基于某車型NEDC 循環(huán)排放標(biāo)定的研究

吳哲，趙強(qiáng)

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

引言

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車保有量的急劇增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣污染與噪聲污染已成為地球環(huán)境的主要污染源，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放物對(duì)城市的大氣構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物有一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物和微粒等，這些污染物對(duì)人體健康造成了很大危害[1]。國家法規(guī)部門對(duì)車輛排放有嚴(yán)格的規(guī)定，明確了各污染物的排放限值，汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中排放控制壓力巨大，因此排放標(biāo)定工作顯得尤為重要。

1 混合氣對(duì)污染物的影響

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體污染物影響的因素較多，主要有混合氣濃度、點(diǎn)火時(shí)刻、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速等。本文基于主要的影響因素混合氣濃度進(jìn)行排放標(biāo)定研究。

汽油機(jī)是一種預(yù)混燃燒，其可燃混合氣濃度范圍較窄，且在冷機(jī)、滿負(fù)荷等工況下處于濃混合氣工作，混合氣濃度是影響排放的最主要的因素[2]?？杖急仁潜碚骰旌蠚鉂舛鹊囊粋€(gè)參數(shù)，是指參與燃燒的氣體流量與汽油流量的比值，理論空燃比定義為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下汽油完全燃燒時(shí)的空燃比，約等于14.7。圖1 為混合氣成分對(duì)CO、HC、NOx 的影響曲線。

隨空燃比α下降混合氣變濃，燃燒時(shí)氧氣相對(duì)不足，不完全燃燒生成物增加，使CO、HC 迅速增加。在空燃比α大于14.7 以后CO 濃度已經(jīng)很低了，但隨空燃比再繼續(xù)往偏稀的方向增加時(shí)，因混合氣不均勻造成局部缺氧仍然會(huì)有少量CO 生成。同時(shí)，因CO 氧化反應(yīng)速度慢，燃燒溫度下降，使HC 排放量也增加。

NOx 峰值出現(xiàn)在理論空燃比偏稀的一側(cè)，而排溫與空燃比成正比關(guān)系，因此高的NOx 易產(chǎn)生于高溫、富氧工況。

HC 的產(chǎn)生與空燃比的趨勢則是兩端高、中間低：當(dāng)濃混合氣逐漸變稀，在縫隙容積與激冷層中混合氣燃料比例減少，因此HC 量減少。處于最佳燃燒的α范圍內(nèi)，HC 及油耗均為最低，但當(dāng)混合氣過稀，火焰可能熄滅，導(dǎo)致未燃燒的燃料直接排出，因而HC 的生成量又會(huì)上升[2]。

圖1 污染物-空燃比關(guān)系圖

2 整車排放標(biāo)定分析

本文基于某1.6VVT 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放標(biāo)定案例，運(yùn)用第一節(jié)中關(guān)于影響污染物形成因素及控制的理論知識(shí)，對(duì)排放結(jié)果進(jìn)行分析并對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化再驗(yàn)證。

2.1 NEDC 循環(huán)排放控制原理

國五階段的NEDC 循環(huán)排放標(biāo)定可劃分為三個(gè)部分：冷機(jī)控制，穩(wěn)態(tài)控制，瞬態(tài)控制。

圖2 NEDC 循環(huán)

（1）冷機(jī)控制

我們將起動(dòng)后的第一個(gè)城市循環(huán)定義為冷機(jī)階段，主要通過噴油、點(diǎn)火和進(jìn)氣標(biāo)定，使得在起動(dòng)時(shí)空燃比控制在合理的指標(biāo)，兼顧污染物和駕駛性能的控制，同時(shí)提高排氣溫度將催化器盡快加熱至高效轉(zhuǎn)化的溫度。

（2）穩(wěn)態(tài)控制

在冷機(jī)控制后的城市循環(huán)穩(wěn)速行駛及城郊循環(huán)，主要通過閉環(huán)燃油控制。穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制原理是根據(jù)氧傳感器反饋的排氣中氧氣含量濃度，通過ECU 修正噴油脈寬，實(shí)時(shí)調(diào)整混合氣的濃度在催化器最佳的轉(zhuǎn)化窗口范圍內(nèi)，有效降低三項(xiàng)排放污染物。

（3）瞬態(tài)控制

排放循環(huán)中除了冷機(jī)控制和穩(wěn)態(tài)控制的部分，主要涉及了較為復(fù)雜的瞬態(tài)燃油，減速斷油，換擋等相關(guān)邏輯控制。

2.2 排放結(jié)果分析

國家第五階段排放限值如下表所示[3]。

表1 I 型試驗(yàn)排放限值

車型信息如表2 所示。

表2 車輛參數(shù)信息

某次排放結(jié)果如表3 所示：

表3 第一次試驗(yàn)排放結(jié)果

表4 分階段排放結(jié)果

對(duì)實(shí)時(shí)采集的污染物數(shù)據(jù)繪制時(shí)間—污染物流量圖如下圖3，結(jié)合表4 分階段的排放結(jié)果分析可見，污染物HC 較好，因此主要關(guān)注CO 和NOx 的優(yōu)化，且NOx 主要集中在城郊高速循環(huán)階段。

