增壓發(fā)動機匹配AT整車國五排放標定研究

胡俊 黃偉 孫倫業(yè) 郭文松 劉文彬

摘要：搭載AT（自動變速器）的車輛具有操作簡單、駕駛輕便、易于實現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點；增壓發(fā)動機在不增加發(fā)動機排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。分析了搭載渦輪增壓發(fā)動機和AT（自動變速器）整車的特點，識別了國五排放和國四排放標準的不同，基于BOSCH ME7發(fā)動機管理系統(tǒng)排放控制策略，提出了一種應(yīng)對國五排放的標定試驗方法。該方法通過采用緊耦合催化器、對發(fā)動機空燃比、點火提前角、催化器加熱的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、三元催化器轉(zhuǎn)化效率精細標定的優(yōu)化，使某型搭載渦輪增壓發(fā)動機和自動變速箱車輛達滿足國五排放法規(guī)新鮮排放限值的70%的要求。

關(guān)鍵詞：AT；增壓發(fā)動機；發(fā)動機管理系統(tǒng)；國五排放；試驗

搭載AT（自動變速器）的車輛具有操作簡單、駕駛輕便、易于實現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點；增壓發(fā)動機在不增加發(fā)動機排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。因此同時搭載自動變速箱和渦輪增壓車型，其動力性、經(jīng)濟性、駕駛簡便等方面存在較大優(yōu)勢。在整車開發(fā)過程中，一個很重要的環(huán)節(jié)是整車排放的標定和優(yōu)化。為了節(jié)約開發(fā)時間和成本，往往將搭載其他變速器（MT/DCT/CVT）車型的排放標定數(shù)據(jù)移植到AT車型上，在此基礎(chǔ)上再針對AT的特點進行精調(diào)。本文以某型搭載AT的車型為例，探討了有針對性的優(yōu)化這個階段的排放以達到國五法規(guī)要求的方法。試驗結(jié)果表明，通過大量的優(yōu)化工作，該車型新鮮催化器的排放結(jié)果可以達到國五限值70%以內(nèi)，滿足開發(fā)工程目標要求。

1.國五法規(guī)分析

國五針對國四排放，要求控制的污染物增加了NMHC（非甲烷碳氫）和PM（顆粒物）兩類（見表1）。對于非直噴汽油機而言，國五排放主要受制于NMHC。由于甲烷通常占THC的10%左右，按照NMHC限值為O.068 g/km，相當于THC限值則為0.075g/km。NO。也加嚴到了0.06g/km。國五的劣化系數(shù)也較國四更加嚴格（見表2）。

在發(fā)動機平臺沒有革命性的升級隋況下，國五排放的污染物限值和嚴格的裂化系數(shù)對增壓發(fā)動機通過排放限值提出了很高的挑戰(zhàn)。

2針對國五排放的相關(guān)匹配

2.1匹配車輛

標定用發(fā)動機為4缸16氣門，廢氣渦輪增壓，變速器采用4AT，其基本參數(shù)及三效催化轉(zhuǎn)化器體積參數(shù)如表3所示。

2.2排放測量設(shè)備

試驗車輛置于AVL底盤測功機試驗臺上，按照國五排放測試循環(huán)運行，試驗車輛排出廢氣經(jīng)過稀釋后進人CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)。

2.3搭載自動變速器對排放的影響

自動變速器采用液力變矩器和傳動齒輪傳遞動力，其驅(qū)動機構(gòu)還包含油泵等耗能元件，所以搭載AT的發(fā)動機的負荷比搭載手動變速器車輛的要大。在國五排放循環(huán)的起動階段，催化器還沒有達到起燃溫度，其內(nèi)部的化學反應(yīng)的速率還很慢，此時的發(fā)動機排放取決于發(fā)動機本身的原始排放。基于此，搭載AT的整車將在起動階段產(chǎn)生更多的原始污染物，必須進行有針對性的排放匹配，才能通過苛刻的國五排放法規(guī)要求。某AT車輛和與其僅有變速器型式差異的MT車型在排放試驗中一段工況的負荷對比如圖1所示，可以明顯看到AT車型負荷要大于MT車型。

國五測試循環(huán)中對AT車輛的操作方法和MT車型也有所區(qū)別。法規(guī)規(guī)定，AT車型在試驗開始時設(shè)置好檔位選擇器后，在試驗期間，任何時候不得再操作檔位選擇器，除非發(fā)生加速動作不能在規(guī)定時間內(nèi)完成才可以按照MT的要求，操作檔位選擇器。這就意味著AT車型在排放測試循環(huán)的怠速工況中，一直處于D檔狀態(tài)，而D檔的負荷又大于N檔，這同樣加劇了AT車型的排放惡化問題。

