高海拔环境下轻型车常温冷起动排放控制

徐金辉，张鹏飞，马希利

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林长春 130012）

高海拔环境下轻型车常温冷起动排放控制

徐金辉，张鹏飞，马希利

（一汽轿车股份有限公司产品部，吉林长春 130012）

通过分析研究高海拔环境下大气压力对汽车排放性能的影响，结合发动机电控标定在排放中的优化内容，提出改善整车高海拔环境排放性能的措施。

高海拔环境；发动机电控标定；常温冷起动排放

高海拔地区内燃机燃烧状况差，产生的排放污染物将增多。但目前中国在轻型车的排放法规执行的为欧洲标准，并未对海拔进行要求，而平原环境下的排放结果不能真实地反应高原地区运行的排放性能。中国境内海拔高于1 500 m的面积约占我国总面积的27.02%。为弥补不足，在制定的国Ⅵ排放法规中，已经增加了高海拔排放控制的要求。

本文首先对比分析不同海拔高度对汽车发动机的影响，研究发动机电控排放标定过程中的工作内容，通过分析实际高海拔的排放结果，进行发动机电控标定优化，验证数据优化后的排放水平。

1 高海拔对汽油机排放物的影响

随着海拔升高，气压下降、空气密度降低，导致进入气缸的空气质量减小，进气负荷减小，而发动机的平均指示压力与负荷成正比。在转速不变的情况下，平均指示压力直接影响发动机功率。即海拔升高，汽油机功率下降，燃油消耗率上升，污染物排放量增加［1］。

另外，随着海拔的升高，空气中含氧量也随之减少，在海拔0～5000m范围内，每升高1000m，大气中含氧量约减少11%～12%。由于含氧量随海拔升高而减少，燃油喷入气缸内进行雾化、扩散时，燃油分子与氧分子碰撞的机会减少，分解、氧化过程变慢；同时，由于含氧量低，使燃油点火和燃烧可利用的氧气量减少，再加上压缩终点的压力、温度降低等综合影响，使内燃机不能点火或点火延迟、起动困难，也将导致整车的排放性能下降。

为了得到高的热效率，现代汽油机的压缩比已非常接近发生爆震所容许的最高限度。而在高海拔环境，由于进气压力低，汽油机产生爆燃的倾向减少，点火角并未处于最佳状态，点火角效率相对下降，也会增加油耗，增加污染物排放量。

2 发动机电控排放标定

发动机电控开发过程中，优化整车在排放循环［2］中的污染物排放量是一项关键指标，主要关注以下内容。

2.1 起动、起动后与暖机阶段

该阶段三元催化器还未起燃，是发动机排放量最大的时候。标定控制的目标就是尽量减少发动机的原始排放，需要在保证起动安全的前提下，调整起动和起动后的相对空燃比，使其在起动后尽快到1。发动机转速的上冲大小也需要调整，要求不超过稳态怠速转速的300～500r／min，在保证起动安全的前提下可没有转速上冲。

在保证燃烧稳定，即不出现失火现象的情况下，可以采用一定程度的稀燃，即将闭环前的空燃比控制在大于1的水平，以降低THC和CO。

2.2 三元催化器加热功能

三元催化器的起燃需要一定的温度，一般在300～ 350℃。为了让三元催化器尽快起燃，更快地达到高转化效率，需启用催化器加热功能。在没有电加热等其它外在加热条件下，三元催化器温度的升高主要来源于废气的热量。三元催化器加热的目的，实际就是提高废气热量，通过提高废气温度或废气流量来实现。主要手段如下。

