增压发动机匹配AT整车国五排放标定研究

胡　俊，黄　伟，孙伦业，郭文松，刘文彬

(1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽　合肥　230022；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽　淮南　232001)



增压发动机匹配AT整车国五排放标定研究

胡俊1，黄伟1，孙伦业2，郭文松1，刘文彬1

(1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230022；2.安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)

搭载AT(自动变速器)的车辆具有操作简单、驾驶轻便、易于实现巡航功能等优点；增压发动机在不增加发动机排量前提下，能够较大的增加发动机的动力性和经济性。分析了搭载涡轮增压发动机和AT(自动变速器)整车的特点，识别了国五排放和国四排放标准的不同，基于BOSCHME7发动机管理系统排放控制策略，提出了一种应对国五排放的标定试验方法。该方法通过采用紧耦合催化器、对发动机空燃比、点火提前角、催化器加热的发动机转速、三元催化器转化效率精细标定的优化，使某型搭载涡轮增压发动机和自动变速箱车辆达满足国五排放法规新鲜排放限值的70%的要求。

AT；增压发动机；发动机管理系统；国五排放；试验

搭载AT(自动变速器)的车辆具有操作简单、驾驶轻便、易于实现巡航功能等优点[1]；增压发动机在不增加发动机排量前提下，能够较大的增加发动机的动力性和经济性。因此同时搭载自动变速箱和涡轮增压车型，其动力性、经济性、驾驶简便等方面存在较大优势。在整车开发过程中，一个很重要的环节是整车排放的标定和优化。为了节约开发时间和成本，往往将搭载其他变速器(MT/DCT/CVT)车型的排放标定数据移植到AT车型上，在此基础上再针对AT的特点进行精调。本文以某型搭载AT的车型为例，探讨了有针对性的优化这个阶段的排放以达到国五法规要求的方法。试验结果表明，通过大量的优化工作，该车型新鲜催化器的排放结果可以达到国五限值70%以内，满足开发工程目标要求。

1　国五法规分析

国五针对国四排放，要求控制的污染物增加了NMHC(非甲烷碳氢)和PM(颗粒物)两类(见表1)。对于非直喷汽油机而言，国五排放主要受制于NMHC。由于甲烷通常占THC的10%左右，按照NMHC限值为0.068 g/km，相当于THC限值则为0.075 g/km。NOx也加严到了0.06 g/km。国五的劣化系数也较国四更加严格[2](见表2)。

在发动机平台没有革命性的升级情况下，国五排放的污染物限值和严格的裂化系数对增压发动机通过排放限值提出了很高的挑战。

表1　国五与国四主要污染物限值对比　(g·km-1)

表2　国五与国四劣化系数的对比　　(g·km-1)

2　针对国五排放的相关匹配

2.1匹配车辆

标定用发动机为4缸16气门，废气涡轮增压，变速器采用4AT，其基本参数及三效催化转化器体积参数如表3所示。

表3　某型AT车型信息

2.2排放测量设备

试验车辆置于AVL底盘测功机试验台上，按照国五排放测试循环运行，试验车辆排出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。

2.3搭载自动变速器对排放的影响

自动变速器采用液力变矩器和传动齿轮传递动力，其驱动机构还包含油泵等耗能元件，所以搭载AT的发动机的负荷比搭载手动变速器车辆的要大。在国五排放循环的起动阶段，催化器还没有达到起燃温度，其内部的化学反应的速率还很慢，此时的发动机排放取决于发动机本身的原始排放。基于此，搭载AT的整车将在起动阶段产生更多的原始污染物，必须进行有针对性的排放匹配，才能通过苛刻的国五排放法规要求。某AT车辆和与其仅有变速器型式差异的MT车型在排放试验中一段工况的负荷对比如图1所示，可以明显看到AT车型负荷要大于MT车型。

t/s1. AT；2. MT 图1　MT和AT车型在第一个排放ECE循环中负荷对比

国五测试循环中对AT车辆的操作方法和MT车型也有所区别。法规规定，AT车型在试验开始时设置好档位选择器后，在试验期间，任何时候不得再操作档位选择器，除非发生加速动作不能在规定时间内完成才可以按照MT的要求，操作档位选择器。这就意味着AT车型在排放测试循环的怠速工况中，一直处于D档状态，而D档的负荷又大于N档，这同样加剧了AT车型的排放恶化问题。

