輕型汽車尾氣排放物控制策略分析

陳家軍，溫向峰，吳 頌，周曉剛，鄭榮亮，覃俊林

（東風(fēng)柳州汽車股份有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

中國(guó)最新輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了輕型汽車污染物排放第六階段型式檢驗(yàn)的要求、生產(chǎn)一致性和在用符合性檢查的要求和判定方法。本文主要以標(biāo)準(zhǔn)中排氣污染物試驗(yàn)中的常溫冷啟動(dòng)I 型排放物試驗(yàn)為基礎(chǔ)，概述I 型排放物試驗(yàn)過(guò)程中常用的控制策略[1-2]。

1 理論空燃比工況控制策略

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在理論空燃比工況，根據(jù)三元催化器上前后氧傳感器，能形成混合氣的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物近乎完全轉(zhuǎn)化，催化器同樣處于轉(zhuǎn)化效率最佳的窗口期，此時(shí)的汽車尾管排放產(chǎn)物應(yīng)該很低。

全就統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（WLTC）的大多數(shù)工況下（車輛冷機(jī)起動(dòng)，斷油滑行，車載自動(dòng)診斷等工況例外），都需要精確的燃油閉環(huán)將實(shí)際空燃比控制在催化器高效率窗口內(nèi)。綜合考慮到THC、CO、NOx三者的最優(yōu)效率的轉(zhuǎn)化窗口在0.98～0.99，而實(shí)際應(yīng)用中，一般出于抑制NOx的目的，會(huì)將目標(biāo)窗口控制在略濃的一側(cè)。排放中理論空燃比工況的控制目標(biāo)是讓氧信號(hào)有很好的震蕩，同時(shí)控制在目標(biāo)窗口略濃的一側(cè)，如圖1 所示。

圖1 三元催化器反應(yīng)窗口

2 非理論空燃比工況控制策略

除去理論空燃比工況，開(kāi)環(huán)狀態(tài)的非理論空燃比工況是尾氣排放物主要產(chǎn)生點(diǎn)，需要用特殊控制策略去抑制汽車尾氣中排放物的產(chǎn)生，此階段通過(guò)整車控制混合氣模型來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)控制，整車排放物試驗(yàn)摸底的過(guò)程中調(diào)節(jié)好預(yù)控制參數(shù)，達(dá)到法規(guī)限值要求，非理論空燃比工況主要包括車輛冷機(jī)啟動(dòng)的階段和減速斷油工況，本文主要闡述冷機(jī)啟動(dòng)階段中催化器起燃、起燃轉(zhuǎn)速、起燃階段的點(diǎn)火角控制、起燃階段的空燃比控制，閉環(huán)時(shí)間控制以及減速斷油工況控制策略。

2.1 冷機(jī)啟動(dòng)階段

2.1.1 催化器起燃

起燃模式的主要目的是加快催化器的起燃速度，讓催化器最短的時(shí)間進(jìn)入工作狀態(tài)，以達(dá)到轉(zhuǎn)化汽車尾氣的目的，實(shí)現(xiàn)方式主要有提高目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速，使用偏稀的空燃比和較小的點(diǎn)火角。進(jìn)入起燃模式首先取決于水溫、進(jìn)氣溫、海拔、停機(jī)時(shí)間等條件。上電擰鑰匙時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECU）會(huì)檢測(cè)起動(dòng)水溫和進(jìn)氣溫是否在閾值區(qū)間，對(duì)應(yīng)海拔是否有開(kāi)始加熱需求，如果滿足條件，起燃標(biāo)志位會(huì)置true。此時(shí)車輛起動(dòng)后，會(huì)進(jìn)入起燃模式，同時(shí)會(huì)檢測(cè)是否有其他不滿足的條件（如催化器、水溫相關(guān)故障），如果有，則會(huì)立即退出起燃模式。

