胡　俊，黃　偉，孫倫業(yè)，郭文松，劉文彬

(1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽　合肥　230022；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽　淮南　232001)

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增壓發(fā)動(dòng)機(jī)匹配AT整車(chē)國(guó)五排放標(biāo)定研究

胡俊1，黃偉1，孫倫業(yè)2，郭文松1，劉文彬1

(1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥230022；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

搭載AT(自動(dòng)變速器)的車(chē)輛具有操作簡(jiǎn)單、駕駛輕便、易于實(shí)現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點(diǎn)；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。分析了搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT(自動(dòng)變速器)整車(chē)的特點(diǎn)，識(shí)別了國(guó)五排放和國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的不同，基于BOSCHME7發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)排放控制策略，提出了一種應(yīng)對(duì)國(guó)五排放的標(biāo)定試驗(yàn)方法。該方法通過(guò)采用緊耦合催化器、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比、點(diǎn)火提前角、催化器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、三元催化器轉(zhuǎn)化效率精細(xì)標(biāo)定的優(yōu)化，使某型搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速箱車(chē)輛達(dá)滿足國(guó)五排放法規(guī)新鮮排放限值的70%的要求。

AT；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)；國(guó)五排放；試驗(yàn)

搭載AT(自動(dòng)變速器)的車(chē)輛具有操作簡(jiǎn)單、駕駛輕便、易于實(shí)現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點(diǎn)[1]；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此同時(shí)搭載自動(dòng)變速箱和渦輪增壓車(chē)型，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛簡(jiǎn)便等方面存在較大優(yōu)勢(shì)。在整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)是整車(chē)排放的標(biāo)定和優(yōu)化。為了節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，往往將搭載其他變速器(MT/DCT/CVT)車(chē)型的排放標(biāo)定數(shù)據(jù)移植到AT車(chē)型上，在此基礎(chǔ)上再針對(duì)AT的特點(diǎn)進(jìn)行精調(diào)。本文以某型搭載AT的車(chē)型為例，探討了有針對(duì)性的優(yōu)化這個(gè)階段的排放以達(dá)到國(guó)五法規(guī)要求的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)大量的優(yōu)化工作，該車(chē)型新鮮催化器的排放結(jié)果可以達(dá)到國(guó)五限值70%以?xún)?nèi)，滿足開(kāi)發(fā)工程目標(biāo)要求。

1　國(guó)五法規(guī)分析

國(guó)五針對(duì)國(guó)四排放，要求控制的污染物增加了NMHC(非甲烷碳?xì)?和PM(顆粒物)兩類(lèi)(見(jiàn)表1)。對(duì)于非直噴汽油機(jī)而言，國(guó)五排放主要受制于NMHC。由于甲烷通常占THC的10%左右，按照NMHC限值為0.068 g/km，相當(dāng)于THC限值則為0.075 g/km。NOx也加嚴(yán)到了0.06 g/km。國(guó)五的劣化系數(shù)也較國(guó)四更加嚴(yán)格[2](見(jiàn)表2)。

在發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)沒(méi)有革命性的升級(jí)情況下，國(guó)五排放的污染物限值和嚴(yán)格的裂化系數(shù)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)排放限值提出了很高的挑戰(zhàn)。

表1　國(guó)五與國(guó)四主要污染物限值對(duì)比　(g·km-1)

表2　國(guó)五與國(guó)四劣化系數(shù)的對(duì)比　　(g·km-1)

2　針對(duì)國(guó)五排放的相關(guān)匹配

2.1匹配車(chē)輛

標(biāo)定用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸16氣門(mén)，廢氣渦輪增壓，變速器采用4AT，其基本參數(shù)及三效催化轉(zhuǎn)化器體積參數(shù)如表3所示。

表3　某型AT車(chē)型信息

2.2排放測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)車(chē)輛置于AVL底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，按照國(guó)五排放測(cè)試循環(huán)運(yùn)行，試驗(yàn)車(chē)輛排出廢氣經(jīng)過(guò)稀釋后進(jìn)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)。