2.4催化器布置形式選擇

試驗車型采取高目數(shù)緊湊耦合催化器布置形式，其中前級轉(zhuǎn)化器和后級催化器采取和排氣歧管緊耦合裝配方式。緊湊耦合的前級催化器高目數(shù)、體積小、熱容小、起燃溫度低，可以實現(xiàn)催化器起燃溫度較快的目的，以更快的凈化起動后的排放。后級催化器體積一般較前級大，可以更加有效的處理發(fā)動機高速段廢氣的排放。

3應(yīng)對國五排放的方案

針對前述的搭載廢氣渦輪增壓發(fā)動機和AT變速器對排放匹配的獨特影響以及催化器的布置型式，通過以下三種標定手段滿足要求。

3.1啟動和暖機階段空燃比精調(diào)

國五排放測試循環(huán)在發(fā)動機起動后立刻開始采樣，此時三元催化器沒有到達其起燃溫度，其內(nèi)部的化學反應(yīng)不能有效進行，發(fā)動機排放很大程度上取決于其原始排放。所以在保證發(fā)動機能正常起動的前提下，即發(fā)動機不出現(xiàn)啟動失火的前提下，可以采取一定程度過量空氣系數(shù)大于1的稀燃（一般不超過1.05），可以降低HC及CO的排放。于此同時還要在此噴油系數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)減稀20%。以檢查發(fā)動機運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以免油品質(zhì)量問題影響車輛的啟動及怠速穩(wěn)定性。制造一致性較好及排量較大的發(fā)動機具有較好的怠速穩(wěn)定性，可以選取較大的暖機過量空氣系數(shù)。

排放點起動的過量空氣系數(shù)可以通過發(fā)動機管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匹配來精調(diào)。按照上述原則，在起動及暖機未閉環(huán)階段，設(shè)置合適的暖機目標過量空氣系數(shù)（1.05以內(nèi)），調(diào)整合適的發(fā)動機倒拖阻力矩系數(shù)，并依次分3階段調(diào)整暖機后噴油加濃系數(shù)，最終找到排放最佳的暖機目標過量空氣系數(shù)及噴油系數(shù)。四次排放測試過程中起動時過量空氣系數(shù)的變化曲線和排放測試結(jié)果如圖2和表4所示。起動后3s內(nèi)排放測試1過量空氣系數(shù)達到1.02，測試2為0.92，測試3為0.90，測試4為0.86。對排放結(jié)果的影響可從表4明顯看出，排放測試1中HC及CO的排放值比排放測試2、3、4相比較都要低。起動過量空氣系數(shù)對排放的影響主要是因為起動過程中HC和CO的排放主要來源于燃料的不完全燃燒，所以過量空氣系數(shù)快速接近1.0到1.05可以有效的降低HC和CO的排放。

3.2催化器快速起燃

在排放測試循環(huán)中，絕大部分的污染物都來自于起動階段。因為在冷啟動和暖機階段，發(fā)動機節(jié)氣門開度較小，進氣歧管的真空度較高，導致汽油霧化與蒸發(fā)效果差，難以與空氣形成均質(zhì)的混合氣，因此發(fā)動機在控制策略采取的是增加噴油量。另一方面，由于燃燒不穩(wěn)定，燃燒室溫度低，容易出現(xiàn)大量的未燃燒的碳氫生成。此時排氣溫度低，未達到三元催化器的起燃溫度，催化器的催化轉(zhuǎn)化效果不明顯，因而導致了大量HC的排放。據(jù)研究表明，該階段產(chǎn)生了HC排放占NEDC排放循環(huán)的60%～80%。因此如何讓催化器快速起燃，降低HC排放，對應(yīng)對國五排放有著積極重要的意義。

3.2.1推遲點火提前角發(fā)動機管理系統(tǒng)可以通過推遲點火角和提高發(fā)動機加熱轉(zhuǎn)速來增加廢氣的熱能，以加快催化器的起燃速度。點火角方面，通過設(shè)置催化器加熱的扭矩儲備，扭矩儲備預留越大，相對應(yīng)的點火角推遲的就越多，但兩者并非單純的線性關(guān)系。扭矩儲備的設(shè)置要注意不可影響怠速的穩(wěn)定性和車輛的起步性能。在第一個ECE循環(huán)中15km/h的部分負荷工況，也可以推遲點火角進行催化器加熱，但是要注意推遲的幅度對燃燒穩(wěn)定性的影響，點火角推遲過多也會造成失火或燃燒不充分，而導致排放增加。