起燃的溫度窗口通常設(shè)置為10～40 ℃，其他溫度區(qū)間是否需要開(kāi)啟起燃，需要在三高試驗(yàn)中做標(biāo)定驗(yàn)證，因?yàn)槠鹑脊r的介入會(huì)影響到駕駛性，在滿足排放法規(guī)要求下，部分工況使用不到起燃工況的控制策略。

起燃的時(shí)間主要通過(guò)催化器加熱所需累積氣量來(lái)判斷，通過(guò)設(shè)定催化器累積氣量閾值，累積氣量大于閾值則退出加熱。從開(kāi)始進(jìn)入加熱到退出這段時(shí)間，稱為催化器的起燃時(shí)間。起燃持續(xù)時(shí)間的設(shè)置應(yīng)該參考催化器實(shí)測(cè)溫度，催化器溫度升到350 ℃，轉(zhuǎn)化效率一般可以達(dá)到80%～90%，此時(shí)可以認(rèn)為起燃已經(jīng)結(jié)束。對(duì)于某些GDI 項(xiàng)目由于起燃使用了多次噴射，在WLTC 循環(huán)（圖2）中車速升到第一個(gè)坡頂然后減速時(shí)，負(fù)荷很小，很容易進(jìn)入非線性區(qū)，考慮到這一點(diǎn)，如果催化器實(shí)際溫度可以接受，也可以將起燃結(jié)束設(shè)置在車速第一個(gè)坡頂處。

圖2 WLTC 循環(huán)工況

2.1.2 起燃轉(zhuǎn)速

加快催化器起燃可以通過(guò)提高起動(dòng)時(shí)刻的目標(biāo)怠速和目標(biāo)怠速的衰減減緩來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)會(huì)帶來(lái)高怠速、怠速轉(zhuǎn)速回落過(guò)慢、抖動(dòng)、頓挫等問(wèn)題，權(quán)衡排放與起動(dòng)安全舒適性來(lái)設(shè)置起燃的轉(zhuǎn)速。

不同溫度下啟動(dòng)的目標(biāo)怠速轉(zhuǎn)速略有差異，溫度越低，目標(biāo)怠速越高，主要是出于保證啟動(dòng)安全性考慮，常溫起燃轉(zhuǎn)速一般建議設(shè)置為1100～1400 r/min。從排放物控制角度考慮，理論上并不是轉(zhuǎn)速越高越好，提高起燃轉(zhuǎn)速，需要跟多進(jìn)氣和噴油，轉(zhuǎn)速越高意味著起燃完成之前的原排總量會(huì)上升，同樣有可能造成最終的尾氣排放水平變差，轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)試來(lái)決定。

2.1.3 起燃階段的點(diǎn)火角控制

活塞從點(diǎn)火時(shí)刻起到活塞到達(dá)上止點(diǎn)，這段時(shí)間曲軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為點(diǎn)火角。點(diǎn)火角過(guò)大，易爆燃，點(diǎn)火角過(guò)小，排出到催化器的氣體熱量越大，催化器起燃速度越快，功率降低。理論上最小點(diǎn)火提前角為0°，但為了防止做功行程才點(diǎn)燃混合氣（做功損失）通常設(shè)為-10°以上，最大點(diǎn)火提前角也不能太大，一般不超過(guò)60°，有可能點(diǎn)火時(shí)刻還沒(méi)噴油，或者混合氣在未完全混合的情況下，易出現(xiàn)振動(dòng)和溫升問(wèn)題，效率也會(huì)下降。

負(fù)荷一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速提高，需要增大點(diǎn)火提前角，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，點(diǎn)火角增大幅度減緩或保持不變；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著負(fù)荷增大，需要適當(dāng)減少點(diǎn)火提前角。

在催化器起燃階段，為縮短起燃時(shí)間，可以通過(guò)適當(dāng)退點(diǎn)火角來(lái)增加氣體熱量，但需要注意，冷機(jī)階段燃燒不穩(wěn)定，盡量保證在冷機(jī)起動(dòng)時(shí)的催化器起燃階段點(diǎn)火角穩(wěn)定。

