高海拔環(huán)境下輕型車常溫冷起動排放控制

徐金輝，張鵬飛，馬希利

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林長春 130012）

高海拔環(huán)境下輕型車常溫冷起動排放控制

徐金輝，張鵬飛，馬希利

（一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部，吉林長春 130012）

通過分析研究高海拔環(huán)境下大氣壓力對汽車排放性能的影響，結合發(fā)動機電控標定在排放中的優(yōu)化內容，提出改善整車高海拔環(huán)境排放性能的措施。

高海拔環(huán)境；發(fā)動機電控標定；常溫冷起動排放

高海拔地區(qū)內燃機燃燒狀況差，產(chǎn)生的排放污染物將增多。但目前中國在輕型車的排放法規(guī)執(zhí)行的為歐洲標準，并未對海拔進行要求，而平原環(huán)境下的排放結果不能真實地反應高原地區(qū)運行的排放性能。中國境內海拔高于1 500 m的面積約占我國總面積的27.02%。為彌補不足，在制定的國Ⅵ排放法規(guī)中，已經(jīng)增加了高海拔排放控制的要求。

本文首先對比分析不同海拔高度對汽車發(fā)動機的影響，研究發(fā)動機電控排放標定過程中的工作內容，通過分析實際高海拔的排放結果，進行發(fā)動機電控標定優(yōu)化，驗證數(shù)據(jù)優(yōu)化后的排放水平。

1 高海拔對汽油機排放物的影響

隨著海拔升高，氣壓下降、空氣密度降低，導致進入氣缸的空氣質量減小，進氣負荷減小，而發(fā)動機的平均指示壓力與負荷成正比。在轉速不變的情況下，平均指示壓力直接影響發(fā)動機功率。即海拔升高，汽油機功率下降，燃油消耗率上升，污染物排放量增加［1］。

另外，隨著海拔的升高，空氣中含氧量也隨之減少，在海拔0～5000m范圍內，每升高1000m，大氣中含氧量約減少11%～12%。由于含氧量隨海拔升高而減少，燃油噴入氣缸內進行霧化、擴散時，燃油分子與氧分子碰撞的機會減少，分解、氧化過程變慢；同時，由于含氧量低，使燃油點火和燃燒可利用的氧氣量減少，再加上壓縮終點的壓力、溫度降低等綜合影響，使內燃機不能點火或點火延遲、起動困難，也將導致整車的排放性能下降。

為了得到高的熱效率，現(xiàn)代汽油機的壓縮比已非常接近發(fā)生爆震所容許的最高限度。而在高海拔環(huán)境，由于進氣壓力低，汽油機產(chǎn)生爆燃的傾向減少，點火角并未處于最佳狀態(tài)，點火角效率相對下降，也會增加油耗，增加污染物排放量。

2 發(fā)動機電控排放標定

發(fā)動機電控開發(fā)過程中，優(yōu)化整車在排放循環(huán)［2］中的污染物排放量是一項關鍵指標，主要關注以下內容。

2.1 起動、起動后與暖機階段

該階段三元催化器還未起燃，是發(fā)動機排放量最大的時候。標定控制的目標就是盡量減少發(fā)動機的原始排放，需要在保證起動安全的前提下，調整起動和起動后的相對空燃比，使其在起動后盡快到1。發(fā)動機轉速的上沖大小也需要調整，要求不超過穩(wěn)態(tài)怠速轉速的300～500r／min，在保證起動安全的前提下可沒有轉速上沖。

在保證燃燒穩(wěn)定，即不出現(xiàn)失火現(xiàn)象的情況下，可以采用一定程度的稀燃，即將閉環(huán)前的空燃比控制在大于1的水平，以降低THC和CO。

2.2 三元催化器加熱功能

三元催化器的起燃需要一定的溫度，一般在300～ 350℃。為了讓三元催化器盡快起燃，更快地達到高轉化效率，需啟用催化器加熱功能。在沒有電加熱等其它外在加熱條件下，三元催化器溫度的升高主要來源于廢氣的熱量。三元催化器加熱的目的，實際就是提高廢氣熱量，通過提高廢氣溫度或廢氣流量來實現(xiàn)。主要手段如下。

