基于新鲜催化器的微型车排放标定的研究

彭凯，林乔，周乃君

(中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083)

基于新鲜催化器的微型车排放标定的研究

彭凯，林乔，周乃君

(中南大学能源科学与工程学院，长沙 410083)

为了满足常规新鲜催化器排放目标，针对一款微型车，通过循环试验得到了各种工况下的基本排放特性;然后基于控制策略，合理简化了排放控制参数，并通过多次优化匹配排放控制参数控制喷油量、空燃比来优化污染物排放。结果表明:所采用的排放匹配步骤和参数可有效指导排放标定。

排放标定;喷油控制;新鲜催化器

为了减少汽车废气的污染排放，国家排放法规越来越严格。北京地区已开始执行“京五”排放法规。本文针对一款微型车，通过优化匹配新鲜催化器排放控制参数和过程，并依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB18352.3—2005)进行Ⅰ型试验来达到新鲜催化器排放目标限值(国Ⅳ排放限值的58%)［1］。

1 试验车辆和新鲜催化器

试验运行车辆为新车型，是额定功率为45 kW的1.0 L微型车。发动机为水冷直列4缸2气门，机械式拉索控制节气阀体，配备青山5MT变速器，试验车辆主要参数详见表1。

表1 试验车辆主要技术参数

试验采用新鲜催化器，磨合里程为3 000 km。催化器主要参数见表2。

表2 催化器技术参数

2 循环排放摸底

依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB18352.3—2005)进行Ⅰ型试验。依据基准质量确定测功机制动装置吸收负荷，并测出给定工况条件下的整车排放情况。对比情况如表3所示。由表3可知:试验车在循环中，HC排放超标，NOx排放较低。

表3 放结果对比(g·km－1)

进一步分析排放设备每1 s采集的数据，如图1所示。由图1可知:NOx排放物主要是在第1阶段(市区运转循环)，所占比率为85%;而HC、CO排放物在第1阶段与第2阶段(市郊运转循环)基本相当，前100 s为主要排放阶段，当进入市郊区循环的100～120 km/h时，喷油加浓导致HC和CO瞬间排放量剧增。

图1 摸底排放测试数据

3 排放控制参数的匹配与优化

汽车的排放性能涉及到电喷系统多个功能模块的匹配，如起动、催化器加热、过渡工况、前氧闭环控制、后氧闭环控制、断油、清氧等［2］，是系统综合匹配水平的体现。由初次循环排放摸底，主要体现为:

1)前100 s为主要排放，NOx、HC、CO分别占总排放的63%、76%、65%。

2)起动时需增加燃油量，混合气偏浓，lambda (过量空气系数，lambda=1时为理论空燃比)小于1，导致HC和CO瞬间排放量剧增。由发动机的物理特性可知:机械式拉索节气门阀开启时(油门踩下)，进气量受驾驶员控制，点火角根据油门开度对应的相对充气、转速查表值控制，因此优化的数据主要为喷油时间［2－3］。

3.1 喷油逻辑

根据摸底排放数据，主要问题是起动阶段喷油过浓。基于控制策略［2－3］，可简化喷油时间控制逻辑［4－5］(起动阶段燃油自学习因子、过渡工况中碳罐燃油蒸气补偿功能关闭)，计算公式如下:

式(1)～(3)中:rk为相对燃油量;fst为起动燃油修正系数;fns为起动后燃油修正系数;fwl为起动暖机燃油修正系数;rlp为相对充气量;lamsbg为需求的lambda值(不同的工况对应不同的需求值);frkte为基于相对燃油量转化为喷油时间的系数;Krkte为基于喷油嘴静态流量转化为喷油时间的系数;Fdp为基于回油的补偿系数;ti为喷油时间。

通过发动机物理特性决定的起动、起动后及暖机过程中喷油量的变化规律的测试数据，可验证简化公式的准确性。如图2所示，INCA标定软件测试数据ti与修正系数成比例，简化公式符合发动机的物理特性规律。

