汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)定研究

張鵬飛

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林長(zhǎng)春 130012）

汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)定研究

張鵬飛

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林長(zhǎng)春 130012）

隨著排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，排放標(biāo)定越來(lái)越復(fù)雜。通過(guò)催化劑加熱及整車過(guò)渡工況等優(yōu)化，最終滿足國(guó)V排放要求。本文詳細(xì)闡述催化劑加熱模式、過(guò)渡工況等試驗(yàn)方法和研究過(guò)程。

催化劑加熱；過(guò)渡工況；排放秒采

隨著國(guó)V［1］排放法規(guī)的全面實(shí)施，以及國(guó)VI和京VI征求意見稿的下發(fā)，排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，電控系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，標(biāo)定的難度也隨之增加。找出行之有效的標(biāo)定方法可以節(jié)約開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。

排放標(biāo)定分為臺(tái)架標(biāo)定和整車標(biāo)定兩部分，臺(tái)架主要對(duì)穩(wěn)態(tài)原始排放及催化劑加熱效果進(jìn)行優(yōu)化，整車主要對(duì)起動(dòng)、怠速和過(guò)渡工況等進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定。

1 排放控制原理

汽車排放的主要污染物是由一氧化碳CO、碳?xì)浠衔颒C、氮氧化合物NOx、硫化物和PM（微粒物，由碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰、油蒸氣）等組成。為了降低增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的這些污染物的排放量，目前大多主機(jī)廠都采用三元催化劑的方式對(duì)尾氣進(jìn)行凈化，國(guó)V階段基本夠用，但對(duì)于部分直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)對(duì)國(guó)VI排放法規(guī)需要采用顆粒捕集器（GPF）方案。針對(duì)僅采用三元催化劑的車型，為了減少排放污染物，就需要重點(diǎn)關(guān)注催化劑的以下幾個(gè)特性。

1）起燃特性在某一溫度之前，催化劑的轉(zhuǎn)化效率特別低，當(dāng)溫度達(dá)到某值之后，催化劑的轉(zhuǎn)化性能迅速提升，如圖1所示。通常將這個(gè)溫度叫做催化劑的起燃溫度。

圖1 催化劑轉(zhuǎn)化效率與催化劑溫度的關(guān)系

2）空燃比特性圖2為催化劑的空燃比特性曲線。一般在當(dāng)量空燃比附近3種污染物的轉(zhuǎn)化效率最高，通常用轉(zhuǎn)化效率窗口表示，窗口的大小很大程度上取決于催化劑的儲(chǔ)氧能力（OSC）。

3）空速特性催化劑的空速特性即指規(guī)定的條件下，單位時(shí)間單位體積催化劑處理的氣體量，單位為m3／（m3催化劑·h），可簡(jiǎn)化為h-1。

如圖3所示，可以將整個(gè)排放試驗(yàn)過(guò)程分為3段。第1段即催化劑起燃之前，其特點(diǎn)是尾氣排放就是發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放，標(biāo)定核心是降低原始排放以及加快催化劑起燃速度；第2段即催化劑起燃之后到高速段之前，其特點(diǎn)是該段的污染物主要取決于催化劑的空燃比特性，標(biāo)定核心是控制空燃比以及保持催化劑的儲(chǔ)氧能力；第3段即高速段，其特點(diǎn)主要受限于空速特性，標(biāo)定核心是控制空燃比避免進(jìn)入加濃保護(hù)和全負(fù)荷加濃等工況。

圖2 催化劑轉(zhuǎn)化效率曲線

圖3 排放試驗(yàn)分析

2 臺(tái)架排放控制

為了提高標(biāo)定效率加快標(biāo)定進(jìn)度，通過(guò)模擬計(jì)算，可以快速獲取在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速變化情況；利用臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)態(tài)優(yōu)勢(shì)模擬這些工況，可以大幅提高標(biāo)定效率，縮短標(biāo)定開發(fā)周期。同時(shí)由于臺(tái)架標(biāo)定是發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的基礎(chǔ)，在臺(tái)架標(biāo)定階段模擬整車進(jìn)行催化劑加熱工況的選取，為整車標(biāo)定提供必要的支撐和依據(jù)。

上述第1段的工作目標(biāo)即找出原始排放較好且有利于催化劑加熱的工況。從幾種主要污染物產(chǎn)生的機(jī)理分析，該階段主要關(guān)注HC和排氣溫度。臺(tái)架標(biāo)定需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的掃點(diǎn)確認(rèn)工作，就可以確認(rèn)最佳的催化劑加熱工況。