圖3 NEDC 循環(huán)時(shí)間—污染物流量圖

（1）冷機(jī)階段

此階段CO 排放較差，NOx 控制較好，因此可以將起動(dòng)空燃比進(jìn)行減稀處理。

（2）穩(wěn)態(tài)階段

在城郊循環(huán)100-120KM/H 加速階段CO 和NOx 均有較大量的排出，兩種污染物對(duì)空燃比的濃、稀反應(yīng)結(jié)果恰好相反，因此回歸發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)的工況進(jìn)行分析處理，如圖4 采集的INCA 數(shù)據(jù)所示在100-120KM/H 加速過程中，通過燃油控制模塊的快速學(xué)習(xí)值、積分學(xué)習(xí)值、氧傳感器濃稀信號(hào)指示等參數(shù)分析如下：

1）在數(shù)據(jù)1119 秒處，通過氧傳感器閉環(huán)反饋此時(shí)混合氣處于偏濃狀態(tài)，之后燃油積分值往負(fù)值方向調(diào)整，以控制減少噴油量來減稀空燃比。

2）在數(shù)據(jù)1135 秒處，燃油學(xué)習(xí)值處于最小值，噴油量負(fù)修正處于最大值，后氧傳感器信號(hào)開始下行，指示混合氣處于偏稀狀態(tài)。

3）113 5 秒之后，燃油修正值開始往正值方向調(diào)整，直至穩(wěn)定。

以上數(shù)據(jù)結(jié)合圖3 對(duì)應(yīng)分析：在1119 秒附近，由于空燃比偏濃，混合氣燃燒不充分，產(chǎn)生較多的CO 污染物；隨后閉環(huán)控制開始調(diào)節(jié)噴油量，空燃比開始減稀，由于燃油修正速率和幅度超調(diào)，導(dǎo)致隨后的高溫、富氧工況產(chǎn)生較多的NOx 污染物。

圖4 NEDC 循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況圖

（3）瞬態(tài)階段

城市循環(huán)階段一檔升二檔工況均有CO 產(chǎn)生，因此鎖定該穩(wěn)態(tài)閉環(huán)控制的特定工況點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)INCA 采集的ECU 數(shù)據(jù)分析。

3 排放標(biāo)定優(yōu)化與驗(yàn)證

根據(jù)上一章節(jié)的分析，對(duì)標(biāo)定控制做了調(diào)整后再驗(yàn)證。

3.1 標(biāo)定優(yōu)化

（1）冷機(jī)階段

調(diào)整20-30 攝氏度的起動(dòng)空燃比；

（2）穩(wěn)態(tài)階段

將2.2 節(jié)中分析工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄在表5 中，根據(jù)燃油修正值的偏差值調(diào)整不同工況點(diǎn)下的充氣模型、空燃比濃稀限值等參數(shù)，目的是使得空燃比修正值穩(wěn)定在1 附近。

（3）瞬態(tài)階段

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄表

調(diào)整CO 污染物產(chǎn)生工況（城市循環(huán)階段一檔升二檔）下的發(fā)動(dòng)機(jī)加速、減速及換擋斷油等瞬態(tài)燃油控制。

3.2 標(biāo)定結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)3.1 節(jié)中調(diào)整的標(biāo)定數(shù)據(jù)后再驗(yàn)證，結(jié)果如表6、表7所示。從分階段的排放結(jié)果表7 可見，城郊階段的NOx 污染物得到了有效控制，較之前有大幅的降低，圖5 顯示更為直觀。經(jīng)過冷機(jī)起動(dòng)、瞬態(tài)控制、穩(wěn)態(tài)控制的標(biāo)定優(yōu)化，最終三種污染物均滿足法規(guī)要求，且與法規(guī)限值相比余量較大。

表6 第二次試驗(yàn)排放結(jié)果

表7 分階段排放結(jié)果

圖5 NEDC 循環(huán)時(shí)間—污染物流量圖

4 結(jié)論

本文基于某車型的排放結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和標(biāo)定控制優(yōu)化，通過再驗(yàn)證結(jié)果證明了分析的準(zhǔn)確和控制優(yōu)化的有效可行，提供了一種排放標(biāo)定的思路：在某兩種對(duì)空燃比濃、稀反應(yīng)矛盾的污染物幾乎同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，原因是閉環(huán)控制的超調(diào)導(dǎo)致，例如本文中的CO 和NOx 同時(shí)產(chǎn)生是由于前一個(gè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)充氣模型的偏差導(dǎo)致混合氣偏濃產(chǎn)生CO，緊接著基于氧傳感器反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)開始快速調(diào)節(jié)，導(dǎo)致隨后的工況空燃比調(diào)節(jié)至一個(gè)偏稀的狀態(tài)導(dǎo)致NOx 的產(chǎn)生。調(diào)整初始工況下的相關(guān)標(biāo)定，避免燃油修正值的大幅調(diào)整，使得空燃比控制準(zhǔn)確，穩(wěn)定在理論空燃比附近，提高三元催化器的轉(zhuǎn)化效率，從而大幅減少污染物的產(chǎn)生。

由于篇幅限制，本文未能對(duì)標(biāo)定中閉環(huán)燃油控制原理進(jìn)闡述，也未對(duì)具體的標(biāo)定參數(shù)做詳細(xì)的說明和量化的擴(kuò)展分析。后續(xù)工作應(yīng)當(dāng)更加深入的對(duì)排放污染物產(chǎn)生的機(jī)理及標(biāo)定控制邏輯進(jìn)行分析，更為系統(tǒng)和全面的做好國六排放開發(fā)工作。