整車怠速啟停功能對排放影響研究及優(yōu)化

收稿日期：2023-12-15

作者簡介

楊雨晨（1991—），男，工程師，主要從事整車EMS/HCU標(biāo)定工作。

【摘 要】為了探究怠速啟停功能對排放的影響，文章依托國Ⅵ某燃油車進(jìn)行開關(guān)怠速啟停WLTC排放對比試驗，通過對排放污染物測試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)單純開關(guān)怠速啟停功能，NOx排放結(jié)果會有約18%惡化。根據(jù)排放秒采數(shù)據(jù)精準(zhǔn)識別NOx排放污染物差異點，針對差異點進(jìn)行控制發(fā)動機(jī)加濃自動起機(jī)后空燃比以及清氧模塊空燃比，并推遲該工況點火角，改變發(fā)動機(jī)燃燒情況，降低NOx排放物生成。該優(yōu)化方案為后續(xù)整車怠速啟停功能開啟后排放提供優(yōu)化方向。

【關(guān)鍵詞】怠速啟停；減排；環(huán)保；排放；加濃；空燃比

中圖分類號：U463.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0057-04

Study and Optimization of Vehicle Idling Start-stop Function on Emission

YANG Yuchen，WEI Shouqi，LIN Wanguo，ZHANG Pengfei，DU Lidong，ZHAO Zhongnan

（FAW CAR Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】In order to explore the impact of idle start-stop function on emissions，this paper relies on a CN6 fuel vehicle to conduct a WLTC emission comparison test. Through the analysis of emission pollutant test results，it is found that about 18% of NOx emission results will be worsened if idle start-stop function is only used. The difference points of NOx emission pollutants are accurately identified according to the emission second data，and the air-fuel ratio after engine enrichment automatic starting and air-fuel ratio of oxygen purging module are controlled according to the difference points，and the ignition Angle undeOy0MKhDt0Zlu5FbuVJgvaw==r this working condition is delayed，the engine combustion condition is changed，and the generation of NOx emissions is reduced. The optimization scheme provides the optimization direction for the emission after the subsequent vehicle idle start-stop function is turned on.

【Key words】idle start-stop；reduce emissions；environmental protection；emission；enrich；air-fuel ratio

1 前言

隨著全球氣候變化的加劇和環(huán)境問題的日益突出，減少汽車尾氣排放已成為各國政府和汽車制造商亟需解決的重要問題。為了應(yīng)對氣候變化和環(huán)境污染等問題，許多國家和地區(qū)紛紛提出了汽車碳中和的要求[1]。中國也頒布了更加嚴(yán)苛的排放[2]以及能耗法規(guī)[3]，來應(yīng)對能源消耗以及環(huán)境污染等問題。更加先進(jìn)節(jié)能減排的整車和發(fā)動機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到最新開發(fā)的車型上，其中怠速啟停功能作為最常用、最成熟的一種技術(shù)應(yīng)用到大多數(shù)汽車上。

怠速啟停技術(shù)誕生于日本，受日本能源短缺的影響，日本對于車輛油耗有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，為了降低行駛油耗，日本車企研發(fā)出了怠速啟停技術(shù)。日本豐田公司于20世紀(jì)70年代研制出世界上第1套怠速啟停系統(tǒng)并應(yīng)用于其生產(chǎn)的皇冠轎車上，該套怠速啟停技術(shù)能夠在車輛靜止1.5s后自動關(guān)閉發(fā)動機(jī)。經(jīng)過日本國土交通10～15循環(huán)測試驗證，該套怠速啟停技術(shù)可以節(jié)約整車油耗10%左右[4]。

在中國，怠速啟停技術(shù)也應(yīng)用廣泛。在中國城市道路駕駛工況中，汽車怠速工況的情況可高達(dá)20%以上，而汽車怠速的過程中，汽車尾氣的排放總量不斷增加，缸內(nèi)的燃料燃燒并沒有帶動汽車前進(jìn)，造成了能源的消耗與環(huán)境的污染。燃料能源的過度消耗不僅會對空氣造成污染，還會對能源利用率造成較大的影響。而汽車怠速啟停系統(tǒng)的全面發(fā)展對于環(huán)境問題至關(guān)重要，它可以有效解決環(huán)境污染等問題，真正意義上實現(xiàn)節(jié)能減排的目的[5]。怠速啟停系統(tǒng)是在整車短時間停止時控制發(fā)動機(jī)停止，并在駕駛員操作或者系統(tǒng)有需求時再次起動的智能控制系統(tǒng)。當(dāng)遇到紅綠燈或者堵車時，發(fā)動機(jī)怠速啟停系統(tǒng)能夠讓發(fā)動機(jī)熄火；當(dāng)駕駛員踩下離合器、油門踏板或松開制動的瞬間，發(fā)動機(jī)起動，可有效降低車輛的燃油消耗和排放[6-8]。

