結果。從表1中可以看出，燃油溫度可以達到57～75℃。這種情況下，如果燃油壓力低于200 kPa，就會產生“氣阻”。

表1 燃油溫度測試結果

當車輛停放一天后，如果油泵總成的保壓能力差，則油管、燃油導軌中的燃油壓力會很低，甚至沒有壓力。當起動發動機時，需要一段時間在油管和燃油導軌內建立正常工作油壓，而在油壓的建立過程中，實際噴油量減少，使得可燃混合氣偏稀，造成發動機燃燒不良、起動時間偏長。

按照國家排放法規進行排放測試可知，在起動及起動后初期，排放物中THC占到整個工況循環的一半以上[2]。如果這個時期THC排放不能得到有效控制，整個排放循環的THC排放很難達到法規要求。

2.2 油泵總成工作油壓對整車標定的影響

很多國外電控系統供應商要求工作油壓控制在324±5 kPa以內，但實際上，油泵總成國產化后，工作油壓很難控制在此范圍以內，通常情況下油泵壓力只能控制在324±15 kPa。挑選出工作油壓為324 kPa的試驗車為標定樣車，安裝中間公差的噴油器、T-MAP、氧傳感器，標定空燃比反饋調整量fafav為0。那么，當工作油壓出現偏差時，空燃比反饋調整量fafav的計算公式為：

式中，pfr為燃油導軌中的燃油壓力；pasub為進氣壓力與大氣壓的差值，即真空度。

由圖3可知，當工作油壓為310 kPa或340 kPa時，空燃比反饋調整量超過了±2%?？紤]噴油器、TMAP傳感器、氧傳感器和發動機制造等公差，空燃比反饋調整量偏差很容易超出±（5%～6%），對排放標定造成較大難度。

3 發電機對整車標定的影響

3.1 對怠速穩定性標定的影響

圖4是發電機的輸出電流和輸入扭矩與轉速的關系曲線。從圖中可知，怠速無負載狀態時，發電機只使用了發電能力的一部分，當外部負載所需要的電流增加時，發電機將從發動機獲取更多的輸入扭矩，從而引起發動機轉速的下降。

3.2 對起動標定的影響

在發動機起動時，起動機要消耗蓄電池大量電流，使蓄電池處于饋電狀態。當起動成功后，發電機開始發電并對蓄電池充電，如果充電電流過大，則會消耗發動機更大扭矩，引起發動機轉速下降（圖5），造成車輛起動性能惡化。

3.3 對排放標定的影響

如果發電機發電效率得到提高，就會消耗更少的機械能，從而實現更低油耗和更低排放。目前使用的傳統發電機，在整個工作區間內的平均效率低于50%，而改進后的發電機在整個工作區間內的工作效率可以達到70%以上[3]。

從圖6可以看出，在相同的標定數據下，采用原發電機，怠速開大燈時，發動機轉速由700 r/min下降到580 r/min左右，轉速波動超過100 r/min；采用改進后的發電機，發動機的轉速由700 r/min下降到650 r/min以上，轉速波動在50 r/min以內，其結果滿足工程目標要求[4]。

4 觸媒安裝位置對整車標定的影響

微型汽車發動機觸媒一般布置在駕駛室座椅下面，并且傾斜一定的角度，由于空間有限，較少能采用緊耦合方式布置，而是把觸媒安裝在相對靠后的位置（圖 7）。

觸媒的安裝位置與排放標定密切相關，在觸媒達到起燃溫度以前，觸媒對排放物幾乎沒有任何凈化作用，排放物全部排放到大氣中。試驗結果表明，該時間段的排放占到整個排放循環的一半以上。因此，使觸媒盡快達到起燃溫度是排放達標的關鍵所在。

觸媒的升溫完全靠排氣加熱，如果觸媒安裝位置太靠后，排氣到達觸媒時必然損失大量熱量，造成觸媒達到起燃溫度的時間大大延長。通常，在進行充分標定并且標定數據較為合理的情況下，采用緊耦式觸媒布置方案時，觸媒達到起燃溫度的時間約為20～25 s，而采用上述布置方式時觸媒達到起燃溫度時間約為 50～70 s。

在國Ⅳ的排放標定過程中，觸媒采取原布置方案，盡管采取了推遲點火角、提高目標怠速轉速、精確控制空燃比等多項觸媒加熱和降低原始排放的措施，THC排放始終在限值的70%左右，無法達到限值58%的工程目標。

發動機設計部門對排氣歧管進行了改進設計，將觸媒安裝位置往前提了約80 mm。從圖8中可以看出，僅僅縮短80 mm的長度，觸媒達到起燃溫度時間由原來的60～70 s縮短至50 s左右，THC排放也隨之滿足了工程目標要求。

5 真空助力器對整車標定的影響

5.1 真空助力器工作過程簡介

圖9a是發動機工作時真空助力器的狀態，此時真空助力器的腔體（A腔和B腔）通過真空單向閥與節氣門后相通，所以這時腔體內部具有一定的真空度。當踩動制動踏板時，密封裝置將A腔與B腔隔離開，見圖9b；當進一步踩動制動踏板時，真空助力器的B腔進入空氣，而A腔仍然保持真空，由于兩者之間有壓差，從而產生助力作用[5]，見圖9c。

