汽油直喷发动机排放标定研究

张鹏飞

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林长春 130012）

汽油直喷发动机排放标定研究

张鹏飞

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林长春 130012）

随着排放法规的不断加严，排放标定越来越复杂。通过催化剂加热及整车过渡工况等优化，最终满足国V排放要求。本文详细阐述催化剂加热模式、过渡工况等试验方法和研究过程。

催化剂加热；过渡工况；排放秒采

随着国V［1］排放法规的全面实施，以及国VI和京VI征求意见稿的下发，排放法规越来越严格，电控系统的复杂程度越来越高，标定的难度也随之增加。找出行之有效的标定方法可以节约开发周期和降低开发成本。

排放标定分为台架标定和整车标定两部分，台架主要对稳态原始排放及催化剂加热效果进行优化，整车主要对起动、怠速和过渡工况等进行优化标定。

1 排放控制原理

汽车排放的主要污染物是由一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化合物NOx、硫化物和PM（微粒物，由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物和烟灰、油蒸气）等组成。为了降低增压直喷发动机的这些污染物的排放量，目前大多主机厂都采用三元催化剂的方式对尾气进行净化，国V阶段基本够用，但对于部分直喷发动机，应对国VI排放法规需要采用颗粒捕集器（GPF）方案。针对仅采用三元催化剂的车型，为了减少排放污染物，就需要重点关注催化剂的以下几个特性。

1）起燃特性在某一温度之前，催化剂的转化效率特别低，当温度达到某值之后，催化剂的转化性能迅速提升，如图1所示。通常将这个温度叫做催化剂的起燃温度。

图1 催化剂转化效率与催化剂温度的关系

2）空燃比特性图2为催化剂的空燃比特性曲线。一般在当量空燃比附近3种污染物的转化效率最高，通常用转化效率窗口表示，窗口的大小很大程度上取决于催化剂的储氧能力（OSC）。

3）空速特性催化剂的空速特性即指规定的条件下，单位时间单位体积催化剂处理的气体量，单位为m3／（m3催化剂·h），可简化为h-1。

如图3所示，可以将整个排放试验过程分为3段。第1段即催化剂起燃之前，其特点是尾气排放就是发动机的原始排放，标定核心是降低原始排放以及加快催化剂起燃速度；第2段即催化剂起燃之后到高速段之前，其特点是该段的污染物主要取决于催化剂的空燃比特性，标定核心是控制空燃比以及保持催化剂的储氧能力；第3段即高速段，其特点主要受限于空速特性，标定核心是控制空燃比避免进入加浓保护和全负荷加浓等工况。

图2 催化剂转化效率曲线

图3 排放试验分析

2 台架排放控制

为了提高标定效率加快标定进度，通过模拟计算，可以快速获取在标准环境下的发动机负荷和转速变化情况；利用台架试验设备的稳态优势模拟这些工况，可以大幅提高标定效率，缩短标定开发周期。同时由于台架标定是发动机标定的基础，在台架标定阶段模拟整车进行催化剂加热工况的选取，为整车标定提供必要的支撑和依据。

上述第1段的工作目标即找出原始排放较好且有利于催化剂加热的工况。从几种主要污染物产生的机理分析，该阶段主要关注HC和排气温度。台架标定需要进行以下几个方面的扫点确认工作，就可以确认最佳的催化剂加热工况。

1）点火角扫描试验按照点火角扫描试验方法，调整不同的点火提前角，并记录相关试验数据。数据处理时，选择排放最好且排气温度较高的点，作为催化剂加热工况的点火提前角，图4和图5为某车型发动机台架催化剂加热点火角综合选点数据。分析数据可知，随着点火角的减小（或点火角推迟增大），排气温度不断上升，HC排放不断下降，但是发动机的燃烧稳定性在不断地下降。所以选点时必须考虑发动机燃烧稳定性，这里推荐燃烧稳定性IMEP COV（Indicated Mean Effective Pressure Covariance）至少小于18，否则有可能出现发动机抖动或者熄火的风险。

图4 碳氢排放与点火角关系

图5 催化剂加热点火角综合选点

2）燃油喷射扫描试验由于直喷发动机一般采用多次喷射，为了找出多次喷射对催化剂加热的影响，需要确认在不同燃油压力情况下多次喷射的配比、多次喷射的喷油起始角和喷油结束角。按照扫点试验方法，调整不同的燃油压力、喷射配比、喷油提前角和结束角，记录试验数据。数据处理时，选择排气温度较高且排放最好的点，作为喷油提前角的扫点结果。图6为某车型发动机台架催化剂加热工况喷油起始角综合选点数据，图7为某车型发动机台架催化剂加热工况喷油结束角综合选点数据。该案例中采用2次喷射，所以只需要确认第1次喷射的喷油起始角和第2次喷射的结束角并确认喷射比例，就可以完整地确认喷射特性。由于喷射方式直接影响HC和PM的生成，所以需要进行大量的试验，确认合理的喷射规律。

