李杰 黃偉 王洪靜 馬標 張應(yīng)兵

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心）

對油耗和舒適性的追求使得人們對汽油直噴（GDI）發(fā)動機和自動變速箱車型的需求量越來越大，但是尾氣排放對大氣的污染也不容忽視，為此國家制訂了嚴格的第五階段排放法規(guī)，促使汽車生產(chǎn)廠商提升技術(shù)，以達到節(jié)能減排的目標[1]。文章探討了搭載GDI發(fā)動機和濕式DCT變速箱的整車開展國Ⅴ排放開發(fā)的策略及標定優(yōu)化方法，基于對國Ⅴ排放法規(guī)的解讀，并通過對實車排放控制參數(shù)和排放結(jié)果的分析，提出了燃油二次噴射、起步、充油和換擋[2]及后處理的設(shè)計參數(shù)等綜合優(yōu)化方法，通過標定參數(shù)的優(yōu)化達到了開發(fā)目標的要求[3]。

1 目標車分析

1.1 試驗車參數(shù)

試驗車的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗車主要參數(shù)

1.2 目標車特點及對排放的影響

目標車的特點，如表2所示。

表2 目標車型特點分析

基于表2中所列的結(jié)果，在排放開發(fā)方面需要重點關(guān)注3個方面：1）發(fā)動機工作方式的改變帶來的催化器設(shè)計的優(yōu)化；2）直噴發(fā)動機噴油方式對排放控制的影響；3）濕式DCT的充油、起步和換擋控制對排放結(jié)果的影響。在實際開發(fā)中發(fā)現(xiàn)變速箱側(cè)有3個因素會對排放帶來明顯的影響，具體為：a.國Ⅴ排放法規(guī)規(guī)定：自動擋車型在啟動后換擋桿必須一直置于D擋模式[4]，而離合器的充油控制對啟動后的蠕動性能影響巨大，如果充油偏小，離合器響應(yīng)偏慢，反之，充油過充的話，很可能導(dǎo)致發(fā)動機熄火[5]，這2種情況都會造成排放污染物的超標；b.起步工況：為了成功達到測試循環(huán)爬坡工況的要求，電子控制單元（ECU）和自動變速器控制單元（TCU）聯(lián)合控制的起步尤為重要，以期達到迅速準確地響應(yīng)駕駛員的操作要求，如果起步控制不夠優(yōu)化，起步階段的發(fā)動機轉(zhuǎn)速會上漂或被拉低甚至熄火，對污染物的產(chǎn)生帶來致命影響[6]；c.行駛工況：換擋線標定影響換擋點的提前或延遲，會影響整體污染物的總量。

2 國Ⅴ排放法規(guī)分析

GB18352.5—2013法規(guī)使用NEDC循環(huán)（新歐洲駕駛測試循環(huán)）工況，該測試循環(huán)由4個城市工況和1個城郊工況構(gòu)成，如圖1所示，解析信息，如表3所示。

圖1 NEDC測試循環(huán)工況

表3 NEDC循環(huán)工況解析

基于對測試循環(huán)的分析，可以看出，啟動、起步、換擋及離合器油壓控制和催化器設(shè)計是達到整車排放開發(fā)目標的關(guān)鍵，下面圍繞這些關(guān)鍵要素展開討論。

3 整車排放開發(fā)技術(shù)方案

3.1 排放摸底

對裝有新鮮催化器的試驗車進行摸底試驗，根據(jù)采集的ECU和TCU側(cè)數(shù)據(jù)和排放秒采數(shù)據(jù)，分析排放超標的成因，有針對性的優(yōu)化控制策略和催化器設(shè)計參數(shù)。

圖2 某型整車的后處理裝置布置圖

圖3 國Ⅴ排放測試系統(tǒng)示意圖

圖4 試驗車摸底測試時排放秒采值曲線

圖5 某型整車排放摸底EMS控制信號截圖

表4 某型整車的摸底排放結(jié)果 g/km

試驗車使用查表法加載，加載系數(shù)根據(jù)試驗車的整備質(zhì)量查詢得到，試驗廢氣經(jīng)過稀釋后進入CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)分析后得到試驗結(jié)果[7]。后處理裝置的布置，如圖2所示；排放測試系統(tǒng)示意圖，如圖3所示；排放秒采值曲線，如圖4所示；排放摸底EMS控制信號截圖，如圖5所示；摸底結(jié)果，如表4所示。綜合分析圖4的污染物秒采數(shù)據(jù)和圖5的EMS側(cè)的控制信號可以看到，該車型的排放壓力主要來自于HC和NOx污染物（NMHC的趨勢與HC相同），HC的尖峰主要出現(xiàn)在第1個ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)，而NOx的尖峰則基本上在每一個起步加速工況都會出現(xiàn)，其原因是：1）起動階段的噴油控制方式不合理，需要針對性的進行優(yōu)化；2）起步控制不夠精確，導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于安全轉(zhuǎn)速較多，會引起熄火的風險，涉及到TCU的起步和充油控制及發(fā)動機扭矩的控制精度；3）換擋時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速存在波動，與TCU的換擋控制和發(fā)動機扭矩控制精度相關(guān)[8]；4）催化器的涂層參數(shù)設(shè)計還需要再優(yōu)化。