2.1.4 起燃階段的空燃比控制

考慮到催化器還沒(méi)起燃，啟動(dòng)后空燃比下沉后快速回升至1 附近，讓空燃比處在偏稀一側(cè)，適當(dāng)?shù)钠∮欣诩涌齑呋髌鹑?，但不建議過(guò)稀影響啟動(dòng)安全性，對(duì)于自動(dòng)擋項(xiàng)目，如果掛入D 檔后，實(shí)測(cè)空燃比偏稀，則可以通過(guò)首次換擋加濃來(lái)改善。起燃階段，水溫在20～30 ℃溫度區(qū)間的空燃比值應(yīng)該控制在0.95～1.05 之間，從排放物的控制角度來(lái)說(shuō)過(guò)稀會(huì)引起NOx劣化，過(guò)濃引起CO 劣化。

2.1.5 燃油閉環(huán)進(jìn)入時(shí)間

前后氧傳感器過(guò)露點(diǎn)后，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECU）借助氧傳感器信號(hào)對(duì)燃油實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可以更精準(zhǔn)的控制實(shí)際空燃比。除斷油、急加速等開(kāi)環(huán)工況外，應(yīng)該盡可能早進(jìn)入閉環(huán)控制。

氧傳感器加熱進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，其加熱時(shí)間通過(guò)傳感器的性能和型號(hào)來(lái)確定，為了使傳感器更快進(jìn)入工作狀態(tài)，通常采用無(wú)露點(diǎn)氧傳感器，可以極大縮短氧傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)的時(shí)間。

進(jìn)入燃油閉環(huán)主要取決發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)和時(shí)間、前后氧傳感器是否準(zhǔn)備完成、催化器的累積氣量等條件，我們通過(guò)催化器的累積氣量來(lái)控制燃油閉環(huán)的進(jìn)入時(shí)刻，即其他進(jìn)入閉環(huán)的條件都滿足，催化器的累積氣量是最后一個(gè)滿足的條件。但是在排放冷啟動(dòng)后，希望能夠盡早進(jìn)入閉環(huán)控制，避免不合適的空燃比導(dǎo)致的排放惡化，這種情況下，燃油閉環(huán)的進(jìn)入條件取決于氧傳感器是否已準(zhǔn)備完成的時(shí)機(jī)。而上面提到的氧傳感器準(zhǔn)備完成又決定于氧傳感器電壓信號(hào)，由加熱時(shí)間決定。所以排放中一般將進(jìn)入閉環(huán)控制的其他條件放的比較早，當(dāng)氧傳感器完成加熱準(zhǔn)備完成后立即進(jìn)入閉環(huán)。

2.2 減速斷油工況

對(duì)于手動(dòng)擋MT 車型，需要使用減速斷油功能來(lái)避免換擋期間轉(zhuǎn)速的突變，從而改善駕駛性，另外，因?yàn)閾Q擋期間負(fù)荷很小，燃燒不穩(wěn)定，主動(dòng)進(jìn)入斷油工況會(huì)更有利于排放。但是斷油時(shí)刻，節(jié)氣門未完全關(guān)閉會(huì)引起催化器中充入過(guò)多的氧氣，富氧狀態(tài)下帶來(lái)NOx升高的問(wèn)題，因此在退出減速斷油恢復(fù)供油時(shí)需要采取加濃清氧的措施來(lái)改善這個(gè)問(wèn)題，加濃的設(shè)定，需要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)做精準(zhǔn)標(biāo)定，如果設(shè)定過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)過(guò)濃的情況，帶來(lái)CO 和THC 的劣化，加濃設(shè)定過(guò)小，容易導(dǎo)致清氧不徹底，NOx會(huì)劣化。需要注意的是，在催化器起燃階段，不會(huì)觸發(fā)斷油工況，斷油會(huì)影響催化器盡快起燃。

減速斷油工況與整車油耗關(guān)系比較密切，考慮到油耗目標(biāo)，在滿足排放目標(biāo)的情況下，會(huì)把減速斷油工況時(shí)長(zhǎng)盡量延長(zhǎng)。

