徐金輝,張鵬飛,馬希利
(一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部,吉林長(zhǎng)春 130012)
高海拔環(huán)境下輕型車常溫冷起動(dòng)排放控制
徐金輝,張鵬飛,馬希利
(一汽轎車股份有限公司產(chǎn)品部,吉林長(zhǎng)春 130012)
通過(guò)分析研究高海拔環(huán)境下大氣壓力對(duì)汽車排放性能的影響,結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)電控標(biāo)定在排放中的優(yōu)化內(nèi)容,提出改善整車高海拔環(huán)境排放性能的措施。
高海拔環(huán)境;發(fā)動(dòng)機(jī)電控標(biāo)定;常溫冷起動(dòng)排放
高海拔地區(qū)內(nèi)燃機(jī)燃燒狀況差,產(chǎn)生的排放污染物將增多。但目前中國(guó)在輕型車的排放法規(guī)執(zhí)行的為歐洲標(biāo)準(zhǔn),并未對(duì)海拔進(jìn)行要求,而平原環(huán)境下的排放結(jié)果不能真實(shí)地反應(yīng)高原地區(qū)運(yùn)行的排放性能。中國(guó)境內(nèi)海拔高于1 500 m的面積約占我國(guó)總面積的27.02%。為彌補(bǔ)不足,在制定的國(guó)Ⅵ排放法規(guī)中,已經(jīng)增加了高海拔排放控制的要求。
本文首先對(duì)比分析不同海拔高度對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的影響,研究發(fā)動(dòng)機(jī)電控排放標(biāo)定過(guò)程中的工作內(nèi)容,通過(guò)分析實(shí)際高海拔的排放結(jié)果,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)電控標(biāo)定優(yōu)化,驗(yàn)證數(shù)據(jù)優(yōu)化后的排放水平。
隨著海拔升高,氣壓下降、空氣密度降低,導(dǎo)致進(jìn)入氣缸的空氣質(zhì)量減小,進(jìn)氣負(fù)荷減小,而發(fā)動(dòng)機(jī)的平均指示壓力與負(fù)荷成正比。在轉(zhuǎn)速不變的情況下,平均指示壓力直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)功率。即海拔升高,汽油機(jī)功率下降,燃油消耗率上升,污染物排放量增加[1]。
另外,隨著海拔的升高,空氣中含氧量也隨之減少,在海拔0~5000m范圍內(nèi),每升高1000m,大氣中含氧量約減少11%~12%。由于含氧量隨海拔升高而減少,燃油噴入氣缸內(nèi)進(jìn)行霧化、擴(kuò)散時(shí),燃油分子與氧分子碰撞的機(jī)會(huì)減少,分解、氧化過(guò)程變慢;同時(shí),由于含氧量低,使燃油點(diǎn)火和燃燒可利用的氧氣量減少,再加上壓縮終點(diǎn)的壓力、溫度降低等綜合影響,使內(nèi)燃機(jī)不能點(diǎn)火或點(diǎn)火延遲、起動(dòng)困難,也將導(dǎo)致整車的排放性能下降。
為了得到高的熱效率,現(xiàn)代汽油機(jī)的壓縮比已非常接近發(fā)生爆震所容許的最高限度。而在高海拔環(huán)境,由于進(jìn)氣壓力低,汽油機(jī)產(chǎn)生爆燃的傾向減少,點(diǎn)火角并未處于最佳狀態(tài),點(diǎn)火角效率相對(duì)下降,也會(huì)增加油耗,增加污染物排放量。
發(fā)動(dòng)機(jī)電控開(kāi)發(fā)過(guò)程中,優(yōu)化整車在排放循環(huán)[2]中的污染物排放量是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo),主要關(guān)注以下內(nèi)容。
2.1 起動(dòng)、起動(dòng)后與暖機(jī)階段
該階段三元催化器還未起燃,是發(fā)動(dòng)機(jī)排放量最大的時(shí)候。標(biāo)定控制的目標(biāo)就是盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放,需要在保證起動(dòng)安全的前提下,調(diào)整起動(dòng)和起動(dòng)后的相對(duì)空燃比,使其在起動(dòng)后盡快到1。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上沖大小也需要調(diào)整,要求不超過(guò)穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速的300~500r/min,在保證起動(dòng)安全的前提下可沒(méi)有轉(zhuǎn)速上沖。
在保證燃燒穩(wěn)定,即不出現(xiàn)失火現(xiàn)象的情況下,可以采用一定程度的稀燃,即將閉環(huán)前的空燃比控制在大于1的水平,以降低THC和CO。
2.2 三元催化器加熱功能
