不同海拔下發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)排放影響研究

劉煒 戴超麒 李東明

摘 要：通過某車型平原及高原的WLTC的對(duì)比排放測試采集相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，將采集數(shù)據(jù)劃分出五個(gè)典型工況，在不同工況區(qū)間對(duì)比不同海拔下的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的排放物的相關(guān)系數(shù)，分析發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)在不同海拔間的表現(xiàn)差異。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明顯示不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差異，在熱機(jī)工況下，進(jìn)氣VVT在平原高原的各排放相關(guān)系數(shù)趨勢不同，需要考慮在控制系統(tǒng)中針對(duì)這兩項(xiàng)控制引入海拔修正并進(jìn)行相關(guān)標(biāo)定工作。

關(guān)鍵詞：排放 控制參數(shù) 相關(guān)系數(shù) 海拔

Abstract：The relevant engine management system control data is collected through the WLTC comparative emission test of a certain vehicle model in the plain and plateau. The collected data is divided into five typical operating conditions， and the emission levels of key engine parameters at different altitudes are compared in different operating conditions. Correlation coefficients are used to analyze the performance differences of engine control parameters at different altitudes. The data analysis results show that there are differences in the offset characteristics of the working window of the catalyst at different altitudes. Under the thermal engine condition， the trends of the emission correlation coefficients of the intake VVT in the plain plateau are different. It is necessary to consider the introduction of these two controls into altitude correction and related calibration work in the control system.

Key words：emission， control parameter， correlation coefficient， altitude

我國地域遼闊車輛行駛環(huán)境差異大，如海拔1000米，2000米和3000米以上的地區(qū)分別占全國陸地總面積的58%，33%和26%[1]，所以高海拔環(huán)境也是我國汽車常見的駕駛區(qū)域。隨著海拔高度的升高，環(huán)境參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，主要包括大氣壓力下降空氣密度減小，空氣含氧量減少[2]。這導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在高海拔條件下工作會(huì)與平原出現(xiàn)不一樣的特征，有研究表明，在高海拔地區(qū)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、和排放性能等指標(biāo)都會(huì)有顯著差異[3]。隨著車輛排放要求的日益嚴(yán)格，國六法規(guī)要求海拔拓展至2400米以及國家高原排放實(shí)驗(yàn)室的建成，深入研究車輛高原排放特性，優(yōu)化高原排放控制，對(duì)于我國移動(dòng)污染源的節(jié)能減排有重大的意義。

目前對(duì)于高原排放的研究主要在發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性。如隨著海拔增加Soot、CO排放量逐漸增加，而海拔對(duì)NOx影響在不同工況下表現(xiàn)不一致，且空燃比和點(diǎn)火角對(duì)NOx排放有直接影響[4][5]，在WLTC工況中，同一車輛在不同平均車速的排放因子呈現(xiàn)差異性分布[6]，以及實(shí)際道路排放中的駕駛行為參數(shù)的影響[7]。值得注意的是目前的車輛排放控制除了傳統(tǒng)的后處理技術(shù)，可靠智能的發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制系統(tǒng)也扮演著重要的角色，而高原環(huán)境下的發(fā)動(dòng)機(jī)控制相關(guān)的研究內(nèi)容相對(duì)缺失。

故本文基于某CVT車型的平原及高原WLTC循環(huán)排放測試數(shù)據(jù)，對(duì)比高原、平原發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的重要參數(shù)對(duì)排放物產(chǎn)生的影響進(jìn)行相關(guān)性分析，尋找不同階段下的各項(xiàng)尾氣排放物的關(guān)鍵控制參數(shù)，為高原排放控制提供有效的分析思路和優(yōu)化方向。

1 實(shí)驗(yàn)方案

按照GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中規(guī)定的方法和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，分別在海拔高度為0m及2000m的兩個(gè)符合法規(guī)要求的整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室中完成I型試驗(yàn)（常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備見表2，主要包括環(huán)境倉、底盤測功機(jī)系統(tǒng)和排放分析系統(tǒng)等。

采集數(shù)據(jù)通過車載診斷接口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的控制參數(shù)等變量信息，關(guān)鍵控制參數(shù)見表3。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 時(shí)序校準(zhǔn)