1）提高怠速轉速，可以直接提高廢氣流量。

2）推遲點火角，可以提高排氣溫度（燃燒推遲，部分燃燒在排氣門打開時仍在持續(xù)，排氣溫度較高），通過調整轉矩預留實現(xiàn)。

3）控制相對空燃比，無二次空氣時采用稀混合氣，使用二次空氣時，可采用濃混合氣在三元催化器中繼續(xù)燃燒的方式，通過空燃比協(xié)調實現(xiàn)。

提高怠速會引起油耗增加，且提高不合理會帶來更多的排放物，反而對排放不利。更改點火角和空燃比會影響怠速穩(wěn)定性和車輛起步能力，需綜合平衡。

2.3 催化器最佳空燃比窗口

一般在空燃比0.99～1的范圍內，廢氣經(jīng)過三元催化器后，3種排放物可同時達到最低水平，該空燃比范圍為最佳空燃比窗口。但對于不同的三元催化器，其最佳的空燃比范圍不同，且隨著車輛行駛里程的增加，三元催化器逐漸老化，最佳空燃比窗口也會縮小。排放標定優(yōu)化的目的，就是找到催化器的最佳空燃比窗口，并使之同時滿足新鮮和老化催化器。

發(fā)動機電控系統(tǒng)對催化器的最佳空燃比窗口控制和調節(jié)，是通過空燃比的閉環(huán)控制實現(xiàn)的。如果系統(tǒng)沒有進入閉環(huán)控制，調節(jié)空燃比無意義。系統(tǒng)通過氧傳感器反饋的電壓，與參考電壓（相對空燃比=1）比較，通過PI控制產(chǎn)生修正因子，另外通過控制將修正因子在偏濃一側保持一定時間，可以使混合氣空燃比相對于1有一個小的偏移，使其在催化器的最佳空燃比窗口內。

2.4 過渡工況

過渡工況產(chǎn)生的空燃比變化也影響排放，一般要求波動范圍在0.9～1.1范圍內。當超出此范圍或者空燃比偏濃或偏稀時間過長時，可能在排放結果中有所表現(xiàn)。

2.5 空燃比開環(huán)

排放過程中的工況點可能會進入全負荷加濃或零部件保護加濃，主要在郊區(qū)100～120km／h循環(huán)。加濃會導致HC和CO瞬間排放量劇增，在標定優(yōu)化過程中，需盡量避免導致排放劣化的開環(huán)加濃。

2.6 二次空氣泵控制

由于高海拔時空氣密度低，二次空氣泵進氣量較小，故此時需要調整二次空氣泵工作時的空燃比，使空燃比處于最佳范圍。

2.7 廢氣再循環(huán)控制

在高海拔時排氣背壓降低，廢氣再循環(huán)控制閥EGR兩邊的壓差較小，導致EGR流量減小，故此時需要進行廢氣再循環(huán)補償。在標定過程中，設置EGR閥隨海拔高度的提高而開度增大，減少高海拔受EGR影響的NOx排放。在EGR系統(tǒng)中，點火正時的需求隨EGR濃度而改變，為優(yōu)化燃油經(jīng)濟性和排放性能，點火正時需隨EGR濃度的增加而提高。

3 排放試驗分析

以一輛搭載自然吸氣多點噴射汽油機的輕型車為試驗對象，裝備二次空氣泵，無廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。在標準環(huán)境下整車達到國IV排放水平。

按照車重法加載汽車滑行阻力，不考慮高海拔環(huán)境對汽車滑行阻力的影響［3］。

3.1 排放摸底結果

在具備認證資格的試驗室進行排放試驗，分別進行海拔0 m及海拔1 500 m的歐IV排放試驗，排放結果見表1。

表1 不同海拔排放摸底結果

通過摸底試驗結果可得出，平原環(huán)境下常溫冷起動排放合格的整車，在高海拔環(huán)境下排放無法達到標準要求，需對整車進行優(yōu)化，以滿足要求。

3.2 排放結果分析

在海拔0m時2次排放的秒采如圖1所示。高原排放秒采圖見圖2。

圖1 海拔0m的排放秒采圖

圖2 海拔1450m排放秒采圖

從圖1可以看出，2次排放過程中，排放物高點出現(xiàn)在起動、起動后及暖機階段（3種排放物排放量大）和高速大負荷階段（CO排放量大）。在催化器完全起燃后及過渡工況中，排放量正常，催化器的空燃比窗口正常，且整個過程未進入開環(huán)工況。以此作為基礎，對比分析海拔1500m的排放異常點，通過優(yōu)化標定數(shù)據(jù)，使高原排放滿足歐IV標準要求。

從圖2高海拔排放秒采圖可以看出，該車型在高海拔環(huán)境的排放物高點亦出現(xiàn)在起動、起動后及暖機階段（3種排放物排放量大）和高速大負荷階段（CO和HC排放量增大）。在催化器完全起燃后及過渡工況中，排放量正常，催化器的空燃比窗口正常。

不同海拔排放試驗的CO排放量對比見圖3。高海拔環(huán)境下CO的排放量較低海拔環(huán)境排放量少。整個高海拔排放試驗過程中，CO表現(xiàn)優(yōu)于低海拔環(huán)境下，不需進行數(shù)據(jù)優(yōu)化。

