高原環(huán)境下碳罐脫附流量的影響及優(yōu)化研究

齊 斌 朱小慧 陳 鵬

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 上海 201201）

引言

對(duì)一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃油蒸發(fā)排放是揮發(fā)性大氣污染物中HC 的主要來(lái)源之一[1-2]。碳罐是燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[3]，但其吸附能力有限，必須同時(shí)具有一定的脫附能力（又稱沖洗能力），使得處于吸附飽和狀態(tài)的碳罐能重新恢復(fù)吸附能力。有研究表明試驗(yàn)車輛的脫附流量越大，碳罐脫附得越徹底，其蒸發(fā)排放控制效果也越好[4-5]。

不同國(guó)家法規(guī)要求的蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)中都會(huì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)預(yù)處理行駛，以對(duì)碳罐進(jìn)行脫附?jīng)_洗[6]。由于試驗(yàn)條件的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)開發(fā)通常只針對(duì)平原環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)循環(huán)工況碳罐脫附流量進(jìn)行標(biāo)定，鮮有高海拔環(huán)境對(duì)碳罐脫附流量的影響研究。

基于此，本文以出口墨西哥某車型為例，為滿足高海拔環(huán)境下蒸發(fā)排放要求，應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)HIL（Hardware In Loop）臺(tái)架，進(jìn)行了高海拔UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）循環(huán)工況碳罐脫附流量測(cè)試，以探尋高海拔環(huán)境對(duì)碳罐脫附流量的影響，以及發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)控制模塊標(biāo)定的優(yōu)化方法。

1 仿真試驗(yàn)環(huán)境

1.1 車輛基本參數(shù)

試驗(yàn)車輛為出口墨西哥項(xiàng)目開發(fā)用車，車輛的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)車輛基本參數(shù)

1.2 車輛燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)介紹

車輛燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)如圖1 所示。在一定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECM 控制脫附電磁閥打開，新鮮空氣在歧管的真空吸力和沖洗泵的作用下，從底部進(jìn)入碳罐并經(jīng)碳罐上部管道進(jìn)入進(jìn)氣歧管，空氣在流經(jīng)碳罐內(nèi)部時(shí)，碳罐內(nèi)被吸附的燃油重新蒸發(fā)并跟隨空氣一起進(jìn)入進(jìn)氣歧管，流經(jīng)碳罐的空氣脫附流量大小直接決定了碳罐的再生吸附能力。

圖1 燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)

1.3 硬件在環(huán)HIL 仿真系統(tǒng)介紹

如圖2 所示，該發(fā)動(dòng)機(jī)仿真系統(tǒng)包含了硬件在環(huán)仿真臺(tái)架，發(fā)動(dòng)機(jī)模型、變速箱模型、整車模型以及整車CAN 總線模型。較普通HIL 臺(tái)架，下位機(jī)加載了標(biāo)定級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，更能反映真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)及整車運(yùn)行工況。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)

2 碳罐脫附流量仿真及標(biāo)定優(yōu)化

當(dāng)前國(guó)內(nèi)只有中汽研天津汽車檢驗(yàn)中心具備海拔環(huán)境艙排放測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試費(fèi)用較高，為滿足墨西哥高海拔環(huán)境下對(duì)蒸發(fā)排放的要求，本文采用圖2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)模型對(duì)碳罐脫附流量進(jìn)行仿真研究。首先在平原標(biāo)準(zhǔn)排放試驗(yàn)室采集實(shí)車UDDS 循環(huán)數(shù)據(jù)，以此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，再使用校準(zhǔn)后的模型仿真高原環(huán)境下碳罐脫附流量并進(jìn)行分析及優(yōu)化。

2.1 平原碳罐脫附流量模型校準(zhǔn)

通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)模型中碳罐沖洗泵出口壓力、燃油自學(xué)習(xí)的診斷優(yōu)先級(jí)等參數(shù)，使仿真結(jié)果貼合實(shí)車循環(huán)工況下的脫附流量。仿真與實(shí)車的累積碳罐脫附流量結(jié)果對(duì)比如圖3 所示，在UDDS 循環(huán)工況下，實(shí)車試驗(yàn)累積脫附流量70.5L，HIL 臺(tái)架仿真累積脫附流量70.9L，仿真與實(shí)車數(shù)據(jù)誤差為0.6%，表明此發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)模型有較高的準(zhǔn)確度。

圖3 平原環(huán)境下碳罐脫附流量

2.2 平原高原碳罐脫附流量對(duì)比及影響因素分析

發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)HIL 臺(tái)架具備不同地理環(huán)境仿真功能，在HIL 中設(shè)置大氣壓力為73 kPa，使用在平原校正過(guò)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。高原環(huán)境下碳罐脫附流量為14.3 L，較平原仿真流量下降了79.8%。

圖4 平原高原環(huán)境下碳罐脫附流量對(duì)比

碳罐脫附?jīng)_洗的主要使能條件為：發(fā)動(dòng)機(jī)水溫大于一定溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣率在一定范圍內(nèi)；系統(tǒng)預(yù)判未減速斷油；油路自學(xué)習(xí)未進(jìn)行；碳罐沖洗具有較高優(yōu)先級(jí)等。

