双离合变速器整车排放开发关键点

李杰 黄伟 王洪静 马标 张应兵

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心）

对油耗和舒适性的追求使得人们对汽油直喷（GDI）发动机和自动变速箱车型的需求量越来越大，但是尾气排放对大气的污染也不容忽视，为此国家制订了严格的第五阶段排放法规，促使汽车生产厂商提升技术，以达到节能减排的目标[1]。文章探讨了搭载GDI发动机和湿式DCT变速箱的整车开展国Ⅴ排放开发的策略及标定优化方法，基于对国Ⅴ排放法规的解读，并通过对实车排放控制参数和排放结果的分析，提出了燃油二次喷射、起步、充油和换挡[2]及后处理的设计参数等综合优化方法，通过标定参数的优化达到了开发目标的要求[3]。

1 目标车分析

1.1 试验车参数

试验车的主要参数，如表1所示。

表1 试验车主要参数

1.2 目标车特点及对排放的影响

目标车的特点，如表2所示。

表2 目标车型特点分析

基于表2中所列的结果，在排放开发方面需要重点关注3个方面：1）发动机工作方式的改变带来的催化器设计的优化；2）直喷发动机喷油方式对排放控制的影响；3）湿式DCT的充油、起步和换挡控制对排放结果的影响。在实际开发中发现变速箱侧有3个因素会对排放带来明显的影响，具体为：a.国Ⅴ排放法规规定：自动挡车型在启动后换挡杆必须一直置于D挡模式[4]，而离合器的充油控制对启动后的蠕动性能影响巨大，如果充油偏小，离合器响应偏慢，反之，充油过充的话，很可能导致发动机熄火[5]，这2种情况都会造成排放污染物的超标；b.起步工况：为了成功达到测试循环爬坡工况的要求，电子控制单元（ECU）和自动变速器控制单元（TCU）联合控制的起步尤为重要，以期达到迅速准确地响应驾驶员的操作要求，如果起步控制不够优化，起步阶段的发动机转速会上漂或被拉低甚至熄火，对污染物的产生带来致命影响[6]；c.行驶工况：换挡线标定影响换挡点的提前或延迟，会影响整体污染物的总量。

2 国Ⅴ排放法规分析

GB18352.5—2013法规使用NEDC循环（新欧洲驾驶测试循环）工况，该测试循环由4个城市工况和1个城郊工况构成，如图1所示，解析信息，如表3所示。

图1 NEDC测试循环工况

表3 NEDC循环工况解析

基于对测试循环的分析，可以看出，启动、起步、换挡及离合器油压控制和催化器设计是达到整车排放开发目标的关键，下面围绕这些关键要素展开讨论。

3 整车排放开发技术方案

3.1 排放摸底

对装有新鲜催化器的试验车进行摸底试验，根据采集的ECU和TCU侧数据和排放秒采数据，分析排放超标的成因，有针对性的优化控制策略和催化器设计参数。

图2 某型整车的后处理装置布置图

图3 国Ⅴ排放测试系统示意图

图4 试验车摸底测试时排放秒采值曲线

图5 某型整车排放摸底EMS控制信号截图

表4 某型整车的摸底排放结果 g/km

试验车使用查表法加载，加载系数根据试验车的整备质量查询得到，试验废气经过稀释后进入CVS-4000型定容采样系统和AMA-4000型气态排放物分析系统，经过系统分析后得到试验结果[7]。后处理装置的布置，如图2所示；排放测试系统示意图，如图3所示；排放秒采值曲线，如图4所示；排放摸底EMS控制信号截图，如图5所示；摸底结果，如表4所示。综合分析图4的污染物秒采数据和图5的EMS侧的控制信号可以看到，该车型的排放压力主要来自于HC和NOx污染物（NMHC的趋势与HC相同），HC的尖峰主要出现在第1个ECE15循环和EUDC循环，而NOx的尖峰则基本上在每一个起步加速工况都会出现，其原因是：1）起动阶段的喷油控制方式不合理，需要针对性的进行优化；2）起步控制不够精确，导致发动机转速低于安全转速较多，会引起熄火的风险，涉及到TCU的起步和充油控制及发动机扭矩的控制精度；3）换挡时的发动机转速存在波动，与TCU的换挡控制和发动机扭矩控制精度相关[8]；4）催化器的涂层参数设计还需要再优化。