2.4催化器布置形式选择

试验车型采取高目数[3]紧凑耦合催化器布置形式，其中前级转化器和后级催化器采取和排气歧管紧耦合装配方式。紧凑耦合的前级催化器高目数、体积小、热容小、起燃温度低，可以实现催化器起燃温度较快的目的[4]，以更快的净化起动后的排放。后级催化器体积一般较前级大，可以更加有效的处理发动机高速段废气的排放[5]。

3　应对国五排放的方案

针对前述的搭载废气涡轮增压发动机和AT变速器对排放匹配的独特影响以及催化器的布置型式，通过以下三种标定手段满足要求。

3.1启动和暖机阶段空燃比精调

国五排放测试循环在发动机起动后立刻开始采样，此时三元催化器没有到达其起燃温度，其内部的化学反应不能有效进行，发动机排放很大程度上取决于其原始排放。所以在保证发动机能正常起动的前提下，即发动机不出现启动失火的前提下，可以采取一定程度过量空气系数大于1的稀燃(一般不超过1.05)，可以降低HC及CO的排放。于此同时还要在此喷油系数的基础上，继续减稀20%，以检查发动机运转的稳定性，以免油品质量问题影响车辆的启动及怠速稳定性。制造一致性较好及排量较大的发动机具有较好的怠速稳定性，可以选取较大的暖机过量空气系数。

排放点起动的过量空气系数可以通过发动机管理系统的数据匹配来精调。按照上述原则，在起动及暖机未闭环阶段，设置合适的暖机目标过量空气系数(1.05以内)，调整合适的发动机倒拖阻力矩系数，并依次分3阶段调整暖机后喷油加浓系数，最终找到排放最佳的暖机目标过量空气系数及喷油系数。四次排放测试过程中起动时过量空气系数的变化曲线和排放测试结果如图2和表4所示。 起动后3s内排放测试1过量空气系数达到1.02， 测试2为0.92， 测试3为0.90， 测试4为0.86。 对排放结果的影响可从表4明显看出，排放测试1中HC及CO的排放值比排放测试2、3、4相比较都要低。起动过量空气系数对排放的影响主要是因为起动过程中HC和CO的排放主要来源于燃料的不完全燃烧，所以过量空气系数快速接近1.0到1.05可以有效的降低HC和CO的排放。

t/s1. 排放测试1；2. 排放测试2；3. 排放测试3；4. 排放测试4图2　不同起动空燃比对比图

THCCONMHC排放测试10.0370.2710.034排放测试20.0440.3960.039排放测试30.0580.4730.051排放测试40.0540.5510.048

3.2催化器快速起燃

在排放测试循环中，绝大部分的污染物都来自于起动阶段。因为在冷启动和暖机阶段，发动机节气门开度较小，进气歧管的真空度较高，导致汽油雾化与蒸发效果差，难以与空气形成均质的混合气，因此发动机在控制策略采取的是增加喷油量。另一方面，由于燃烧不稳定，燃烧室温度低，容易出现大量的未燃烧的碳氢生成。此时排气温度低，未达到三元催化器的起燃温度，催化器的催化转化效果不明显，因而导致了大量HC的排放。据研究表明，该阶段产生了HC排放占NEDC排放循环的60%～80%[6]。因此如何让催化器快速起燃，降低HC排放，对应对国五排放有着积极重要的意义。

3.2.1推迟点火提前角发动机管理系统可以通过推迟点火角和提高发动机加热转速来增加废气的热能，以加快催化器的起燃速度[7]。点火角方面，通过设置催化器加热的扭矩储备，扭矩储备预留越大，相对应的点火角推迟的就越多，但两者并非单纯的线性关系。扭矩储备的设置要注意不可影响怠速的稳定性和车辆的起步性能。在第一个ECE循环中15km/h的部分负荷工况，也可以推迟点火角进行催化器加热，但是要注意推迟的幅度对燃烧稳定性的影响，点火角推迟过多也会造成失火或燃烧不充分，而导致排放增加。

可以利用催化器加热的相对空气量积分值来调整扭矩预留开始和关闭时刻，其设置的值也要保证点火角逐渐降低及恢复，以防止点火角突变引起怠速不稳。对催化器加热时的点火效率系数进行调整，来匹配点火角推迟区域及点火角推迟量。