1）提高怠速转速，可以直接提高废气流量。

2）推迟点火角，可以提高排气温度（燃烧推迟，部分燃烧在排气门打开时仍在持续，排气温度较高），通过调整转矩预留实现。

3）控制相对空燃比，无二次空气时采用稀混合气，使用二次空气时，可采用浓混合气在三元催化器中继续燃烧的方式，通过空燃比协调实现。

提高怠速会引起油耗增加，且提高不合理会带来更多的排放物，反而对排放不利。更改点火角和空燃比会影响怠速稳定性和车辆起步能力，需综合平衡。

2.3 催化器最佳空燃比窗口

一般在空燃比0.99～1的范围内，废气经过三元催化器后，3种排放物可同时达到最低水平，该空燃比范围为最佳空燃比窗口。但对于不同的三元催化器，其最佳的空燃比范围不同，且随着车辆行驶里程的增加，三元催化器逐渐老化，最佳空燃比窗口也会缩小。排放标定优化的目的，就是找到催化器的最佳空燃比窗口，并使之同时满足新鲜和老化催化器。

发动机电控系统对催化器的最佳空燃比窗口控制和调节，是通过空燃比的闭环控制实现的。如果系统没有进入闭环控制，调节空燃比无意义。系统通过氧传感器反馈的电压，与参考电压（相对空燃比=1）比较，通过PI控制产生修正因子，另外通过控制将修正因子在偏浓一侧保持一定时间，可以使混合气空燃比相对于1有一个小的偏移，使其在催化器的最佳空燃比窗口内。

2.4 过渡工况

过渡工况产生的空燃比变化也影响排放，一般要求波动范围在0.9～1.1范围内。当超出此范围或者空燃比偏浓或偏稀时间过长时，可能在排放结果中有所表现。

2.5 空燃比开环

排放过程中的工况点可能会进入全负荷加浓或零部件保护加浓，主要在郊区100～120km／h循环。加浓会导致HC和CO瞬间排放量剧增，在标定优化过程中，需尽量避免导致排放劣化的开环加浓。

2.6 二次空气泵控制

由于高海拔时空气密度低，二次空气泵进气量较小，故此时需要调整二次空气泵工作时的空燃比，使空燃比处于最佳范围。

2.7 废气再循环控制

在高海拔时排气背压降低，废气再循环控制阀EGR两边的压差较小，导致EGR流量减小，故此时需要进行废气再循环补偿。在标定过程中，设置EGR阀随海拔高度的提高而开度增大，减少高海拔受EGR影响的NOx排放。在EGR系统中，点火正时的需求随EGR浓度而改变，为优化燃油经济性和排放性能，点火正时需随EGR浓度的增加而提高。

3 排放试验分析

以一辆搭载自然吸气多点喷射汽油机的轻型车为试验对象，装备二次空气泵，无废气再循环系统。在标准环境下整车达到国IV排放水平。

按照车重法加载汽车滑行阻力，不考虑高海拔环境对汽车滑行阻力的影响［3］。

3.1 排放摸底结果

在具备认证资格的试验室进行排放试验，分别进行海拔0 m及海拔1 500 m的欧IV排放试验，排放结果见表1。

表1 不同海拔排放摸底结果

通过摸底试验结果可得出，平原环境下常温冷起动排放合格的整车，在高海拔环境下排放无法达到标准要求，需对整车进行优化，以满足要求。

3.2 排放结果分析

在海拔0m时2次排放的秒采如图1所示。高原排放秒采图见图2。

图1 海拔0m的排放秒采图

图2 海拔1450m排放秒采图

从图1可以看出，2次排放过程中，排放物高点出现在起动、起动后及暖机阶段（3种排放物排放量大）和高速大负荷阶段（CO排放量大）。在催化器完全起燃后及过渡工况中，排放量正常，催化器的空燃比窗口正常，且整个过程未进入开环工况。以此作为基础，对比分析海拔1500m的排放异常点，通过优化标定数据，使高原排放满足欧IV标准要求。

从图2高海拔排放秒采图可以看出，该车型在高海拔环境的排放物高点亦出现在起动、起动后及暖机阶段（3种排放物排放量大）和高速大负荷阶段（CO和HC排放量增大）。在催化器完全起燃后及过渡工况中，排放量正常，催化器的空燃比窗口正常。