2 怠速啟停條件介紹

以國內(nèi)某車企的國Ⅵ汽車為例，介紹一般情況下怠速啟停功能開啟關(guān)閉以及發(fā)動機(jī)啟停機(jī)策略。該車型為某款自主Sedan類型燃油車，整車質(zhì)量為1485kg，配置1.5L渦輪增壓發(fā)動機(jī)，其最大扭矩為250N·m，最大功率為115kW，搭載濕式7速雙離合變速器，擁有控制怠速啟停功能按鍵開關(guān)。下文從啟停功能開啟關(guān)閉狀態(tài)、自動停機(jī)控制以及自動起機(jī)控制3個方面介紹該車型怠速啟停功能控制條件與觸發(fā)條件。

2.1 啟停功能的開啟/關(guān)閉狀態(tài)

怠速啟停功能在每一個駕駛循環(huán)默認(rèn)強(qiáng)制開啟，即駕駛員按下點火開關(guān)或者鑰匙置于IG ON狀態(tài)下，怠速啟停功能都將開啟。駕駛員可以通過手動控制怠速啟停按鍵，來控制怠速啟停功能在此駕駛循環(huán)下是否工作。該車型按鍵在主駕駛位左側(cè)，有個A形圖標(biāo)，如果駕駛員按下一次開關(guān)就觸發(fā)一次開啟/關(guān)閉的狀態(tài)切換。下一次熄火后，怠速啟停功能仍然開啟，如果不需要開啟該功能，需要手動再次關(guān)閉。

2.2 自動停機(jī)控制

通過啟停系統(tǒng)控制自動停止發(fā)動機(jī)的條件見表1。

滿足以上所有條件后，當(dāng)駕駛員擋位處于舒適模式或者運動模式行駛，踩下制動踏板或制動液壓力≥10bar（可標(biāo)定），直到車輛靜止，無論是什么模式，要求接收到TCU的停機(jī)請求后，發(fā)動機(jī)停機(jī)。車輛停機(jī)再次激活條件，如果車輛在第1次停機(jī)后再次進(jìn)入下次停機(jī)狀態(tài)時，車輛必須行駛距離大于5km/h（可標(biāo)定），避免擁堵路面頻繁停機(jī)。

如果在停機(jī)狀態(tài)下駕駛員存在以下條件，系統(tǒng)則認(rèn)為出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，會產(chǎn)生相應(yīng)結(jié)果。

1）駕駛員打開安全帶并同時打開駕駛員車門，則啟停系統(tǒng)關(guān)閉，需要鑰匙點火或按下一鍵式起動開關(guān)才能再次起動，同時發(fā)送信號給儀表顯示手動重啟車輛。

2）任意安全條件不滿足，若啟停功能被觸發(fā)，則啟停系統(tǒng)關(guān)閉，需要鑰匙點火或按下一鍵式起動開關(guān)才能再次起動，同時發(fā)送信號給儀表顯示手動重啟車輛。

3）在安全帶或駕駛員車門其中一個打開時，若啟停功能未被觸發(fā)，安全帶或駕駛員車門恢復(fù)，則啟停系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.3 自動起機(jī)控制

通過啟停系統(tǒng)控制自動啟動發(fā)動機(jī)的條件見表2。

滿足以上任意條件后，當(dāng)擋位處于P/N擋時，檢測到制動踏板從未踩下到踩下，則立即起機(jī)。除舒適模式和運動模式位切換不起動發(fā)動機(jī)，其他擋位模式切換會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)啟動。

2.4 首次下線操作

當(dāng)車輛首次下線后，短時間內(nèi)無法滿足自動停機(jī)/自動起動條件，所以增加怠速啟停下線模式功能，以滿足下線動態(tài)檢測要求。啟停系統(tǒng)下線檢測操作步驟如下。

1）同時踩下油門踏板、制動踏板，按住面板上的怠速啟停開關(guān)，8～10s（可標(biāo)定）。

2）松開油門踏板、制動踏板、面板上的怠速啟停開關(guān)。

3）再執(zhí)行步驟1）、2）兩次，即下線檢測成功。

3 怠速啟停功能對排放影響

3.1 試驗方案與結(jié)果

國Ⅵ排放法規(guī)除了采用更為嚴(yán)格的排放限值外，還更換了駕駛循環(huán)，采用WLTC循環(huán)（全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)）。WLTC循環(huán)相較于國V的NEDC循環(huán)動態(tài)工況更多，怠速工況更少，發(fā)動機(jī)控制難度更大。具體對比數(shù)據(jù)見表3。