3.2 催化器優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合ECU的控制數(shù)據(jù)，從排放摸底的結(jié)果分析得到催化器調(diào)整和優(yōu)化方案，如表5所示。通過增加載體直徑、增加前級催化器的目數(shù)/壁厚比和貴金屬濃度等設(shè)計參數(shù)，得到了優(yōu)化后的后處理方案，后續(xù)討論都基于此方案開展。

表5 催化器調(diào)整和優(yōu)化方案對比

3.3 燃油噴射模式介紹

GDI發(fā)動機采用的高壓共軌噴油系統(tǒng)具有很高的動態(tài)特性，能夠在一個工作循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)多段噴射[9]。為了優(yōu)化排放，可以利用該特性加速催化器的升溫速度，即在進氣行程和壓縮行程各噴射一次燃油，會使催化器快速起燃，從而可以有效降低HC的排放。燃油2次噴射脈寬示意圖，如圖6所示。

圖6 GDI燃油2次噴射脈寬示意圖

3.4 變速箱控制策略

3.4.1 起步控制策略

變速箱TCU的控制主要圍繞著起步、換擋及離合器油壓控制展開，DCT起步控制示意圖，如圖7所示。

圖7 雙離合變速器（DCT）起步控制示意圖

起步控制精度對排放的影響體現(xiàn)在起步過快、轉(zhuǎn)速可能下跌甚至產(chǎn)生熄火的風險；起步過慢，則大量的發(fā)動機能量消耗在離合器滑摩過程中?；诖耍哑鸩絼澐譃?個階段。

1）起步準備階段：油壓預(yù)充到離合器的半聯(lián)動點，以節(jié)約起步的準備時間；2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速快速提升階段：根據(jù)駕駛員踩下油門踏板的開度大小和變化斜率，由TCU根據(jù)實際工況計算得出目標發(fā)動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速上升的斜率；3）轉(zhuǎn)速預(yù)同步閉環(huán)調(diào)節(jié)階段：當發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升到與期望轉(zhuǎn)速的差值小于150 r/min時，進入轉(zhuǎn)速同步前的閉環(huán)PID控制階段，目標是使轉(zhuǎn)速同步過程平順，為進入滑摩控制做準備；4）轉(zhuǎn)速同步后的滑摩控制階段：該階段的控制基于離合器的主動盤和從動盤角速度的滑差，滑摩控制的目標是保持轉(zhuǎn)速差在一個合理的范圍內(nèi)，保證DCT的高傳動效率，以達到良好的駕駛舒適性。

圖8示出應(yīng)用該策略的15%油門開度的起步曲線截圖。

圖8 起步階段離合器壓力曲線截圖

3.4.2 換擋過程控制

NEDC排放循環(huán)中會出現(xiàn)多次換檔操作，與TCU的控制策略相對應(yīng)的是降扭請求和離合器壓力的交替控制，不合理的降扭請求會導(dǎo)致升擋后轉(zhuǎn)速無法同步導(dǎo)致?lián)Q擋失敗[10]。離合器壓力的控制精度則直接影響了換擋過程的速度，這些因素都會直接或間接的影響排放的結(jié)果。圖9和圖10分別示出換擋過程的離合器壓力交替控制和發(fā)動機降扭控制的曲線截圖，圖11示出優(yōu)化后在NEDC循環(huán)中采集的TCU控制信號截圖。由圖9可以看到，經(jīng)過優(yōu)化的離合器壓力信號跟隨性較好，油壓控制誤差為1.6 kPa；由圖10可以看到，ECU對TCU發(fā)出的降扭請求響應(yīng)的誤差為1.4 N·m，可以精確的滿足變速箱升擋時扭矩控制的需求。

圖9 換擋過程離合器壓力交替曲線截圖（15%油門踏板）

圖10 換檔過程ECU降扭響應(yīng)曲線截圖

圖11 優(yōu)化后NEDC循環(huán)中TCU控制曲線截圖

基于上述方案，對3輛試驗樣車分別進行2次排放試驗，其排放結(jié)果，如表6所示。從表6可以看出，乘以劣化系數(shù)后各項指標都在國Ⅴ排放法規(guī)限值以內(nèi)，滿足工程目標的要求。

表6 NEDC排放循環(huán)中樣車排放結(jié)果g/km

4 結(jié)論

分析了國家第五階段排放法規(guī)GB 18352.3—2013中NEDC循環(huán)的特點，基于直噴發(fā)動機和濕式DCT整車的特點，從起步控制、離合器壓力控制和扭矩控制及催化器的設(shè)計等方面進行了系統(tǒng)的思考和設(shè)計優(yōu)化，經(jīng)過實車標定優(yōu)化和試驗實現(xiàn)了國Ⅴ開發(fā)目標的要求，各項污染物都在限值的60%以內(nèi)。下一步工作將圍繞國Ⅵ排放法規(guī)征求意見稿提出的基于WLTC的測試循環(huán)對發(fā)動機工況模式的變化開展控制策略和標定參數(shù)的優(yōu)化工作。