在催化器加热阶段，扭矩的预留可分为怠速部分和非怠速部分。催化器加热扭矩预留量一定要大于怠速时的扭矩预留量，通常车辆怠速时扭矩的预留量约为3%～4%。通过对催化器加热扭矩预留标定量的不断优化，扭矩预留量设置为8%左右，点火角在5°CABTDC左右时，可以促使三元催化转化器温度迅速提升，降低排放(见表5)。

表5　催化器加热扭矩预留对各污染物排放影响(g·km-1)

3.2.2提高发动机怠速提高怠速方面，需要特别指出的是，对于该废气涡轮增压车型，怠速转速的设置要比NA车型略高。这是因为如果借用NA车型1 100～1 200 r/min的标定，由于涡轮增压器将消耗一部分排气热能，维持相同的怠速转速，排气温度不能够很好的将催化器快速起燃。但如果设定的转速过高，由于催化器未起燃，则这就意味着要排放出更多的污染物。针对这一点，设计了大量的验证试验，不断调整优化标定数据，不同催化器加热怠速转速下污染物排放量，如表6所示。为了兼顾加热效率和排放结果，从中我们优选了1 400 rpm为怠速转速为作为最终的匹配数据。

表6　催化器加热转速对排放物的影响　(g·km-1)

3.3三元催化器转化效率精调

三元催化器转化效率在过量空气系数0.98到1.0附近较狭窄范围内时，对CO、HC和NOx三种废气的综合转化效率最高[8](见图3)。

过量空气系数1. CO；2.NOx； 3.THC图3　三元催化器转化效率与过量空气系数关系

在发动机管理系统进入闭环之后，过量空气系数是通过前级两点式氧传感器的电压跳变来表征的。系统通过前氧传感器实时传输的电压信号与0.45 V(即过量空气系数等于1时的电压)进行比较，通过比例与积分调节修正，可以使混合气的过量空气系数短时间相对于1有个小的偏移。偏移时间系数是一个与转速与发动机负荷相关的预设量，其值要求三种污染物都必须控制在较低值，并且后氧传感器电压值维持在0.6 V到0.7 V之间。需要通过多次排放验证，来确定最合适的预设量。

氧传感器的输出电压随过量空气系数相应变化(见图4)，发动机管理系统最终通过控制喷油量来精确控制过量空气系数。

图4　闭环控制

从图4中可以看出，燃油闭环修正信号根据系统氧传感器信号的跳变进行实时修正，从而保证过量空气系数始终在1.0 ± 0.02的范围内跳动，在此范围内催化器的转化效率可以达到最优。

综上所述，采用紧凑耦合两级催化转化器，通过推迟点火提前角、提高发动机怠速、精确控制空燃比等精细匹配，搭载增压发动机和AT车型可以实现国五排放的工程目标(见表7)。

表7　新鲜催化器国五排放结果　　(g·km-1)

4　结论

本文分析了搭载增压发动机和AT变速箱整车满足国五阶段排放的难点，根据发动机及变速箱特点，制备新的紧耦合催化器并基于BOSCH ME7发动机管理系统，针对排放相关的模块进行了标定优化。经过多轮排放试验，成功实现了某车型各项排放的污染物都能够控制在国五限值劣化后的70%以内，积极响应了国家节能减排的号召与法规的要求，实现成本与排放目标的最优化。

[1]黄宗益. 现代轿车自动变速器原理和设计[M].上海：同济大学出版社，2006：10-100.

[2]GB18352 .5—2013 ，轻型汽车污染物排放限值及测量方法:中国第五阶段[S]. 北京：中国标准出版社，2013.

[3]卢恒. 关于高目数薄壁载体三元催化器在国五排放中的应用[J]. 装备制造技术，2013(9):166-168.

[4]梁春婷. 汽车国五排放控制技术研究及应用[J]. 机械与自动化.2014(3):85.

[5]肖建华. 紧凑耦合催化器降低汽油机冷启动HC排放的研究[J]. 内燃机学报.2003(21):6.

[6]梁小强. 火花点火发动机冷启动和暖机过程未然碳氢排放及控制[J]. 内燃机.2005(3)：36-39.

[7]赵宏志. 大排量汽油机满足国五排放标定方法研究[J]. 内燃机与配件.2012(11):1-4.

[8]吴建华. 汽车发动机原理[M]. 北京：机械工业出版社，2005：15-100.

(责任编辑：李丽)

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，安徽安庆人，工程师，硕士，研究方向：发动机电控系统标定。

U464

A

1672-1098(2016)03-0069-05