對同一臺車輛在專業(yè)的排放試驗轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行排放測試，分別單獨開關(guān)怠速啟停功能，通過CVS排放分析儀對排放循環(huán)產(chǎn)生的污染物進(jìn)行采集與處理。試驗測試完成后對國Ⅵ新鮮排放WLTC測試循環(huán)排放結(jié)果進(jìn)行分析，得到了排放污染物結(jié)果，如圖1所示，其中黃色是關(guān)閉怠速啟停功能排放結(jié)果（左），黑色是開啟怠速啟停功能排放結(jié)果（右），具體排放量見表4。

根據(jù)排放對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在WLTC排放循環(huán)中，單純開關(guān)啟停功能對除NOx以外的其他氣態(tài)污染物基本沒有差別，排放量誤差在4.5%以下，但是對NOx排放影響較大，開啟怠速啟停功能會惡化約18%。但是大多數(shù)人認(rèn)為怠速啟停功能可以有效降低油耗和排放，與本次測試結(jié)果有所出入，因此需對排放過程的污染物秒采結(jié)果進(jìn)行分析，尋找NOx排放增加的具體原因。

3.2 原因分析

NOx主要指NO和NO2，其次是N2O3、N2O、N2O4和N2O5。在正常情況下，空氣中的氮和氧是以分子形式存在的，它們之間的化學(xué)鍵非常穩(wěn)定，難以發(fā)生反應(yīng)，但是在高溫和高壓的條件下，這些分子會被分解成原子，然后重新組合成不同的化合物。發(fā)動機(jī)燃料在燃燒過程中，主要會生成大量的氧化亞氮（NO），長期停留在大氣c18a303154e9d3a2b4408ba33ed78aefaee75cfd4ffd3c7ff77c71e4eadd26da環(huán)境下最終轉(zhuǎn)化成二氧化氮（NO2）。根據(jù)NOx生成機(jī)制可以看出，當(dāng)催化器中的氧含量過高或者燃燒溫度過高都會產(chǎn)生更多的NOx。

根據(jù)上述生成機(jī)理以及對排放過程中采集的EMS內(nèi)部參數(shù)和CVS排放分析儀氣態(tài)排放物秒采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2和圖3所示，其中黑色曲線為車速信號，紅色曲線為NOx排放結(jié)果，下文中后續(xù)排放秒采結(jié)果均為此處描述所示。根據(jù)測試結(jié)果分析，可以將WLTC循環(huán)排放物生成分為兩部分，第1部分為起動部分（催化器溫度低），第2部分為正常轉(zhuǎn)化部分（催化器溫度高）。

在發(fā)動機(jī)首次起動后一段時間內(nèi)NOx排放會有異常升高，該現(xiàn)象無論怠速啟停功能是否開啟都存在此現(xiàn)象。這是因為發(fā)動機(jī)剛啟動，三元催化器溫度未達(dá)到轉(zhuǎn)化高效溫度，污染物轉(zhuǎn)化效率沒有完全釋放出來，NOx排放都會大量生成。該階段一般通過控制發(fā)動機(jī)電噴參數(shù)，比如略微減稀空燃比，推遲點火提前角，進(jìn)而使燃燒溫度升高，燃燒靠近催化器方向，使催化器溫度快速升高，進(jìn)而實現(xiàn)三元轉(zhuǎn)化效率提升，減少污染物排放。

針對第2階段，我們發(fā)現(xiàn)了NOx排放的不同。當(dāng)?shù)∷賳⑼９δ荛_啟后，在第2階段過程中，在開啟啟停功能的排放在停機(jī)后起機(jī)時會出現(xiàn)NOx增加的現(xiàn)象，而未開啟啟停工況在怠速的時候沒有NOx異常增加的情況，其余階段NOx排放結(jié)果基本相當(dāng)，初步判斷NOx惡化是該階段產(chǎn)生的，產(chǎn)生NOx排放差異的位置就是發(fā)動機(jī)在怠速工況后急加速工況。

一般情況下，在駕駛員松油門斷油后，催化器內(nèi)會存儲大量的氧氣，等恢復(fù)供油后，催化器內(nèi)的混合氣成分偏稀，導(dǎo)致NOx排放物增加。所以現(xiàn)在EMS系統(tǒng)在斷油后引入了清氧功能，使用較濃的混合氣將催化器中的過剩氧氣消耗掉。如果清氧力度不夠，會導(dǎo)致催化器內(nèi)殘存氧氣過多，后氧電壓較低，NOx排放較高；反之如果清氧過度，空燃比偏濃，CO、HC及油耗就會相應(yīng)增加。產(chǎn)生差異的工況恰好是需要清氧的工況，當(dāng)啟停功能開啟后，停機(jī)階段進(jìn)入催化器的氧氣要大于怠速燃燒時的氧氣，導(dǎo)致起機(jī)后清氧不足，產(chǎn)生NOx排放峰值。