3.2 催化器优化设计

结合ECU的控制数据，从排放摸底的结果分析得到催化器调整和优化方案，如表5所示。通过增加载体直径、增加前级催化器的目数/壁厚比和贵金属浓度等设计参数，得到了优化后的后处理方案，后续讨论都基于此方案开展。

表5 催化器调整和优化方案对比

3.3 燃油喷射模式介绍

GDI发动机采用的高压共轨喷油系统具有很高的动态特性，能够在一个工作循环内实现多段喷射[9]。为了优化排放，可以利用该特性加速催化器的升温速度，即在进气行程和压缩行程各喷射一次燃油，会使催化器快速起燃，从而可以有效降低HC的排放。燃油2次喷射脉宽示意图，如图6所示。

图6 GDI燃油2次喷射脉宽示意图

3.4 变速箱控制策略

3.4.1 起步控制策略

变速箱TCU的控制主要围绕着起步、换挡及离合器油压控制展开，DCT起步控制示意图，如图7所示。

图7 双离合变速器（DCT）起步控制示意图

起步控制精度对排放的影响体现在起步过快、转速可能下跌甚至产生熄火的风险；起步过慢，则大量的发动机能量消耗在离合器滑摩过程中。基于此，把起步划分为4个阶段。

1）起步准备阶段：油压预充到离合器的半联动点，以节约起步的准备时间；2）发动机转速快速提升阶段：根据驾驶员踩下油门踏板的开度大小和变化斜率，由TCU根据实际工况计算得出目标发动机转速和转速上升的斜率；3）转速预同步闭环调节阶段：当发动机转速提升到与期望转速的差值小于150 r/min时，进入转速同步前的闭环PID控制阶段，目标是使转速同步过程平顺，为进入滑摩控制做准备；4）转速同步后的滑摩控制阶段：该阶段的控制基于离合器的主动盘和从动盘角速度的滑差，滑摩控制的目标是保持转速差在一个合理的范围内，保证DCT的高传动效率，以达到良好的驾驶舒适性。

图8示出应用该策略的15%油门开度的起步曲线截图。

图8 起步阶段离合器压力曲线截图

3.4.2 换挡过程控制

NEDC排放循环中会出现多次换档操作，与TCU的控制策略相对应的是降扭请求和离合器压力的交替控制，不合理的降扭请求会导致升挡后转速无法同步导致换挡失败[10]。离合器压力的控制精度则直接影响了换挡过程的速度，这些因素都会直接或间接的影响排放的结果。图9和图10分别示出换挡过程的离合器压力交替控制和发动机降扭控制的曲线截图，图11示出优化后在NEDC循环中采集的TCU控制信号截图。由图9可以看到，经过优化的离合器压力信号跟随性较好，油压控制误差为1.6 kPa；由图10可以看到，ECU对TCU发出的降扭请求响应的误差为1.4 N·m，可以精确的满足变速箱升挡时扭矩控制的需求。

图9 换挡过程离合器压力交替曲线截图（15%油门踏板）

图10 换档过程ECU降扭响应曲线截图

图11 优化后NEDC循环中TCU控制曲线截图

基于上述方案，对3辆试验样车分别进行2次排放试验，其排放结果，如表6所示。从表6可以看出，乘以劣化系数后各项指标都在国Ⅴ排放法规限值以内，满足工程目标的要求。

表6 NEDC排放循环中样车排放结果g/km

4 结论

分析了国家第五阶段排放法规GB 18352.3—2013中NEDC循环的特点，基于直喷发动机和湿式DCT整车的特点，从起步控制、离合器压力控制和扭矩控制及催化器的设计等方面进行了系统的思考和设计优化，经过实车标定优化和试验实现了国Ⅴ开发目标的要求，各项污染物都在限值的60%以内。下一步工作将围绕国Ⅵ排放法规征求意见稿提出的基于WLTC的测试循环对发动机工况模式的变化开展控制策略和标定参数的优化工作。