對(duì)HIL 臺(tái)架采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在高原環(huán)境下，為滿足駕駛工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求，小排量發(fā)動(dòng)機(jī)更多地進(jìn)入了掃氣工況。在1 372 s 的UDDS 循環(huán)工況中，共有146 s 的時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣率大于1.05，如圖5 所示，掃氣工況增加是碳罐脫附流量下降的因素之一。進(jìn)一步分析高原環(huán)境下相同工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較平原高，更容易進(jìn)入預(yù)判斷油，從而中斷碳罐沖洗。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)ECM 根據(jù)空燃比閉環(huán)控制回路確定空燃比的偏離程度，與正常運(yùn)行時(shí)的情形進(jìn)行對(duì)比，對(duì)由脫附蒸汽氣流引起的空燃比修正量做出估計(jì)，以確定脫附氣流中的燃油含量。由于高原空燃比預(yù)控模型未作優(yōu)化也造成了碳罐脫附流量減少。

圖5 平原高原環(huán)境下掃氣率對(duì)比

2.3 增加碳罐脫附流量的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定措施及其應(yīng)用效果的仿真

針對(duì)以上高原環(huán)境下碳罐脫附流量下降的因素，通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃油蒸發(fā)控制標(biāo)定參數(shù)提高碳罐脫附流量并仿真其應(yīng)用效果。

2.3.1 放寬掃氣率限值

發(fā)動(dòng)機(jī)蒸發(fā)排放系統(tǒng)控制中通常會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定一定的掃氣率限值，以中斷碳罐脫附。仿真中將掃氣率標(biāo)定限值由原來(lái)的1.05 調(diào)整為1.1，在UDDS循環(huán)工況下碳罐脫附流量可以提高到24.4L，如圖6所示，較標(biāo)定參數(shù)優(yōu)化前提高70.6%。但在開發(fā)中應(yīng)用此標(biāo)定優(yōu)化措施時(shí)需要注意的是，在掃氣工況中，需要根據(jù)排氣溫度和前氧檢測(cè)結(jié)果對(duì)排氣管中的空燃比進(jìn)行更精確的優(yōu)化控制[7]，以避免碳罐脫附對(duì)系統(tǒng)空燃比的沖擊造成排放惡化。

圖6 高原環(huán)境下放寬掃氣率限值碳罐脫附流量對(duì)比

2.3.2 提高斷油轉(zhuǎn)速

在減速斷油時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不噴油會(huì)導(dǎo)致尾氣中氧含量極大增加，催化器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率會(huì)大大降低，若此時(shí)進(jìn)行碳罐沖洗，將導(dǎo)致NOx排放極度惡化[8]。因此在碳罐脫附控制策略中，會(huì)對(duì)減速斷油工況進(jìn)行預(yù)判，禁止碳罐脫附清洗。

提高發(fā)動(dòng)機(jī)減速斷油轉(zhuǎn)速雖然會(huì)損失小部分燃油經(jīng)濟(jì)性，但可以減少系統(tǒng)禁止碳罐沖洗的時(shí)間，從而提高碳罐脫附流量。在仿真中將斷油轉(zhuǎn)速提高40%，可以將平原環(huán)境下預(yù)判斷油的時(shí)間由222 s 減少到41 s，碳罐脫附流量由70.9 L 提高到89.6 L。而在高原環(huán)境下提高斷油轉(zhuǎn)速，預(yù)判斷油的時(shí)間由336 s 減少到170 s，碳罐脫附流量由14.3 L 提高到16.8 L，如圖7 所示，表明在高原環(huán)境下提高減速斷油轉(zhuǎn)速對(duì)碳罐脫附流量的提升效果不明顯。

圖7 提高斷油轉(zhuǎn)速碳罐脫附流量對(duì)比

2.3.3 提高目標(biāo)脫附流量

在發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比預(yù)控準(zhǔn)確的情況下，空燃比的偏差完全由碳罐沖洗氣流中的HC 成分造成，兩者存在映射關(guān)系，所以可以通過(guò)空燃比的偏差獲得碳罐中HC 成分的信息。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制標(biāo)定參數(shù)設(shè)置，提高沖洗氣流中的目標(biāo)燃油比率和部分工況下碳罐閥開度，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和可能的空燃比偏差情況下的碳罐沖洗率。

目標(biāo)脫附流量的設(shè)定過(guò)大會(huì)造成碳罐中的油氣大量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管，導(dǎo)致混合氣過(guò)濃，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，從而對(duì)整車尾氣排放造成負(fù)面影響，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[5]。因此在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中需要平衡碳罐脫附流量的大小、尾氣排放及發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性三者之間的關(guān)系。

3 結(jié)論

在出口墨西哥項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中，為適應(yīng)當(dāng)?shù)馗吆０苇h(huán)境的排放要求，需要適當(dāng)提高碳罐脫附流量以使碳罐具備再生吸附能力。應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)HIL 臺(tái)架可以快速定位高原環(huán)境下造成碳罐脫附流量減少的因素，通過(guò)適當(dāng)放寬掃氣率限值和提高減速斷油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等標(biāo)定參數(shù)優(yōu)化措施，改善循環(huán)工況下碳罐脫附流量。應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)硬件在環(huán)系統(tǒng)HIL 臺(tái)架可以大大節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。同時(shí)本研究對(duì)于國(guó)內(nèi)蒸發(fā)排放的高原試驗(yàn)研究具有一定的借鑒意義。