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

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽　合肥　230022；2.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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增壓發(fā)動機匹配AT整車國五排放標定研究

胡俊1，黃偉1，孫倫業(yè)2，郭文松1，劉文彬1

(1.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230022；2.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

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BOSCHME7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。

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[1]；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0.068 g/km，相當(dāng)于THC限值則為0.075 g/km。NOx也加嚴到了0.06 g/km。國五的劣化系數(shù)也較國四更加嚴格[2](見表2)。

在發(fā)動機平臺沒有革命性的升級情況下，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)。

表1　國五與國四主要污染物限值對比　(g·km-1)

表2　國五與國四劣化系數(shù)的對比　　(g·km-1)

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。

表3　某型AT車型信息

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)過稀釋后進入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(xué)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。

t/s1. AT；2. MT 圖1　MT和AT車型在第一個排放ECE循環(huán)中負荷對比

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)[3]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[4]，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[5]。

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(xué)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。

t/s1. 排放測試1；2. 排放測試2；3. 排放測試3；4. 排放測試4圖2　不同起動空燃比對比圖

THCCONMHC排放測試10.0370.2710.034排放測試20.0440.3960.039排放測試30.0580.4730.051排放測試40.0540.5510.048

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(dǎo)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(dǎo)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%[6]。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[7]。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(yù)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(dǎo)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(yù)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(fù)，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(yù)留可分為怠速部分和非怠速部分。催化器加熱扭矩預(yù)留量一定要大于怠速時的扭矩預(yù)留量，通常車輛怠速時扭矩的預(yù)留量約為3%～4%。通過對催化器加熱扭矩預(yù)留標定量的不斷優(yōu)化，扭矩預(yù)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)。

表5　催化器加熱扭矩預(yù)留對各污染物排放影響(g·km-1)

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1 100～1 200 r/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1 400 rpm為怠速轉(zhuǎn)速為作為最終的匹配數(shù)據(jù)。

表6　催化器加熱轉(zhuǎn)速對排放物的影響　(g·km-1)

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NOx三種廢氣的綜合轉(zhuǎn)化效率最高[8](見圖3)。

過量空氣系數(shù)1. CO；2.NOx； 3.THC圖3　三元催化器轉(zhuǎn)化效率與過量空氣系數(shù)關(guān)系

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c0.45 V(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(yù)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0.6 V到0.7 V之間。需要通過多次排放驗證，來確定最合適的預(yù)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)。

圖4　閉環(huán)控制

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)。

表7　新鮮催化器國五排放結(jié)果　　(g·km-1)

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。

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(責(zé)任編輯：李麗)

Test of CHINA 5 Emission Calibration Method for Vehicle with Supercharged engine and AT

HU Jun1，HUANG Wei1，SUN Lun-ye2，GUO Wen-song1，LIU Wen-bin1

(1. Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO.,LTD, Hefei,Anhui 230022 China;2. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan,Anhui 232001，China)

This article analyzed the characteristics of the vehicle which is equipped with turbocharger and automatic gearbox, identified the emission legislation limit between CHINA 5 and CHINA 4, and put forwarde a test method to achieve CHINA 5 which is based on the emission control strategy of BOSCH ME7 engine management system. The method ensures the engineering target of 70% of the CHINA 5 Emission Legislation Limit. In addition, coupling catalyst, more precise calibration of Air-Fuel Ratio, ignition angle, catalyst heating, TWC are chosen to meet the demands of 70% regarding to the conversion efficiency in the method mentioned above.

Automatic gearbox; supercharged engine; engine management system; CHINA 5 Emission；test

2015-03-30

胡俊(1987-)，男，安徽安慶人，工程師，碩士，研究方向：發(fā)動機電控系統(tǒng)標定。

U464

A

1672-1098(2016)03-0069-05