3 啟停工況控制策略

啟停功能主要目的是為了降低油耗，在實(shí)際排放物控制策略，WLTC 工況第一階段怠速應(yīng)該避免停機(jī)，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)還未完全熱機(jī)，此時(shí)的啟停會(huì)使CO 和THC 惡化，啟停的動(dòng)作時(shí)機(jī)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等相關(guān)條件。在WLTC 中起停開(kāi)始作動(dòng)的時(shí)候，水溫一般已經(jīng)到了80 ℃，熱機(jī)條件下，很稀的空燃比就可以順利啟動(dòng)。為了降低THC 和CO，可以使得啟動(dòng)后的實(shí)測(cè)空燃比控制在1 附近。啟停工況屬于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，熱機(jī)后，前后氧傳感器已經(jīng)完成ready，再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，氧催化器無(wú)需再次加熱，會(huì)很快進(jìn)入到閉環(huán)控制。并且，熱機(jī)后的催化器已經(jīng)度過(guò)了冷機(jī)起燃階段，催化器轉(zhuǎn)化效率比較高，對(duì)排放惡化影響較少。

4 后氧修正控制策略

后氧修正是借助于后氧傳感器電壓信號(hào)的反饋與前氧傳感器的控制形成燃油閉環(huán)，起到一定的修正作用，目的是對(duì)由催化器老化或者相關(guān)零部件如氧傳感器老化等原因造成的排放劣化進(jìn)行一定的補(bǔ)償。后氧傳感器一般都是開(kāi)關(guān)氧傳感器，與之搭配的前氧傳感器可以是開(kāi)關(guān)類型也可以是寬域類型的。位置一般布置在后級(jí)催化器之后或者前級(jí)催化器和后級(jí)催化器之間。

后氧修正可以通過(guò)兩種方式對(duì)燃油進(jìn)行修正：中值補(bǔ)償、對(duì)偏濃測(cè)（rich bias）進(jìn)行修正。

中值修正此方法旨在通過(guò)補(bǔ)償前氧控制中值，來(lái)使后氧信號(hào)保持在期望的濃稀窗口內(nèi)。后氧信號(hào)如果低于下限值Lean threshold，說(shuō)明催化器內(nèi)處于偏稀的狀態(tài)，后氧學(xué)習(xí)的偏移量offset 增大，加在前氧控制中值上的偏移量offset 變大，前氧控制中值提高，相當(dāng)于往加濃的方向調(diào)整燃油。反之，后氧信號(hào)高于上限值rich threshold，說(shuō)明催化器內(nèi)處于偏濃的狀態(tài)，后氧學(xué)習(xí)偏移量offset 減小，前氧控制中值減小，相當(dāng)于往減稀的方向調(diào)整燃油，如圖3 所示。

圖3 后氧傳感器工作窗口

前氧控制本身有偏濃測(cè)（rich bias）功能，它的作用是當(dāng)前氧信號(hào)從正向向負(fù)向轉(zhuǎn)變的時(shí)候推遲，形成一個(gè)延遲時(shí)間（delay），意味著在正向的時(shí)間更長(zhǎng)一些，從而起到加濃的作用。如圖4 所示。

圖4 前氧傳感器工作窗口

根據(jù)后氧信號(hào)濃稀，同樣可以對(duì)前氧的偏濃測(cè)（rich bias）進(jìn)行補(bǔ)償。正向的偏移量offset 會(huì)增加在正向持續(xù)的時(shí)間，并相應(yīng)減少在負(fù)向持續(xù)的時(shí)間，相當(dāng)于往加濃的方向調(diào)整燃油。負(fù)向的偏移量offset 會(huì)減小在正向持續(xù)的時(shí)間，并相應(yīng)增加在負(fù)向持續(xù)的時(shí)間，相當(dāng)于往減稀的方向調(diào)整燃油。

5 三元催化器控制策略

中國(guó)第六階段最新輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)，帶來(lái)更多瞬態(tài)工況，限值更低以及低PM/PN和RDE 循環(huán)的要求，相對(duì)第五階段輕型汽車的排放法規(guī)，采用的控制策略如下[3-4]：