5.2 真空單向閥的作用

當發動機工作時，由于節氣門部分開啟，則節氣門后有一定的真空度。這時，真空助力器的單向閥兩側產生一定的壓差，從而單向閥開啟，真空助力器腔體內的空氣流向節氣門后，進而進入發動機參與燃燒。

當發動機熄火以后，節氣門后氣壓等于大氣壓，而真空助力器腔體內仍有一定的真空度，但是由于單向閥的存在，節氣門后面的氣體無法進入真空助力器腔體，則真空助力器仍然保持一定的真空度。所以，即使車輛放置了一段時間，在發動機起動前，踩動制動踏板仍然感覺很輕，但是連續踩幾次后，隨著真空助力器內部的真空度逐漸減小，真空助力器也隨之失去助力作用。

如果真空單向閥的質量不好，或者與大氣相通的密封裝置（圖10）密封較差，那么外部大氣必然會緩慢進入真空助力器，造成真空助力器內部氣壓逐漸與大氣壓相當。

在上述情況下起動發動機，當節氣門后產生真空度時，真空助力器內部的氣體會瞬間流入節氣門后，而從節氣門后進入的氣體是不受節氣門控制的，所以這些“多余”氣體的進入，必然會造成發動機工作的異常。

5.3 對整車標定的影響

5.3.1 對常溫起動標定的影響

圖11是在其它條件相同的情況下，起動前踩制動踏板次數不同時，發動機起動轉速的對比曲線。從圖11中可以看出，隨著踩制動踏板次數增多，真空助力器的真空度降低越多，從而起動后從真空助力器“抽”進的氣體就越多，造成發動機的上升轉速升高。

5.3.2 對排放標定的影響

在進行排放測試前，需要人力把車輛從浸車間推入轉鼓間。由于車輛停放的位置不同，車輛到達轉鼓間的路線也不同，有時可以直接進入轉鼓間，而有時可能需要多次調頭才能進入，在這個過程踩制動踏板的次數必然不同。

通過小型排放分析儀，對起動時的THC排放進行測量，所得結果如圖12所示。從圖12可以看出，兩者的THC峰值相差近200×10-6。

5.3.3 對低溫起動標定的影響

在低溫情況下，真空助力器的單向閥容易出現故障，表現為：第1次開啟困難，即在起動后一段時間單向閥才突然開啟，從而引起轉速在下降的過程中出現突然的上升；當此單向閥首次開啟成功后，再進行啟動時，這種現象不會再出現。

圖13是寒區適應性標定中單向閥出現故障時的采集記錄。從圖中可以看出，低溫起動成功后，在轉速向目標怠速緩慢回歸的過程中，轉速突然出現一個上升，上升轉速超過200 r/min。

6 傳動系對整車標定的影響

由于微型汽車結構和功能的特殊性，大多采用發動機前置后驅的方式，其中一大特點是長傳動軸貫穿前、后（圖14）。因此，傳動軸的設計和質量，以及輪胎與車輪的質量，都會對整車標定產生影響。原因是，當車輛行駛時，路面阻力及激勵會通過傳動系反作用于發動機，引起發動機轉速的波動，其傳遞路線為輪胎→后橋→傳動軸→變速器→發動機。

在OBD標定過程中，當發動機轉速超過2 000 r/min后，車輛振動明顯，發動機轉速呈現出明顯的周期性波動（圖15）。周期性波動大，不僅大大降低了整車的舒適性，更嚴重的是ECU會誤判車輛發生失火，從而引起故障燈點亮，使車輛進入故障模式。為防止發生失火誤判，可以放寬失火診斷門限，所帶來的負面效應是真正發生失火時不能及時檢出。

為分析問題，對圖15a進行局部放大，發現發動機轉速波動量仍然具有明顯的周期性（圖15b）。對圖15b中的曲線進行統計可知，發動機轉速變化周期恰好與車輪轉動周期一致，因此推測此現象是由車輪的周期性跳動造成的。

原用車輪的輪轂為鋼制輪轂，容易發生變形，同時微型汽車載質量較大，變形問題更為突出。在更換為鋁合金輪轂后，發動機轉速的周期性波動消失，整車舒適性也得到明顯改善，OBD失火標定得以順利完成。

1 （日）藤遲英也.最新電控汽油噴射.北京：北京理工大學出版社，2000.

2 李晶華，高俊華.汽油車低溫冷起動和常溫冷起動排放特性的對比分析.汽車技術， 2007（4）:25～28.

3 張科勛，童毅.一體式起動發電機系統概述.汽車工程，2005，27（3）:377～380.

4 Q/CACBD—17.111111—2002汽車駕駛性感覺評價方法及標準.

5 史立偉，張學義.汽車真空助力泵設計.機械設計與制造，2008（4）:1～2.