2.3搭載自動(dòng)變速器對(duì)排放的影響

自動(dòng)變速器采用液力變矩器和傳動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包含油泵等耗能元件，所以搭載AT的發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷比搭載手動(dòng)變速器車(chē)輛的要大。在國(guó)五排放循環(huán)的起動(dòng)階段，催化器還沒(méi)有達(dá)到起燃溫度，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)的速率還很慢，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放取決于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的原始排放。基于此，搭載AT的整車(chē)將在起動(dòng)階段產(chǎn)生更多的原始污染物，必須進(jìn)行有針對(duì)性的排放匹配，才能通過(guò)苛刻的國(guó)五排放法規(guī)要求。某AT車(chē)輛和與其僅有變速器型式差異的MT車(chē)型在排放試驗(yàn)中一段工況的負(fù)荷對(duì)比如圖1所示，可以明顯看到AT車(chē)型負(fù)荷要大于MT車(chē)型。

t/s1. AT；2. MT 圖1　MT和AT車(chē)型在第一個(gè)排放ECE循環(huán)中負(fù)荷對(duì)比

國(guó)五測(cè)試循環(huán)中對(duì)AT車(chē)輛的操作方法和MT車(chē)型也有所區(qū)別。法規(guī)規(guī)定，AT車(chē)型在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)設(shè)置好檔位選擇器后，在試驗(yàn)期間，任何時(shí)候不得再操作檔位選擇器，除非發(fā)生加速動(dòng)作不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成才可以按照MT的要求，操作檔位選擇器。這就意味著AT車(chē)型在排放測(cè)試循環(huán)的怠速工況中，一直處于D檔狀態(tài)，而D檔的負(fù)荷又大于N檔，這同樣加劇了AT車(chē)型的排放惡化問(wèn)題。

2.4催化器布置形式選擇

試驗(yàn)車(chē)型采取高目數(shù)[3]緊湊耦合催化器布置形式，其中前級(jí)轉(zhuǎn)化器和后級(jí)催化器采取和排氣歧管緊耦合裝配方式。緊湊耦合的前級(jí)催化器高目數(shù)、體積小、熱容小、起燃溫度低，可以實(shí)現(xiàn)催化器起燃溫度較快的目的[4]，以更快的凈化起動(dòng)后的排放。后級(jí)催化器體積一般較前級(jí)大，可以更加有效的處理發(fā)動(dòng)機(jī)高速段廢氣的排放[5]。

3　應(yīng)對(duì)國(guó)五排放的方案

針對(duì)前述的搭載廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT變速器對(duì)排放匹配的獨(dú)特影響以及催化器的布置型式，通過(guò)以下三種標(biāo)定手段滿足要求。

3.1啟動(dòng)和暖機(jī)階段空燃比精調(diào)

國(guó)五排放測(cè)試循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后立刻開(kāi)始采樣，此時(shí)三元催化器沒(méi)有到達(dá)其起燃溫度，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)不能有效進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)排放很大程度上取決于其原始排放。所以在保證發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)的前提下，即發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)啟動(dòng)失火的前提下，可以采取一定程度過(guò)量空氣系數(shù)大于1的稀燃(一般不超過(guò)1.05)，可以降低HC及CO的排放。于此同時(shí)還要在此噴油系數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)減稀20%，以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以免油品質(zhì)量問(wèn)題影響車(chē)輛的啟動(dòng)及怠速穩(wěn)定性。制造一致性較好及排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的怠速穩(wěn)定性，可以選取較大的暖機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)。

排放點(diǎn)起動(dòng)的過(guò)量空氣系數(shù)可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匹配來(lái)精調(diào)。按照上述原則，在起動(dòng)及暖機(jī)未閉環(huán)階段，設(shè)置合適的暖機(jī)目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)(1.05以?xún)?nèi))，調(diào)整合適的發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖阻力矩系數(shù)，并依次分3階段調(diào)整暖機(jī)后噴油加濃系數(shù)，最終找到排放最佳的暖機(jī)目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)及噴油系數(shù)。四次排放測(cè)試過(guò)程中起動(dòng)時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)的變化曲線和排放測(cè)試結(jié)果如圖2和表4所示。 起動(dòng)后3s內(nèi)排放測(cè)試1過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.02， 測(cè)試2為0.92， 測(cè)試3為0.90， 測(cè)試4為0.86。 對(duì)排放結(jié)果的影響可從表4明顯看出，排放測(cè)試1中HC及CO的排放值比排放測(cè)試2、3、4相比較都要低。起動(dòng)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排放的影響主要是因?yàn)槠饎?dòng)過(guò)程中HC和CO的排放主要來(lái)源于燃料的不完全燃燒，所以過(guò)量空氣系數(shù)快速接近1.0到1.05可以有效的降低HC和CO的排放。

t/s1. 排放測(cè)試1；2. 排放測(cè)試2；3. 排放測(cè)試3；4. 排放測(cè)試4圖2　不同起動(dòng)空燃比對(duì)比圖

THCCONMHC排放測(cè)試10.0370.2710.034排放測(cè)試20.0440.3960.039排放測(cè)試30.0580.4730.051排放測(cè)試40.0540.5510.048