1）點(diǎn)火角掃描試驗(yàn)按照點(diǎn)火角掃描試驗(yàn)方法，調(diào)整不同的點(diǎn)火提前角，并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇排放最好且排氣溫度較高的點(diǎn)，作為催化劑加熱工況的點(diǎn)火提前角，圖4和圖5為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑加熱點(diǎn)火角綜合選點(diǎn)數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可知，隨著點(diǎn)火角的減?。ɑ螯c(diǎn)火角推遲增大），排氣溫度不斷上升，HC排放不斷下降，但是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性在不斷地下降。所以選點(diǎn)時(shí)必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性，這里推薦燃燒穩(wěn)定性IMEP COV（Indicated Mean Effective Pressure Covariance）至少小于18，否則有可能出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)或者熄火的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 碳?xì)渑欧排c點(diǎn)火角關(guān)系

圖5 催化劑加熱點(diǎn)火角綜合選點(diǎn)

2）燃油噴射掃描試驗(yàn)由于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用多次噴射，為了找出多次噴射對(duì)催化劑加熱的影響，需要確認(rèn)在不同燃油壓力情況下多次噴射的配比、多次噴射的噴油起始角和噴油結(jié)束角。按照掃點(diǎn)試驗(yàn)方法，調(diào)整不同的燃油壓力、噴射配比、噴油提前角和結(jié)束角，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇排氣溫度較高且排放最好的點(diǎn)，作為噴油提前角的掃點(diǎn)結(jié)果。圖6為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑加熱工況噴油起始角綜合選點(diǎn)數(shù)據(jù)，圖7為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑加熱工況噴油結(jié)束角綜合選點(diǎn)數(shù)據(jù)。該案例中采用2次噴射，所以只需要確認(rèn)第1次噴射的噴油起始角和第2次噴射的結(jié)束角并確認(rèn)噴射比例，就可以完整地確認(rèn)噴射特性。由于噴射方式直接影響HC和PM的生成，所以需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，確認(rèn)合理的噴射規(guī)律。

3）進(jìn)排氣VVT角度掃描試驗(yàn)按照VVT（VariableValve Timing）掃描試驗(yàn)方法，固定不同的排氣VVT角度、調(diào)整進(jìn)氣VVT的角度進(jìn)行掃描試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇燃燒穩(wěn)定、排氣溫度較高且排放最好的點(diǎn)，作為催化劑加熱工況下的進(jìn)排氣VVT工作角度。圖8為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑加熱工況進(jìn)排氣開啟角度綜合選點(diǎn)數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)上不難看出，在燃燒穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，進(jìn)氣VVT的開啟角度增大，HC排放降低，排氣溫度升高。

4）空燃比掃點(diǎn)試驗(yàn)按照空燃比掃描試驗(yàn)方法，設(shè)定不同目標(biāo)空燃比，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇燃燒溫度性較好、排放相對(duì)較高且排放結(jié)果相對(duì)同時(shí)結(jié)合催化劑空燃比特性的窗口中值附近的點(diǎn)，作為催化劑加熱工況的控制空燃比值。圖9為某車型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架催化劑加熱空燃比綜合選點(diǎn)數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)可知，隨著空燃比的變化，排溫、煙度、HC排放水平都成規(guī)律性變化。即隨著空燃比（或過(guò)量空氣系數(shù)）的增大，排溫上升，煙度降低，HC排放降低，燃燒穩(wěn)定性變差。

圖6 催化劑加熱噴油起始角綜合選點(diǎn)

圖7 催化劑加熱噴油結(jié)束角綜合選點(diǎn)

3 整車排放控制

整車排放控制主要有空燃比閉環(huán)控制、催化劑加熱控制、過(guò)渡工況控制、催化劑吹洗控制等。

1）空燃比閉環(huán)控制由于氧傳感器為陶瓷元件，而且必須350℃附近才能正常工作，所以必須對(duì)氧傳感器加熱才能盡快進(jìn)入閉環(huán)控制。由于露點(diǎn)的存在，氧傳感器加熱必須在露點(diǎn)之后，才能控制加熱電路進(jìn)行加熱，否則影響傳感器的耐久。所以露點(diǎn)識(shí)別是氧傳感器加熱也是空燃比進(jìn)入閉環(huán)的關(guān)鍵因素。露點(diǎn)的識(shí)別與排氣溫度上升曲線有直接關(guān)系，排氣溫度的上升曲線又受到催化劑加熱工況的影響。所以進(jìn)入空燃比閉環(huán)控制也受到催化劑加熱工況的影響。