可以利用催化器加熱的相對空氣量積分值來調(diào)整扭矩預留開始和關(guān)閉時刻，其設(shè)置的值也要保證點火角逐漸降低及恢復，以防止點火角突變引起怠速不穩(wěn)。對催化器加熱時的點火效率系數(shù)進行調(diào)整，來匹配點火角推遲區(qū)域及點火角推遲量。

在催化器加熱階段，扭矩的預留可分為怠速部分和非怠速部分。催化器加熱扭矩預留量一定要大于怠速時的扭矩預留量，通常車輛怠速時扭矩的預留量約為3%～4%。通過對催化器加熱扭矩預留標定量的不斷優(yōu)化，扭矩預留量設(shè)置為8%左右，點火角在5°CABTDC左右時，可以促使三元催化轉(zhuǎn)化器溫度迅速提升，降低排放（見表5）。

3.2.2提高發(fā)動機怠速提高怠速方面，需要特別指出的是，對于該廢氣渦輪增壓車型，怠速轉(zhuǎn)速的設(shè)置要比NA車型略高。這是因為如果借用NA車型1100～1200r/min的標定，由于渦輪增壓器將消耗一部分排氣熱能，維持相同的怠速轉(zhuǎn)速，排氣溫度不能夠很好的將催化器快速起燃。但如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速過高，由于催化器未起燃，則這就意味著要排放出更多的污染物。針對這一點，設(shè)計了大量的驗證試驗，不斷調(diào)整優(yōu)化標定數(shù)據(jù)，不同催化器加熱怠速轉(zhuǎn)速下污染物排放量，如表6所示。為了兼顧加熱效率和排放結(jié)果，從中我們優(yōu)選了1400rpm為怠速轉(zhuǎn)速為作為最終的匹配數(shù)據(jù)。

3.3三元催化器轉(zhuǎn)化效率精調(diào)

三元催化器轉(zhuǎn)化效率在過量空氣系數(shù)0.98到1.0附近較狹窄范圍內(nèi)時，對CO、HC和NO_x三種廢氣的綜合轉(zhuǎn)化效率最高（見圖3）。

在發(fā)動機管理系統(tǒng)進入閉環(huán)之后，過量空氣系數(shù)是通過前級兩點式氧傳感器的電壓跳變來表征的。系統(tǒng)通過前氧傳感器實時傳輸?shù)碾妷盒盘柵c0.45V（即過量空氣系數(shù)等于1時的電壓）進行比較，通過比例與積分調(diào)節(jié)修正，可以使混合氣的過量空氣系數(shù)短時間相對于1有個小的偏移。偏移時間系數(shù)是一個與轉(zhuǎn)速與發(fā)動機負荷相關(guān)的預設(shè)量，其值要求三種污染物都必須控制在較低值，并且后氧傳感器電壓值維持在0.6V到0.7V之間。需要通過多次排放驗證，來確定最合適的預設(shè)量。

氧傳感器的輸出電壓隨過量空氣系數(shù)相應(yīng)變化（見圖4），發(fā)動機管理系統(tǒng)最終通過控制噴油量來精確控制過量空氣系數(shù)。

從圖4中可以看出，燃油閉環(huán)修正信號根據(jù)系統(tǒng)氧傳感器信號的跳變進行實時修正，從而保證過量空氣系數(shù)始終在1.0±0.02的范圍內(nèi)跳動，在此范圍內(nèi)催化器的轉(zhuǎn)化效率可以達到最優(yōu)。

綜上所述，采用緊湊耦合兩級催化轉(zhuǎn)化器，通過推遲點火提前角、提高發(fā)動機怠速、精確控制空燃比等精細匹配，搭載增壓發(fā)動機和AT車型可以實現(xiàn)國五排放的工程目標（見表7）。

4結(jié)論

本文分析了搭載增壓發(fā)動機和AT變速箱整車滿足國五階段排放的難點，根據(jù)發(fā)動機及變速箱特點，制備新的緊耦合催化器并基于BOSCH ME7發(fā)動機管理系統(tǒng)，針對排放相關(guān)的模塊進行了標定優(yōu)化。經(jīng)過多輪排放試驗，成功實現(xiàn)了某車型各項排放的污染物都能夠控制在國五限值劣化后的70%以內(nèi)，積極響應(yīng)了國家節(jié)能減排的號召與法規(guī)的要求，實現(xiàn)成本與排放目標的最優(yōu)化。