3.2催化器快速起燃

在排放測(cè)試循環(huán)中，絕大部分的污染物都來(lái)自于起動(dòng)階段。因?yàn)樵诶鋯?dòng)和暖機(jī)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度較小，進(jìn)氣歧管的真空度較高，導(dǎo)致汽油霧化與蒸發(fā)效果差，難以與空氣形成均質(zhì)的混合氣，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在控制策略采取的是增加噴油量。另一方面，由于燃燒不穩(wěn)定，燃燒室溫度低，容易出現(xiàn)大量的未燃燒的碳?xì)渖?。此時(shí)排氣溫度低，未達(dá)到三元催化器的起燃溫度，催化器的催化轉(zhuǎn)化效果不明顯，因而導(dǎo)致了大量HC的排放。據(jù)研究表明，該階段產(chǎn)生了HC排放占NEDC排放循環(huán)的60%～80%[6]。因此如何讓催化器快速起燃，降低HC排放，對(duì)應(yīng)對(duì)國(guó)五排放有著積極重要的意義。

3.2.1推遲點(diǎn)火提前角發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可以通過(guò)推遲點(diǎn)火角和提高發(fā)動(dòng)機(jī)加熱轉(zhuǎn)速來(lái)增加廢氣的熱能，以加快催化器的起燃速度[7]。點(diǎn)火角方面，通過(guò)設(shè)置催化器加熱的扭矩儲(chǔ)備，扭矩儲(chǔ)備預(yù)留越大，相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火角推遲的就越多，但兩者并非單純的線性關(guān)系。扭矩儲(chǔ)備的設(shè)置要注意不可影響怠速的穩(wěn)定性和車(chē)輛的起步性能。在第一個(gè)ECE循環(huán)中15km/h的部分負(fù)荷工況，也可以推遲點(diǎn)火角進(jìn)行催化器加熱，但是要注意推遲的幅度對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，點(diǎn)火角推遲過(guò)多也會(huì)造成失火或燃燒不充分，而導(dǎo)致排放增加。

可以利用催化器加熱的相對(duì)空氣量積分值來(lái)調(diào)整扭矩預(yù)留開(kāi)始和關(guān)閉時(shí)刻，其設(shè)置的值也要保證點(diǎn)火角逐漸降低及恢復(fù)，以防止點(diǎn)火角突變引起怠速不穩(wěn)。對(duì)催化器加熱時(shí)的點(diǎn)火效率系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)匹配點(diǎn)火角推遲區(qū)域及點(diǎn)火角推遲量。

在催化器加熱階段，扭矩的預(yù)留可分為怠速部分和非怠速部分。催化器加熱扭矩預(yù)留量一定要大于怠速時(shí)的扭矩預(yù)留量，通常車(chē)輛怠速時(shí)扭矩的預(yù)留量約為3%～4%。通過(guò)對(duì)催化器加熱扭矩預(yù)留標(biāo)定量的不斷優(yōu)化，扭矩預(yù)留量設(shè)置為8%左右，點(diǎn)火角在5°CABTDC左右時(shí)，可以促使三元催化轉(zhuǎn)化器溫度迅速提升，降低排放(見(jiàn)表5)。

表5　催化器加熱扭矩預(yù)留對(duì)各污染物排放影響(g·km-1)

3.2.2提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速提高怠速方面，需要特別指出的是，對(duì)于該廢氣渦輪增壓車(chē)型，怠速轉(zhuǎn)速的設(shè)置要比NA車(chē)型略高。這是因?yàn)槿绻栌肗A車(chē)型1 100～1 200 r/min的標(biāo)定，由于渦輪增壓器將消耗一部分排氣熱能，維持相同的怠速轉(zhuǎn)速，排氣溫度不能夠很好的將催化器快速起燃。但如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速過(guò)高，由于催化器未起燃，則這就意味著要排放出更多的污染物。針對(duì)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，不斷調(diào)整優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)，不同催化器加熱怠速轉(zhuǎn)速下污染物排放量，如表6所示。為了兼顧加熱效率和排放結(jié)果，從中我們優(yōu)選了1 400 rpm為怠速轉(zhuǎn)速為作為最終的匹配數(shù)據(jù)。