2）催化劑加熱控制通過(guò)臺(tái)架原始排放和催化劑加熱部分的研究，基本上已經(jīng)選擇了燃燒穩(wěn)定性較好、原始排放較低且排氣溫度較高的工況用于整車試驗(yàn)，結(jié)合整車標(biāo)定的其他工作要求，考慮怠速穩(wěn)定性、乘坐舒適性、NVH等方面因素，對(duì)催化劑加熱工況進(jìn)一步優(yōu)化。整車標(biāo)定需考慮的因素分別為：①原始排放；②轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性工程目標(biāo)；③NVH工程目標(biāo)；④整車駕駛性工程目標(biāo)；⑤催化劑加熱效果；⑥零部件耐久要求。

綜合以上所有要求，通過(guò)數(shù)據(jù)分析的方式最終確認(rèn)整車使用的催化劑加熱策略。另外，為了提高催化劑加熱的效率，自動(dòng)擋車型中還采用了WARM UP策略。即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元有催化劑加熱需求時(shí)，在總線上發(fā)出催化器加熱需求，變速器控制單元收到需求后，激活變速器WARM UP控制，變速器會(huì)選擇低擋位運(yùn)行，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速，這樣有利于催化劑加熱。

3）整車過(guò)渡工況優(yōu)化在保證整車駕駛性前提下，由于受限于催化劑空燃比特性，要想提高催化劑轉(zhuǎn)化效率，就必須精確控制空燃比波動(dòng)范圍。過(guò)渡工況主要針對(duì)進(jìn)氣、點(diǎn)火、噴油等方面進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)成過(guò)量空氣系數(shù)在1附近?？刂凭仍?%以內(nèi)。這樣三元催化劑才能有效地發(fā)揮作用。

4）催化劑吹洗控制在裝備起停系統(tǒng)的車型上，催化劑吹洗控制對(duì)于催化器轉(zhuǎn)化能力的保證尤其重要。由于在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)之后，新鮮空氣進(jìn)入催化劑，催化劑內(nèi)的氧含量升高，由于受到儲(chǔ)氧能力的限制，沒(méi)有足夠的空間繼續(xù)儲(chǔ)存氧原子。催化劑處于高溫富氧環(huán)境，給氮氧化合物NOx的產(chǎn)生提供了條件，導(dǎo)致再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后氮氧化合物NOx急劇升高（圖10），尤其是在第2段后期和第3段的時(shí)候更加明顯。為了保證催化劑的儲(chǔ)氧能力，開啟催化劑吹洗功能，將多余的氧用于氧化反應(yīng)，釋放催化劑的儲(chǔ)氧能力，有效地降低了氮氧化合物NOx的生成。

圖9 催化劑加熱空燃比綜合選點(diǎn)

圖10 未開啟催化劑吹洗功能的排放秒采數(shù)據(jù)

5）其他影響排放的標(biāo)定工作我們已經(jīng)將典型的影響排放的主要功能進(jìn)行了一一講解，還有一些功能可能影響到排放標(biāo)定或者會(huì)引發(fā)排放問(wèn)題，如全負(fù)荷加濃、排溫保護(hù)、燃油自學(xué)習(xí)、氧傳感器診斷和催化劑診斷等都可能對(duì)排放結(jié)果產(chǎn)生重要影響，所以在排放標(biāo)定過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注這些功能的工作情況。

4 排放優(yōu)化結(jié)果

排放標(biāo)定初期測(cè)量的排放秒采圖如圖11所示，污染物水平是國(guó)V排放目標(biāo)的200%左右。經(jīng)過(guò)采用催化劑加熱策略、優(yōu)化閉環(huán)控制、優(yōu)化過(guò)渡工況控制和開啟催化劑吹洗功能等，最終滿足國(guó)V排放要求，并滿足一次性通過(guò)法規(guī)的要求。優(yōu)化標(biāo)定后的排放秒采數(shù)據(jù)圖見圖12，不難看出，3段排放均有明顯下降，尤其是第2段和第3段經(jīng)過(guò)優(yōu)化后效果更佳。

Study on Gasoline Direct Injection Emission Regulation

ZHANG Peng-fei
（Products Development Department，F(xiàn)AW Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

With the development of increasingly strict emission regulation，the calibration of emission becomes even more complex.Through catalyst heating strategy and transition condition optimization，requirements of the national emission regulations could be met.The test methods and research process of catalyst heating mode and transition condition are described in detail.

catalyst heating；transition condition；emission data collection

U464

A

1003－8639（2016）11－0050－04

2016-01-26；

2016-07-22

張鵬飛（1983-），男，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)和標(biāo)定工作。