由于整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)的排氣污染物采樣與分析子系統(tǒng)輸出和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的控制參數(shù)，為兩個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，通過車速數(shù)據(jù)將兩組秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序校準(zhǔn)，同時(shí)排放物從尾管排出到被分析儀感知，存在一個(gè)遲滯時(shí)間，將遲滯時(shí)間校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)能夠?qū)⒖刂茀?shù)與瞬時(shí)排放進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2.2 重采樣

由于排放分析儀的采樣頻率與由OBD獲取測量參數(shù)的采樣頻率不盡相同，需要對(duì)上述數(shù)據(jù)序列進(jìn)行重采樣，本研究將數(shù)據(jù)的時(shí)間序列通過一定規(guī)則統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為10Hz的頻率，方便后續(xù)處理及分析。

2.3 目標(biāo)控制參數(shù)按照偏差量重新定義

對(duì)于受目標(biāo)控制的變量，如空燃比、空燃比閉環(huán)控制因子、點(diǎn)火角、過渡工況控制因子、進(jìn)排氣VVT等變量，按照相對(duì)目標(biāo)的偏差量進(jìn)行重新定義計(jì)算。公式如下：

2.4 WLTC工況劃分

在不同工況和發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下，排放特性的規(guī)律不盡相同。為了更好將控制參數(shù)以外的因素剔除，故人為將WLTC工況數(shù)據(jù)分為冷起動(dòng)、暖機(jī)過程、熱機(jī)穩(wěn)態(tài)、熱機(jī)瞬態(tài)、清氧等幾個(gè)區(qū)間，分別研究這幾個(gè)區(qū)間內(nèi)控制參數(shù)對(duì)于各排放物水平的相關(guān)性。區(qū)間劃分原則見表4。

2.5 相關(guān)系數(shù)計(jì)算

在各個(gè)分區(qū)下，分別對(duì)各關(guān)鍵參數(shù)和排放CO、HC、NOx、PN計(jì)算相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為：

式中x為各關(guān)鍵參數(shù)，y代表CO、NMHC、NOx、PN排放，由于發(fā)動(dòng)機(jī)排放的相關(guān)因素較多，多為多參數(shù)綜合影響，所以在相關(guān)系數(shù)在0.4左右往上，即可人為該參數(shù)與排放有關(guān)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同工況區(qū)間的相關(guān)性分析結(jié)果如下：

3.1 冷起動(dòng)及暖機(jī)工況

無論平原還是高原條件下，整車WLTC循環(huán)中的將近50%排放集中在起動(dòng)和暖機(jī)過程，由于此時(shí)刻的排放物絕對(duì)量值較大，排放峰值時(shí)刻的控制參數(shù)大小直接影響相關(guān)系數(shù)的計(jì)算和正負(fù)關(guān)系，如圖1高原冷起動(dòng)相關(guān)性所示，許多控制變量呈現(xiàn)相反的相關(guān)系數(shù)，故不適合做相關(guān)系數(shù)的對(duì)照分析。但可以用來識(shí)別該工況區(qū)域的重點(diǎn)控制參數(shù)，提供控制優(yōu)化思路。

從整體的參數(shù)相關(guān)系數(shù)大小來看，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力、噴油量、扭矩、電瓶電壓、點(diǎn)火角催化器溫度和儲(chǔ)氧量是冷起動(dòng)排放較為關(guān)鍵的參數(shù)。而暖機(jī)工況。進(jìn)氣壓力、電瓶、空燃比、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩幾個(gè)變量相關(guān)系數(shù)明顯下降而催中溫度和儲(chǔ)氧量明顯上升。從相關(guān)系數(shù)的大小和趨勢變化可以看出，對(duì)于起動(dòng)工況合理的配置進(jìn)氣噴油量參數(shù)，限制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和點(diǎn)火角是控制起動(dòng)排放的關(guān)鍵，同時(shí)電瓶電壓這一外部條件會(huì)造成影響，試驗(yàn)前需要保證電瓶電壓在正常水平。暖機(jī)過程更關(guān)注的是催化器起燃的快慢，優(yōu)先級(jí)遠(yuǎn)高于其他參數(shù)，故暖機(jī)過程的控制要點(diǎn)是保證催化器的快速起燃。

3.2 清氧工況

清氧工況的主要參數(shù)主要為后氧電壓、清氧目標(biāo)空燃比、恢復(fù)供油系數(shù)等，這些控制參數(shù)的CO、NHMC、PN三個(gè)排放物的相關(guān)系數(shù)與NOx呈現(xiàn)明顯相反趨勢，故清氧工況的控制使需要平衡這三個(gè)排放物與NOx排放。