表6　催化器加熱轉(zhuǎn)速對(duì)排放物的影響　(g·km-1)

3.3三元催化器轉(zhuǎn)化效率精調(diào)

三元催化器轉(zhuǎn)化效率在過(guò)量空氣系數(shù)0.98到1.0附近較狹窄范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)CO、HC和NOx三種廢氣的綜合轉(zhuǎn)化效率最高[8](見(jiàn)圖3)。

過(guò)量空氣系數(shù)1. CO；2.NOx； 3.THC圖3　三元催化器轉(zhuǎn)化效率與過(guò)量空氣系數(shù)關(guān)系

在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)之后，過(guò)量空氣系數(shù)是通過(guò)前級(jí)兩點(diǎn)式氧傳感器的電壓跳變來(lái)表征的。系統(tǒng)通過(guò)前氧傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)與0.45 V(即過(guò)量空氣系數(shù)等于1時(shí)的電壓)進(jìn)行比較，通過(guò)比例與積分調(diào)節(jié)修正，可以使混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)短時(shí)間相對(duì)于1有個(gè)小的偏移。偏移時(shí)間系數(shù)是一個(gè)與轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相關(guān)的預(yù)設(shè)量，其值要求三種污染物都必須控制在較低值，并且后氧傳感器電壓值維持在0.6 V到0.7 V之間。需要通過(guò)多次排放驗(yàn)證，來(lái)確定最合適的預(yù)設(shè)量。

氧傳感器的輸出電壓隨過(guò)量空氣系數(shù)相應(yīng)變化(見(jiàn)圖4)，發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)最終通過(guò)控制噴油量來(lái)精確控制過(guò)量空氣系數(shù)。

圖4　閉環(huán)控制

從圖4中可以看出，燃油閉環(huán)修正信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)氧傳感器信號(hào)的跳變進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而保證過(guò)量空氣系數(shù)始終在1.0 ± 0.02的范圍內(nèi)跳動(dòng)，在此范圍內(nèi)催化器的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到最優(yōu)。

綜上所述，采用緊湊耦合兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化器，通過(guò)推遲點(diǎn)火提前角、提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、精確控制空燃比等精細(xì)匹配，搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT車(chē)型可以實(shí)現(xiàn)國(guó)五排放的工程目標(biāo)(見(jiàn)表7)。

表7　新鮮催化器國(guó)五排放結(jié)果　　(g·km-1)

4　結(jié)論

本文分析了搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT變速箱整車(chē)滿足國(guó)五階段排放的難點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱特點(diǎn)，制備新的緊耦合催化器并基于BOSCH ME7發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，針對(duì)排放相關(guān)的模塊進(jìn)行了標(biāo)定優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多輪排放試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了某車(chē)型各項(xiàng)排放的污染物都能夠控制在國(guó)五限值劣化后的70%以?xún)?nèi)，積極響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召與法規(guī)的要求，實(shí)現(xiàn)成本與排放目標(biāo)的最優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯：李麗)

Test of CHINA 5 Emission Calibration Method for Vehicle with Supercharged engine and AT

HU Jun1，HUANG Wei1，SUN Lun-ye2，GUO Wen-song1，LIU Wen-bin1

(1. Technique center, Anhui Jianghuai Automobile CO.,LTD, Hefei,Anhui 230022 China;2. School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan,Anhui 232001，China)

This article analyzed the characteristics of the vehicle which is equipped with turbocharger and automatic gearbox, identified the emission legislation limit between CHINA 5 and CHINA 4, and put forwarde a test method to achieve CHINA 5 which is based on the emission control strategy of BOSCH ME7 engine management system. The method ensures the engineering target of 70% of the CHINA 5 Emission Legislation Limit. In addition, coupling catalyst, more precise calibration of Air-Fuel Ratio, ignition angle, catalyst heating, TWC are chosen to meet the demands of 70% regarding to the conversion efficiency in the method mentioned above.

Automatic gearbox; supercharged engine; engine management system; CHINA 5 Emission；test

2015-03-30

胡俊(1987-)，男，安徽安慶人，工程師，碩士，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)標(biāo)定。

U464

A

1672-1098(2016)03-0069-05