不同海拔排放试验的CO排放量对比见图3。高海拔环境下CO的排放量较低海拔环境排放量少。整个高海拔排放试验过程中，CO表现优于低海拔环境下，不需进行数据优化。

图3 不同海拔排放试验的CO排放量对比

不同海拔排放试验的HC排放量对比见图4。在高海拔环境下，起动、起动后及暖机阶段的HC排放量一致，高速大负荷阶段排放量增加，需对此部分进行优化。

图4 不同海拔排放试验的HC排放量对比

不同海拔排放试验的NOx排放量对比见图5。图5中NOx秒采值对比可以看出，高海拔排放异常点出现在起动、起动后及暖机阶段，需对此阶段进行数据的优化。

图5 不同海拔排放试验的NOx排放量对比

通过上述分析，得出针对高海拔环境的优化位置为起动、起动后及暖机阶段和高速大负荷阶段。

3.3 数据优化分析

3.3.1 进气量修正

由于在高海拔环境下，空气密度偏小，节气门开度相同时，进气量相对减少，通过节气门开度的修正可以保证高原环境下发动机进气量。

3.3.2 空燃比修正

高海拔环境下，二次空气泵气量减少，需调整二次空气泵开启时的空燃比控制，使二次空气泵工作时空燃比达到最佳值。控制策略如图6所示。

图6 二次空气泵工作阶段空燃比控制策略

按照上述控制策略，最终计算燃油喷射时间，确定喷油量。

对比在二次空气泵工作时，平原排放试验过程中的空燃比与高原环境下的空燃比。

起动、起动后及暖机阶段不同海拔环境空燃比对比见图7。从图7可以得出，在起动、起动后及暖机阶段，在二次空气泵工作时间段内，高海拔环境下的空燃比与低海拔环境的空燃比有较大差异，导致空燃比偏离最佳区域，调整此部分的空燃比，可以降低此阶段的排放。

起动10 s的空燃比对比见图8。起动后10 s左右，高原空燃比（1.55）较平原空燃比（1.48）稀，所以将发动机冷却液温度20～40℃之间的空燃比修正值加浓（0.13至0.1）。

图7 起动、起动后及暖机阶段不同海拔环境空燃比对比

图8 起动10s的空燃比对比

起动20 s的空燃比对比见图9。起动后20 s左右，高原空燃比（1.41）较平原空燃比（1.71）浓，将发动机冷却液温度20～40℃之间的空燃比修正值减稀（0.3至0.083）。

图9 起动20 s的空燃比对比

同理，在21s左右，空燃比减稀（0.2至0.035）。

图10 起动28～49s的空燃比对比

起动28～49 s的空燃比对比见图10。在起动后28 s至49s左右，高原空燃比与平原空燃比相差不大，不再调整该部分空燃比。

起动49 s后空燃比对比见图11。在起动后49 s以后，高原空燃比较平原空燃比稀，在发动机冷却液温度20～40℃之间的空燃比修正值加浓（-0.060／-0.12调整至-0.018）。

图11 起动49s后空燃比对比

通过以上分析，确定MAP表的标定方案如下：将原MAP数据表2变更为表3。

表2 原标定MAP

表3 新标定MAP

3.3.3 转矩损失修正

在高海拔环境下，发动机的泵气损失及排气背压小于平原环境，需修正此部分转矩差异。通过高海拔及平原台架测试，得到同一款发动机在不同情况下的发动机泵气损失差异，按测试结果修正发动机泵气损失。

3.3.4 开环修正

不同海拔环境高速大负荷阶段空燃比对比见图12。从图12中看出，发动机空燃比控制进入开环加浓，导致后阶段的HC和CO排放量增加。通过取消排放试验过程中高速大负荷阶段开环加浓控制，可以减少此部分的污染物排放量。

优化方式为将动力加浓转速放开，由704r／min变更为8160r／min，且将此时间限制为30s，可以避免车辆在排放试验过程的高速大负荷阶段进入开环加浓工况。

Cold Start Emission Control of Light Vehicle in High Altitude Environment

XU Jin-hui，ZHANG Peng-fei，MA Xi-li
（Products Development Department，FAW 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

徐金辉（1984-），男，工程师，主要从事发动机电控系统开发和标定工作。