3.3 優(yōu)化方案

根據(jù)以上原因以及NOx生成機(jī)理分析，可以從增強(qiáng)催化器清氧能力、空燃比、點火角等方面進(jìn)行怠速啟停功能開啟后的排放優(yōu)化。最終通過不斷測試，制定出詳細(xì)的優(yōu)化方案，優(yōu)化前后EMS參數(shù)對比結(jié)果見表5。

特別說明一下，由于起動空燃比調(diào)整以后，也會對清氧功能空燃比有所影響，因此需要對優(yōu)化過程的每次排放結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)最終輸出空燃比進(jìn)行EMS標(biāo)定數(shù)據(jù)調(diào)整。適當(dāng)加濃怠速啟停功能停機(jī)后自動起動空燃比，使怠速啟停功能開啟后自動停機(jī)階段后的催化器中氧含量快速消耗，減少氮原子與氧原子結(jié)合的可能，同時多噴油以及點火角推遲，都會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燃燒沒有之前充分，發(fā)動機(jī)燃燒溫度比優(yōu)化前有所降低，這兩方面都可以有效降低NOx排放。當(dāng)然在進(jìn)行EMS參數(shù)優(yōu)化的時候，不可以一味降低NOx排放，還需要平衡起動階段的其他排放物含量，才可以最終確定優(yōu)化方案。

3.4 方案驗證結(jié)果

通過對EMS系統(tǒng)數(shù)據(jù)優(yōu)化，使用相同車輛再次進(jìn)行WLTC國Ⅵ排放循環(huán)測試，測試結(jié)果如圖4以及表6所示，其中淺色是關(guān)閉怠速啟停功能排放結(jié)果（左），深色是開啟怠速啟停功能排放結(jié)果（右）。NOx排放結(jié)果明顯下降，從優(yōu)化前的20.3mg/km下降到12.3mg/km，下降幅度約40%。CO與THC也有少量增長，PN排放從1.5×1011個/km增長到2.2×1011個/km，這是因為加濃空燃比以及推遲點火角后，燃燒不充分，因此CO與THC也會稍微惡化。

在之前出現(xiàn)NOx異常升高的工況下，也未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，其他工況排放污染物也有所優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化方案組合對排放污染物減少有明顯效果。同時由于加濃空燃比，增加噴油量，理論上會對整車油耗有影響。但是根據(jù)多次實車測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，調(diào)整的空燃比對油耗幾乎無影響，有以下兩個方面原因：一是因為調(diào)整的工況范圍很小，并且在整個排放油耗循環(huán)中出現(xiàn)的占比不多，導(dǎo)致即使有更多的燃油使用，也對整個WLTC循環(huán)油耗影響不大，在結(jié)果上反映不出來；二是空燃比調(diào)整較小，即使空燃比加濃約3.5%，并且怠速工況發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量也很小，約為8～10kg/h，因此增加的燃油量也很小，相對于整個WLTC循環(huán)的油耗影響不大。后續(xù)整車生產(chǎn)一致性排放油耗試驗驗證此優(yōu)化方案可以有效改善怠速啟停帶來的排放惡化，并且對怠速啟停節(jié)油效果沒有影響，滿足整車開發(fā)工程目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文為了探究怠速啟停功能對排放的影響，依托國內(nèi)某國Ⅵ燃油車Sedan車型進(jìn)行怠速啟停WLTC排放對比試驗。通過對怠速啟停功能排放污染物結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單純開關(guān)怠速啟停功能，對NOx排放結(jié)果會有約18%惡化。根據(jù)排放秒采數(shù)據(jù)精準(zhǔn)識別NOx排放污染物異常增加的差異點，針對差異點進(jìn)行EMS起動空燃比、清氧模塊以及點火角標(biāo)定數(shù)據(jù)優(yōu)化，加濃自動起機(jī)后空燃比以及清氧模塊空燃比，并推遲該工況點火角，改變發(fā)動機(jī)燃燒情況，快速消耗怠速啟停停機(jī)時進(jìn)入催化器中的氧含量，降低燃燒溫度，進(jìn)而達(dá)到降低NOx排放物生成的目的。此優(yōu)化方案可以有效改善怠速啟停帶來的排放惡化并且對怠速啟停節(jié)油效果沒有影響，滿足整車開發(fā)工程目標(biāo)。加濃空燃比、優(yōu)化清氧功能以及點火角優(yōu)化等方案將應(yīng)用到后續(xù)車型當(dāng)中。

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（編輯 凌 波）