（1）三元催化器載體更高的OSC（儲(chǔ)氧量）來(lái)應(yīng)對(duì)瞬態(tài)工況；

（2）催化器起燃采用新涂層材料技術(shù)，來(lái)降低起燃溫度，使催化器起燃更快，改善冷機(jī)階段起燃工況催化器轉(zhuǎn)化效率不高的問(wèn)題；

（3）高孔密度薄壁載體技術(shù)應(yīng)用，從而加大汽車尾氣排放物與載體表面涂層接觸面積，提升轉(zhuǎn)化效率，三元催化器載體孔徑減小會(huì)使背壓升高，影響油耗和動(dòng)力性，需要均衡考慮；

（4）高活性涂層以及新涂層技術(shù)，轉(zhuǎn)化型活性提高，吸附性懸浮顆粒物更強(qiáng)；

（5）分層涂層，貴金屬和活性材料的按尾氣排放物濃度分布，提高催化劑在近端的耐高溫能力。

6 實(shí)例分析

X 項(xiàng)目，根據(jù)車重及整車類型，查第六階段最新輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，采用I 型試驗(yàn)排放限值采用6b階段一類車限值作為限值控制，考慮到車輛催化器零部件等各方面的散差，氣態(tài)排放物最好是能夠控制在法規(guī)限值除以劣化系數(shù)的70%以內(nèi)，如圖5 所示。X項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)階段車輛完成檢查以及預(yù)處理浸車，按照試驗(yàn)流程開(kāi)展I 型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示[5]。

圖5 Ⅰ型試驗(yàn)排放限值

圖6 I 型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

如圖5 所示，氣態(tài)排放物采用劣化系數(shù)法經(jīng)劣化后，統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖7），NOx≈105.76%＞70%，排放物超過(guò)法規(guī)限值。

圖7 X 項(xiàng)目I 型試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)采樣的秒彩數(shù)據(jù)，分析NOx排放物出現(xiàn)的試驗(yàn)工況，根據(jù)WLTC 循環(huán)氣態(tài)采集排放物所示（圖8），排放物NOx主要出現(xiàn)二個(gè)階段，分別是冷機(jī)第一階段起動(dòng)時(shí)刻及高速段的瞬態(tài)工況。冷機(jī)階段啟動(dòng)階段冒NOx的原因是三元催化器溫度偏低，轉(zhuǎn)化效率不高，并且噴油預(yù)控處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，鑒于排放物峰值不高，此階段的排放物控制可不做修正。高速階段氣態(tài)排放物冒了兩個(gè)峰值，依據(jù)NOx生成機(jī)理，主要產(chǎn)生于高溫富氧環(huán)境。根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析峰值區(qū)處于開(kāi)環(huán)的斷油工況（圖9），在此工況下，在恢復(fù)供油時(shí)刻觸發(fā)加濃清氧的邏輯，催化器窗口偏稀導(dǎo)致清氧不徹底，標(biāo)定的調(diào)整策略主要是加濃清氧。

圖8 WLTC 循環(huán)氣態(tài)排放物分析

圖9 標(biāo)定采集數(shù)據(jù)分析

更新標(biāo)定后，再次進(jìn)行I 型試驗(yàn)，排放物均滿足排放物法規(guī)限值，NOx排放物由105.76%下降至57.95%，改善明顯，如圖10 所示。

圖10 X 項(xiàng)目I 型試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語(yǔ)

汽車尾氣排放物受發(fā)動(dòng)機(jī)原排、三元催化器、GPF、駕駛習(xí)慣、油品等多種因素影響，控制策略的選擇基于法規(guī)和實(shí)際汽車尾氣排放物多少以及出現(xiàn)的工況，通過(guò)調(diào)整ECU 標(biāo)定數(shù)據(jù)控制及三元催化器、GPF 等硬件適配，達(dá)到動(dòng)力性、舒適性、油耗和汽車尾氣排放平衡狀態(tài)。