三元催化器的起燃需要一定的溫度,一般在300~ 350℃。為了讓三元催化器盡快起燃,更快地達(dá)到高轉(zhuǎn)化效率,需啟用催化器加熱功能。在沒(méi)有電加熱等其它外在加熱條件下,三元催化器溫度的升高主要來(lái)源于廢氣的熱量。三元催化器加熱的目的,實(shí)際就是提高廢氣熱量,通過(guò)提高廢氣溫度或廢氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要手段如下。
1)提高怠速轉(zhuǎn)速,可以直接提高廢氣流量。
2)推遲點(diǎn)火角,可以提高排氣溫度(燃燒推遲,部分燃燒在排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)仍在持續(xù),排氣溫度較高),通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)矩預(yù)留實(shí)現(xiàn)。
3)控制相對(duì)空燃比,無(wú)二次空氣時(shí)采用稀混合氣,使用二次空氣時(shí),可采用濃混合氣在三元催化器中繼續(xù)燃燒的方式,通過(guò)空燃比協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。
提高怠速會(huì)引起油耗增加,且提高不合理會(huì)帶來(lái)更多的排放物,反而對(duì)排放不利。更改點(diǎn)火角和空燃比會(huì)影響怠速穩(wěn)定性和車輛起步能力,需綜合平衡。
2.3 催化器最佳空燃比窗口
一般在空燃比0.99~1的范圍內(nèi),廢氣經(jīng)過(guò)三元催化器后,3種排放物可同時(shí)達(dá)到最低水平,該空燃比范圍為最佳空燃比窗口。但對(duì)于不同的三元催化器,其最佳的空燃比范圍不同,且隨著車輛行駛里程的增加,三元催化器逐漸老化,最佳空燃比窗口也會(huì)縮小。排放標(biāo)定優(yōu)化的目的,就是找到催化器的最佳空燃比窗口,并使之同時(shí)滿足新鮮和老化催化器。
發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)催化器的最佳空燃比窗口控制和調(diào)節(jié),是通過(guò)空燃比的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的。如果系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)入閉環(huán)控制,調(diào)節(jié)空燃比無(wú)意義。系統(tǒng)通過(guò)氧傳感器反饋的電壓,與參考電壓(相對(duì)空燃比=1)比較,通過(guò)PI控制產(chǎn)生修正因子,另外通過(guò)控制將修正因子在偏濃一側(cè)保持一定時(shí)間,可以使混合氣空燃比相對(duì)于1有一個(gè)小的偏移,使其在催化器的最佳空燃比窗口內(nèi)。
2.4 過(guò)渡工況
過(guò)渡工況產(chǎn)生的空燃比變化也影響排放,一般要求波動(dòng)范圍在0.9~1.1范圍內(nèi)。當(dāng)超出此范圍或者空燃比偏濃或偏稀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí),可能在排放結(jié)果中有所表現(xiàn)。
2.5 空燃比開(kāi)環(huán)
排放過(guò)程中的工況點(diǎn)可能會(huì)進(jìn)入全負(fù)荷加濃或零部件保護(hù)加濃,主要在郊區(qū)100~120km/h循環(huán)。加濃會(huì)導(dǎo)致HC和CO瞬間排放量劇增,在標(biāo)定優(yōu)化過(guò)程中,需盡量避免導(dǎo)致排放劣化的開(kāi)環(huán)加濃。
2.6 二次空氣泵控制
由于高海拔時(shí)空氣密度低,二次空氣泵進(jìn)氣量較小,故此時(shí)需要調(diào)整二次空氣泵工作時(shí)的空燃比,使空燃比處于最佳范圍。
2.7 廢氣再循環(huán)控制
在高海拔時(shí)排氣背壓降低,廢氣再循環(huán)控制閥EGR兩邊的壓差較小,導(dǎo)致EGR流量減小,故此時(shí)需要進(jìn)行廢氣再循環(huán)補(bǔ)償。在標(biāo)定過(guò)程中,設(shè)置EGR閥隨海拔高度的提高而開(kāi)度增大,減少高海拔受EGR影響的NOx排放。在EGR系統(tǒng)中,點(diǎn)火正時(shí)的需求隨EGR濃度而改變,為優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能,點(diǎn)火正時(shí)需隨EGR濃度的增加而提高。
以一輛搭載自然吸氣多點(diǎn)噴射汽油機(jī)的輕型車為試驗(yàn)對(duì)象,裝備二次空氣泵,無(wú)廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下整車達(dá)到國(guó)IV排放水平。
按照車重法加載汽車滑行阻力,不考慮高海拔環(huán)境對(duì)汽車滑行阻力的影響[3]。
3.1 排放摸底結(jié)果