如圖2所示高原后氧電壓、催中溫度和儲(chǔ)氧量相對(duì)CO、NMHC、PN的相關(guān)系數(shù)明顯大于平原且高于0.5，說明在高原下排放對(duì)于清氧控制策略更為敏感且更有賴于催化器的工作狀態(tài)。同時(shí)NOx排放在不同海拔區(qū)域的差異不大，故高原的清氧工況應(yīng)更注意CO、NMHC以及PN的排放控制。

3.3 熱機(jī)穩(wěn)態(tài)及熱機(jī)瞬態(tài)工況

高原平原熱機(jī)穩(wěn)態(tài)及熱機(jī)瞬態(tài)過程參數(shù)對(duì)排放物相關(guān)系數(shù)對(duì)比見圖3所示

在穩(wěn)態(tài)工況區(qū)間，后氧電壓在高原平原熱機(jī)工況區(qū)間下的相關(guān)性表現(xiàn)出了一定差異。與暖機(jī)工況相似認(rèn)為是催化器工作窗口偏移。進(jìn)氣VVT對(duì)CO、NMHC、PN排放有影響，且呈負(fù)相關(guān)，通過提前開啟進(jìn)氣VVT可以優(yōu)化其排放，排氣VVT則無明顯的相關(guān)性。高原差異主要體現(xiàn)在PN上，高原進(jìn)氣VVT與PN的關(guān)聯(lián)性下降。

在熱機(jī)瞬態(tài)工況區(qū)間，進(jìn)氣VVT對(duì)于CO、NHMC、PN的排放物的相關(guān)系數(shù)在平原條件下是高于高原條件且呈負(fù)相關(guān)，說明通過進(jìn)氣提前打開的策略在平原有利于降低CO、NHMC、PN的排放物。而在高原則效果下降尤其是對(duì)于CO。但是對(duì)于NOx在高原下呈現(xiàn)相反趨勢的相關(guān)系數(shù)，且差異明顯。故進(jìn)氣VVT早開在高原會(huì)增加NOx的可能。

綜合熱機(jī)兩個(gè)區(qū)間的VVT控制參數(shù)的表現(xiàn)，VVT控制參數(shù)設(shè)置要綜合考慮各排放物表現(xiàn)，且由于高原平原的差異，有必要開展高原臺(tái)架的試驗(yàn)，引入海拔參數(shù)對(duì)VVT控制角度進(jìn)行修正以達(dá)到更好的排放效果。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)某CVT車型進(jìn)行平原和高原實(shí)驗(yàn)采集的發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)、在不同工況區(qū)間進(jìn)行相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)：

對(duì)于起動(dòng)工況而言，由于排放峰值時(shí)刻顯著影響到相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，故海拔對(duì)照分析建議采用臺(tái)架或轉(zhuǎn)轂排放直采的方式分析，以減小轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室定容分析設(shè)備的延遲時(shí)間的影響。同時(shí)起動(dòng)的關(guān)鍵是控制好進(jìn)氣噴油的控制參數(shù)，同時(shí)合理限限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和點(diǎn)火角進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于暖機(jī)工況，最重要的是做好催化器起燃的標(biāo)定，越快的起燃策略能夠最大程度降低暖機(jī)排放。

對(duì)于清氧工況，重點(diǎn)是設(shè)置合適的清氧目標(biāo)空燃比合理控制后氧電壓表現(xiàn)，以平衡CO、HC、PN三者與NOx的排放表現(xiàn)。

在熱機(jī)穩(wěn)態(tài)工況，后氧電壓相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢變化，說明海拔對(duì)于催化器的窗口控制有偏移的情況，在高海拔區(qū)域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制。

在熱機(jī)工況下，提早開啟進(jìn)氣VVT在平原和高原都有利于減少CO、NMHC、PN三種排放物，但在高原條件熱機(jī)瞬態(tài)工況下的CO相關(guān)性和平原條件熱機(jī)穩(wěn)態(tài)PN相關(guān)性有所下降。而且在高原條件熱機(jī)瞬態(tài)工況下可能導(dǎo)致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差異，有必要開展高原臺(tái)架的試驗(yàn)，引入海拔參數(shù)對(duì)VVT控制角度進(jìn)行修正以達(dá)到更好的排放效果。

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