圖3 不同海拔排放試驗的CO排放量對比

不同海拔排放試驗的HC排放量對比見圖4。在高海拔環(huán)境下，起動、起動后及暖機階段的HC排放量一致，高速大負荷階段排放量增加，需對此部分進行優(yōu)化。

圖4 不同海拔排放試驗的HC排放量對比

不同海拔排放試驗的NOx排放量對比見圖5。圖5中NOx秒采值對比可以看出，高海拔排放異常點出現(xiàn)在起動、起動后及暖機階段，需對此階段進行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

圖5 不同海拔排放試驗的NOx排放量對比

通過上述分析，得出針對高海拔環(huán)境的優(yōu)化位置為起動、起動后及暖機階段和高速大負荷階段。

3.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化分析

3.3.1 進氣量修正

由于在高海拔環(huán)境下，空氣密度偏小，節(jié)氣門開度相同時，進氣量相對減少，通過節(jié)氣門開度的修正可以保證高原環(huán)境下發(fā)動機進氣量。

3.3.2 空燃比修正

高海拔環(huán)境下，二次空氣泵氣量減少，需調整二次空氣泵開啟時的空燃比控制，使二次空氣泵工作時空燃比達到最佳值?？刂撇呗匀鐖D6所示。

圖6 二次空氣泵工作階段空燃比控制策略

按照上述控制策略，最終計算燃油噴射時間，確定噴油量。

對比在二次空氣泵工作時，平原排放試驗過程中的空燃比與高原環(huán)境下的空燃比。

起動、起動后及暖機階段不同海拔環(huán)境空燃比對比見圖7。從圖7可以得出，在起動、起動后及暖機階段，在二次空氣泵工作時間段內，高海拔環(huán)境下的空燃比與低海拔環(huán)境的空燃比有較大差異，導致空燃比偏離最佳區(qū)域，調整此部分的空燃比，可以降低此階段的排放。

起動10 s的空燃比對比見圖8。起動后10 s左右，高原空燃比（1.55）較平原空燃比（1.48）稀，所以將發(fā)動機冷卻液溫度20～40℃之間的空燃比修正值加濃（0.13至0.1）。

圖7 起動、起動后及暖機階段不同海拔環(huán)境空燃比對比

圖8 起動10s的空燃比對比

起動20 s的空燃比對比見圖9。起動后20 s左右，高原空燃比（1.41）較平原空燃比（1.71）濃，將發(fā)動機冷卻液溫度20～40℃之間的空燃比修正值減?。?.3至0.083）。

圖9 起動20 s的空燃比對比

同理，在21s左右，空燃比減?。?.2至0.035）。

圖10 起動28～49s的空燃比對比

起動28～49 s的空燃比對比見圖10。在起動后28 s至49s左右，高原空燃比與平原空燃比相差不大，不再調整該部分空燃比。

起動49 s后空燃比對比見圖11。在起動后49 s以后，高原空燃比較平原空燃比稀，在發(fā)動機冷卻液溫度20～40℃之間的空燃比修正值加濃（-0.060／-0.12調整至-0.018）。

圖11 起動49s后空燃比對比

通過以上分析，確定MAP表的標定方案如下：將原MAP數(shù)據(jù)表2變更為表3。

表2 原標定MAP

表3 新標定MAP

3.3.3 轉矩損失修正

在高海拔環(huán)境下，發(fā)動機的泵氣損失及排氣背壓小于平原環(huán)境，需修正此部分轉矩差異。通過高海拔及平原臺架測試，得到同一款發(fā)動機在不同情況下的發(fā)動機泵氣損失差異，按測試結果修正發(fā)動機泵氣損失。

3.3.4 開環(huán)修正

不同海拔環(huán)境高速大負荷階段空燃比對比見圖12。從圖12中看出，發(fā)動機空燃比控制進入開環(huán)加濃，導致后階段的HC和CO排放量增加。通過取消排放試驗過程中高速大負荷階段開環(huán)加濃控制，可以減少此部分的污染物排放量。

優(yōu)化方式為將動力加濃轉速放開，由704r／min變更為8160r／min，且將此時間限制為30s，可以避免車輛在排放試驗過程的高速大負荷階段進入開環(huán)加濃工況。

Cold Start Emission Control of Light Vehicle in High Altitude Environment

XU Jin-hui，ZHANG Peng-fei，MA Xi-li
（Products Development Department，F(xiàn)AW Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

Thisarticleanalyzestheatmosphericpressure’seffectonvehicleemissioninhighaltitude environment.Combined with the emission optimization in engine calibration，a method to improve emission performance in high altitude environment is proposed.

high altitude environment；engine calibration；low-temperature cold start emission

U463.6

A

1003－8639（2017）01－0015－04

2016-06-22

徐金輝（1984-），男，工程師，主要從事發(fā)動機電控系統(tǒng)開發(fā)和標定工作。