3）进排气VVT角度扫描试验按照VVT（VariableValve Timing）扫描试验方法，固定不同的排气VVT角度、调整进气VVT的角度进行扫描试验，记录试验数据。数据处理时，选择燃烧稳定、排气温度较高且排放最好的点，作为催化剂加热工况下的进排气VVT工作角度。图8为某车型发动机台架催化剂加热工况进排气开启角度综合选点数据。从数据上不难看出，在燃烧稳定性满足设计要求的前提下，进气VVT的开启角度增大，HC排放降低，排气温度升高。

4）空燃比扫点试验按照空燃比扫描试验方法，设定不同目标空燃比，记录相关数据。数据处理时，选择燃烧温度性较好、排放相对较高且排放结果相对同时结合催化剂空燃比特性的窗口中值附近的点，作为催化剂加热工况的控制空燃比值。图9为某车型发动机台架催化剂加热空燃比综合选点数据。分析数据可知，随着空燃比的变化，排温、烟度、HC排放水平都成规律性变化。即随着空燃比（或过量空气系数）的增大，排温上升，烟度降低，HC排放降低，燃烧稳定性变差。

图6 催化剂加热喷油起始角综合选点

图7 催化剂加热喷油结束角综合选点

3 整车排放控制

整车排放控制主要有空燃比闭环控制、催化剂加热控制、过渡工况控制、催化剂吹洗控制等。

1）空燃比闭环控制由于氧传感器为陶瓷元件，而且必须350℃附近才能正常工作，所以必须对氧传感器加热才能尽快进入闭环控制。由于露点的存在，氧传感器加热必须在露点之后，才能控制加热电路进行加热，否则影响传感器的耐久。所以露点识别是氧传感器加热也是空燃比进入闭环的关键因素。露点的识别与排气温度上升曲线有直接关系，排气温度的上升曲线又受到催化剂加热工况的影响。所以进入空燃比闭环控制也受到催化剂加热工况的影响。

2）催化剂加热控制通过台架原始排放和催化剂加热部分的研究，基本上已经选择了燃烧稳定性较好、原始排放较低且排气温度较高的工况用于整车试验，结合整车标定的其他工作要求，考虑怠速稳定性、乘坐舒适性、NVH等方面因素，对催化剂加热工况进一步优化。整车标定需考虑的因素分别为：①原始排放；②转速稳定性工程目标；③NVH工程目标；④整车驾驶性工程目标；⑤催化剂加热效果；⑥零部件耐久要求。

综合以上所有要求，通过数据分析的方式最终确认整车使用的催化剂加热策略。另外，为了提高催化剂加热的效率，自动挡车型中还采用了WARM UP策略。即当发动机控制单元有催化剂加热需求时，在总线上发出催化器加热需求，变速器控制单元收到需求后，激活变速器WARM UP控制，变速器会选择低挡位运行，以保证发动机处于高转速，这样有利于催化剂加热。

3）整车过渡工况优化在保证整车驾驶性前提下，由于受限于催化剂空燃比特性，要想提高催化剂转化效率，就必须精确控制空燃比波动范围。过渡工况主要针对进气、点火、喷油等方面进行优化，最终达成过量空气系数在1附近。控制精度在3%以内。这样三元催化剂才能有效地发挥作用。

4）催化剂吹洗控制在装备起停系统的车型上，催化剂吹洗控制对于催化器转化能力的保证尤其重要。由于在发动机停机之后，新鲜空气进入催化剂，催化剂内的氧含量升高，由于受到储氧能力的限制，没有足够的空间继续储存氧原子。催化剂处于高温富氧环境，给氮氧化合物NOx的产生提供了条件，导致再次起动发动机后氮氧化合物NOx急剧升高（图10），尤其是在第2段后期和第3段的时候更加明显。为了保证催化剂的储氧能力，开启催化剂吹洗功能，将多余的氧用于氧化反应，释放催化剂的储氧能力，有效地降低了氮氧化合物NOx的生成。

图9 催化剂加热空燃比综合选点

图10 未开启催化剂吹洗功能的排放秒采数据

5）其他影响排放的标定工作我们已经将典型的影响排放的主要功能进行了一一讲解，还有一些功能可能影响到排放标定或者会引发排放问题，如全负荷加浓、排温保护、燃油自学习、氧传感器诊断和催化剂诊断等都可能对排放结果产生重要影响，所以在排放标定过程中需要重点关注这些功能的工作情况。

4 排放优化结果

排放标定初期测量的排放秒采图如图11所示，污染物水平是国V排放目标的200%左右。经过采用催化剂加热策略、优化闭环控制、优化过渡工况控制和开启催化剂吹洗功能等，最终满足国V排放要求，并满足一次性通过法规的要求。优化标定后的排放秒采数据图见图12，不难看出，3段排放均有明显下降，尤其是第2段和第3段经过优化后效果更佳。

Study on Gasoline Direct Injection Emission Regulation

ZHANG Peng-fei
（Products Development Department，FAW Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

With the development of increasingly strict emission regulation，the calibration of emission becomes even more complex.Through catalyst heating strategy and transition condition optimization，requirements of the national emission regulations could be met.The test methods and research process of catalyst heating mode and transition condition are described in detail.

catalyst heating；transition condition；emission data collection

U464

A

1003－8639（2016）11－0050－04

2016-01-26；

2016-07-22

张鹏飞（1983-），男，工程师，主要从事发动机电控系统开发和标定工作。