在具備認(rèn)證資格的試驗(yàn)室進(jìn)行排放試驗(yàn),分別進(jìn)行海拔0 m及海拔1 500 m的歐IV排放試驗(yàn),排放結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 不同海拔排放摸底結(jié)果
通過(guò)摸底試驗(yàn)結(jié)果可得出,平原環(huán)境下常溫冷起動(dòng)排放合格的整車,在高海拔環(huán)境下排放無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,需對(duì)整車進(jìn)行優(yōu)化,以滿足要求。
3.2 排放結(jié)果分析
在海拔0m時(shí)2次排放的秒采如圖1所示。高原排放秒采圖見(jiàn)圖2。
圖1 海拔0m的排放秒采圖
圖2 海拔1450m排放秒采圖
從圖1可以看出,2次排放過(guò)程中,排放物高點(diǎn)出現(xiàn)在起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段(3種排放物排放量大)和高速大負(fù)荷階段(CO排放量大)。在催化器完全起燃后及過(guò)渡工況中,排放量正常,催化器的空燃比窗口正常,且整個(gè)過(guò)程未進(jìn)入開(kāi)環(huán)工況。以此作為基礎(chǔ),對(duì)比分析海拔1500m的排放異常點(diǎn),通過(guò)優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù),使高原排放滿足歐IV標(biāo)準(zhǔn)要求。
從圖2高海拔排放秒采圖可以看出,該車型在高海拔環(huán)境的排放物高點(diǎn)亦出現(xiàn)在起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段(3種排放物排放量大)和高速大負(fù)荷階段(CO和HC排放量增大)。在催化器完全起燃后及過(guò)渡工況中,排放量正常,催化器的空燃比窗口正常。
不同海拔排放試驗(yàn)的CO排放量對(duì)比見(jiàn)圖3。高海拔環(huán)境下CO的排放量較低海拔環(huán)境排放量少。整個(gè)高海拔排放試驗(yàn)過(guò)程中,CO表現(xiàn)優(yōu)于低海拔環(huán)境下,不需進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化。
圖3 不同海拔排放試驗(yàn)的CO排放量對(duì)比
不同海拔排放試驗(yàn)的HC排放量對(duì)比見(jiàn)圖4。在高海拔環(huán)境下,起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段的HC排放量一致,高速大負(fù)荷階段排放量增加,需對(duì)此部分進(jìn)行優(yōu)化。
圖4 不同海拔排放試驗(yàn)的HC排放量對(duì)比
不同海拔排放試驗(yàn)的NOx排放量對(duì)比見(jiàn)圖5。圖5中NOx秒采值對(duì)比可以看出,高海拔排放異常點(diǎn)出現(xiàn)在起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段,需對(duì)此階段進(jìn)行數(shù)據(jù)的優(yōu)化。
圖5 不同海拔排放試驗(yàn)的NOx排放量對(duì)比
通過(guò)上述分析,得出針對(duì)高海拔環(huán)境的優(yōu)化位置為起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段和高速大負(fù)荷階段。
3.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化分析
3.3.1 進(jìn)氣量修正
由于在高海拔環(huán)境下,空氣密度偏小,節(jié)氣門(mén)開(kāi)度相同時(shí),進(jìn)氣量相對(duì)減少,通過(guò)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的修正可以保證高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量。
3.3.2 空燃比修正
高海拔環(huán)境下,二次空氣泵氣量減少,需調(diào)整二次空氣泵開(kāi)啟時(shí)的空燃比控制,使二次空氣泵工作時(shí)空燃比達(dá)到最佳值??刂撇呗匀鐖D6所示。
圖6 二次空氣泵工作階段空燃比控制策略
按照上述控制策略,最終計(jì)算燃油噴射時(shí)間,確定噴油量。
對(duì)比在二次空氣泵工作時(shí),平原排放試驗(yàn)過(guò)程中的空燃比與高原環(huán)境下的空燃比。
起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段不同海拔環(huán)境空燃比對(duì)比見(jiàn)圖7。從圖7可以得出,在起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段,在二次空氣泵工作時(shí)間段內(nèi),高海拔環(huán)境下的空燃比與低海拔環(huán)境的空燃比有較大差異,導(dǎo)致空燃比偏離最佳區(qū)域,調(diào)整此部分的空燃比,可以降低此階段的排放。