图2 INCA标定软件采集的起动喷油时间数据

3.2 优化步骤

根据摸底排放以及喷油时间的计算式(3)，起动阶段为开环控制，此时lamsbg为1。起动阶段，主要通过调整fst来调节喷油时间，增大fst，喷油量增加，可确保起动的可靠性;起动后，通过调整fns来调节喷油时间。由图1可知:起动后，喷油衰减不平滑，此时需要重点调整fns。在全郊区循环工况下，通过调整lamsbg值来调整加浓保护的基本空燃比。根据此调整原则，依次优化:①起动及暖机排放物控制;②催化器的最佳lambda窗口控制;③过渡工况控制。当数据接近工程目标限值时进行精调。每调整一次后进行循环测试，再对依循环测试结果进行优化，直到达到新鲜催化器排放的工程目标限值。相应的测试数据见表4。

表4 排放结果测试数据(g·km－1)

对应的秒采数据如图3～5所示。在调整高车速区域混合气加浓数据后，对比图1、3可知:HC排放值在高速区明显改善。优化过渡工况后，由表4和图4可知:NOx排放值总体下降，加、减速工况排放值控制在合理范围。多次调整起动喷油因子后，由图5可知:起动CO排放值得到了较好的控制。最终各污染物排放达到了新鲜催化器的目标限值(排放限值的58%)。

图3 优化的TCH秒采数据

3.3 起动阶段的lambda测试

平衡排放后的起动工况，控制的目标是尽量减少发动机的原始排放［6］。在保证起动安全的前提下，调整起动和起动后的空燃比，使lambda在起动后能够尽快达到1。转速上冲的大小不宜超过稳态怠速转速(300～500 r/min)，在保证起动安全的前提下可以没有转速上冲［2，6－7］。测试结果如图6所示:起动过程中空燃比在10～30 s内上升到0.9以上，在整个起动及暖机过程中lambda控制在0.98～1.05之间，较好地满足了评价标准。

图4 优化的NOx秒采数据

图5 优化后的CO秒采数据

图6 INCA标定软件采集的起动过程lambda数据

4 结束语

通过排放测试的摸底分析，确定了需调整的工况段及相应的控制参数，并根据控制策略匹配和优化了排放控制参数。实测结果表明:在起动和循环工况下，较好地满足了排放目标限值的要求。

［1］国家环境保护总局，国家监督检验检疫总局. GB18352.3—2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法［S］.北京:中国环境科学出版社，2005.

［2］Robert Bosch.Bosch Technical Instruction Gasoline Engine Management Basics and Components［M］.Germany: GRobert Bosch GmbH，2001.

［3］Robert Bosch.Bosch Motronic Function K3－Basic Training［M］.Germany:Robert Bosch GmbH，2001.

［4］赵弘志.汽油机动力总成系统匹配标定及优化研究［D］.长春:吉林大学，2001.

［5］王巍.基于ME7系统的汽油机冷起动性能研究［D］.长春:吉林大学，2011.

［6］钱人一.汽车发动机电子控制［M］.上海:上海交通大学出版社，2004.

［7］吴森.Robert Bosch GmbH.Gasoline－engine management［M］.北京:北京理工大学出版社，2002.

(责任编辑 刘舸)

Calibration of the Exhaust Gas Em issions Based on Catalytic Converter in Light Duty Vehicle

PENG Kai，LIN Qiao，ZHOU Nai－jun
(School of Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

In order to fulfill the engineering required emissions of fresh catalyst，in view of a light vehicle，firstly the emissions are tested in all operation conditions by vehicle driving cycle.Based on control function，then it controls the amount of fuel injected by optimizing and matching the data of emissions control function，limiting the emissions.The results show the stages of emissions and ways of match have improved the emission problem.

emissions calibration;fuel control;catalytic converter

U463

A

1674－8425(2014)09－0011－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.003

2014－03－28

湖南省科研条件建设专项(2012TT2043)

彭凯，男，工程师，主要从事发动机技术研究;通讯作者周乃君(1963—)，男，教授，主要从事发动机技术研究。

彭凯，林乔，周乃君.基于新鲜催化器的微型车排放标定的研究［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014 (9):11－14.

format:PENG Kai，LIN Qiao，ZHOU Nai－jun.Calibration of the Exhaust Gas Emissions Based on Catalytic Converter in Light Duty Vehicle［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9): 11－14.