起動(dòng)10 s的空燃比對(duì)比見(jiàn)圖8。起動(dòng)后10 s左右,高原空燃比(1.55)較平原空燃比(1.48)稀,所以將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度20~40℃之間的空燃比修正值加濃(0.13至0.1)。
圖7 起動(dòng)、起動(dòng)后及暖機(jī)階段不同海拔環(huán)境空燃比對(duì)比
圖8 起動(dòng)10s的空燃比對(duì)比
起動(dòng)20 s的空燃比對(duì)比見(jiàn)圖9。起動(dòng)后20 s左右,高原空燃比(1.41)較平原空燃比(1.71)濃,將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度20~40℃之間的空燃比修正值減稀(0.3至0.083)。
圖9 起動(dòng)20 s的空燃比對(duì)比
同理,在21s左右,空燃比減稀(0.2至0.035)。
圖10 起動(dòng)28~49s的空燃比對(duì)比
起動(dòng)28~49 s的空燃比對(duì)比見(jiàn)圖10。在起動(dòng)后28 s至49s左右,高原空燃比與平原空燃比相差不大,不再調(diào)整該部分空燃比。
起動(dòng)49 s后空燃比對(duì)比見(jiàn)圖11。在起動(dòng)后49 s以后,高原空燃比較平原空燃比稀,在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度20~40℃之間的空燃比修正值加濃(-0.060/-0.12調(diào)整至-0.018)。
圖11 起動(dòng)49s后空燃比對(duì)比
通過(guò)以上分析,確定MAP表的標(biāo)定方案如下:將原MAP數(shù)據(jù)表2變更為表3。
表2 原標(biāo)定MAP
表3 新標(biāo)定MAP
3.3.3 轉(zhuǎn)矩?fù)p失修正
在高海拔環(huán)境下,發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失及排氣背壓小于平原環(huán)境,需修正此部分轉(zhuǎn)矩差異。通過(guò)高海拔及平原臺(tái)架測(cè)試,得到同一款發(fā)動(dòng)機(jī)在不同情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失差異,按測(cè)試結(jié)果修正發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失。
3.3.4 開(kāi)環(huán)修正
不同海拔環(huán)境高速大負(fù)荷階段空燃比對(duì)比見(jiàn)圖12。從圖12中看出,發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制進(jìn)入開(kāi)環(huán)加濃,導(dǎo)致后階段的HC和CO排放量增加。通過(guò)取消排放試驗(yàn)過(guò)程中高速大負(fù)荷階段開(kāi)環(huán)加濃控制,可以減少此部分的污染物排放量。
優(yōu)化方式為將動(dòng)力加濃轉(zhuǎn)速放開(kāi),由704r/min變更為8160r/min,且將此時(shí)間限制為30s,可以避免車輛在排放試驗(yàn)過(guò)程的高速大負(fù)荷階段進(jìn)入開(kāi)環(huán)加濃工況。
Cold Start Emission Control of Light Vehicle in High Altitude Environment
XU Jin-hui,ZHANG Peng-fei,MA Xi-li
(Products Development Department,F(xiàn)AW Co.,Ltd.,Changchun 130012,China)
Thisarticleanalyzestheatmosphericpressure’seffectonvehicleemissioninhighaltitude environment.Combined with the emission optimization in engine calibration,a method to improve emission performance in high altitude environment is proposed.
high altitude environment;engine calibration;low-temperature cold start emission
U463.6
A
1003-8639(2017)01-0015-04
2016-06-22
徐金輝(1984-),男,工程師,主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和標(biāo)定工作。