基于某车型NEDC 循环排放标定的研究

吴哲，赵强

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022）

引言

随着汽车工业的高速发展，汽车保有量的急剧增加，发动机的排气污染与噪声污染已成为地球环境的主要污染源，特别是发动机有害排放物对城市的大气构成了严重威胁。发动机排放污染物有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和微粒等，这些污染物对人体健康造成了很大危害[1]。国家法规部门对车辆排放有严格的规定，明确了各污染物的排放限值，汽车设计开发的过程中排放控制压力巨大，因此排放标定工作显得尤为重要。

1 混合气对污染物的影响

对发动机气体污染物影响的因素较多，主要有混合气浓度、点火时刻、发动机负荷和转速等。本文基于主要的影响因素混合气浓度进行排放标定研究。

汽油机是一种预混燃烧，其可燃混合气浓度范围较窄，且在冷机、满负荷等工况下处于浓混合气工作，混合气浓度是影响排放的最主要的因素[2]。空燃比是表征混合气浓度的一个参数，是指参与燃烧的气体流量与汽油流量的比值，理论空燃比定义为标准状态下汽油完全燃烧时的空燃比，约等于14.7。图1 为混合气成分对CO、HC、NOx 的影响曲线。

随空燃比α下降混合气变浓，燃烧时氧气相对不足，不完全燃烧生成物增加，使CO、HC 迅速增加。在空燃比α大于14.7 以后CO 浓度已经很低了，但随空燃比再继续往偏稀的方向增加时，因混合气不均匀造成局部缺氧仍然会有少量CO 生成。同时，因CO 氧化反应速度慢，燃烧温度下降，使HC 排放量也增加。

NOx 峰值出现在理论空燃比偏稀的一侧，而排温与空燃比成正比关系，因此高的NOx 易产生于高温、富氧工况。

HC 的产生与空燃比的趋势则是两端高、中间低：当浓混合气逐渐变稀，在缝隙容积与激冷层中混合气燃料比例减少，因此HC 量减少。处于最佳燃烧的α范围内，HC 及油耗均为最低，但当混合气过稀，火焰可能熄灭，导致未燃烧的燃料直接排出，因而HC 的生成量又会上升[2]。

图1 污染物-空燃比关系图

2 整车排放标定分析

本文基于某1.6VVT 汽油发动机的排放标定案例，运用第一节中关于影响污染物形成因素及控制的理论知识，对排放结果进行分析并对标定数据进行优化再验证。

2.1 NEDC 循环排放控制原理

国五阶段的NEDC 循环排放标定可划分为三个部分：冷机控制，稳态控制，瞬态控制。

图2 NEDC 循环

（1）冷机控制

我们将起动后的第一个城市循环定义为冷机阶段，主要通过喷油、点火和进气标定，使得在起动时空燃比控制在合理的指标，兼顾污染物和驾驶性能的控制，同时提高排气温度将催化器尽快加热至高效转化的温度。

（2）稳态控制

在冷机控制后的城市循环稳速行驶及城郊循环，主要通过闭环燃油控制。稳态闭环控制原理是根据氧传感器反馈的排气中氧气含量浓度，通过ECU 修正喷油脉宽，实时调整混合气的浓度在催化器最佳的转化窗口范围内，有效降低三项排放污染物。

（3）瞬态控制

排放循环中除了冷机控制和稳态控制的部分，主要涉及了较为复杂的瞬态燃油，减速断油，换挡等相关逻辑控制。

2.2 排放结果分析

国家第五阶段排放限值如下表所示[3]。

表1 I 型试验排放限值

车型信息如表2 所示。

表2 车辆参数信息

某次排放结果如表3 所示：

表3 第一次试验排放结果

表4 分阶段排放结果

对实时采集的污染物数据绘制时间—污染物流量图如下图3，结合表4 分阶段的排放结果分析可见，污染物HC 较好，因此主要关注CO 和NOx 的优化，且NOx 主要集中在城郊高速循环阶段。

图3 NEDC 循环时间—污染物流量图

（1）冷机阶段

此阶段CO 排放较差，NOx 控制较好，因此可以将起动空燃比进行减稀处理。

（2）稳态阶段

在城郊循环100-120KM/H 加速阶段CO 和NOx 均有较大量的排出，两种污染物对空燃比的浓、稀反应结果恰好相反，因此回归发动机此时的工况进行分析处理，如图4 采集的INCA 数据所示在100-120KM/H 加速过程中，通过燃油控制模块的快速学习值、积分学习值、氧传感器浓稀信号指示等参数分析如下：

1）在数据1119 秒处，通过氧传感器闭环反馈此时混合气处于偏浓状态，之后燃油积分值往负值方向调整，以控制减少喷油量来减稀空燃比。

2）在数据1135 秒处，燃油学习值处于最小值，喷油量负修正处于最大值，后氧传感器信号开始下行，指示混合气处于偏稀状态。

3）113 5 秒之后，燃油修正值开始往正值方向调整，直至稳定。

以上数据结合图3 对应分析：在1119 秒附近，由于空燃比偏浓，混合气燃烧不充分，产生较多的CO 污染物；随后闭环控制开始调节喷油量，空燃比开始减稀，由于燃油修正速率和幅度超调，导致随后的高温、富氧工况产生较多的NOx 污染物。

图4 NEDC 循环发动机运行工况图

（3）瞬态阶段

城市循环阶段一档升二档工况均有CO 产生，因此锁定该稳态闭环控制的特定工况点进行调整，对INCA 采集的ECU 数据分析。

3 排放标定优化与验证

根据上一章节的分析，对标定控制做了调整后再验证。

3.1 标定优化

（1）冷机阶段

调整20-30 摄氏度的起动空燃比；

（2）稳态阶段

将2.2 节中分析工况下的发动机运行参数记录在表5 中，根据燃油修正值的偏差值调整不同工况点下的充气模型、空燃比浓稀限值等参数，目的是使得空燃比修正值稳定在1 附近。

（3）瞬态阶段

表5 发动机运行参数记录表

调整CO 污染物产生工况（城市循环阶段一档升二档）下的发动机加速、减速及换挡断油等瞬态燃油控制。

3.2 标定结果验证

对3.1 节中调整的标定数据后再验证，结果如表6、表7所示。从分阶段的排放结果表7 可见，城郊阶段的NOx 污染物得到了有效控制，较之前有大幅的降低，图5 显示更为直观。经过冷机起动、瞬态控制、稳态控制的标定优化，最终三种污染物均满足法规要求，且与法规限值相比余量较大。

表6 第二次试验排放结果

表7 分阶段排放结果

图5 NEDC 循环时间—污染物流量图

4 结论

本文基于某车型的排放结果进行数据分析和标定控制优化，通过再验证结果证明了分析的准确和控制优化的有效可行，提供了一种排放标定的思路：在某两种对空燃比浓、稀反应矛盾的污染物几乎同时产生时，原因是闭环控制的超调导致，例如本文中的CO 和NOx 同时产生是由于前一个工况发动机充气模型的偏差导致混合气偏浓产生CO，紧接着基于氧传感器反馈的闭环控制系统开始快速调节，导致随后的工况空燃比调节至一个偏稀的状态导致NOx 的产生。调整初始工况下的相关标定，避免燃油修正值的大幅调整，使得空燃比控制准确，稳定在理论空燃比附近，提高三元催化器的转化效率，从而大幅减少污染物的产生。

由于篇幅限制，本文未能对标定中闭环燃油控制原理进阐述，也未对具体的标定参数做详细的说明和量化的扩展分析。后续工作应当更加深入的对排放污染物产生的机理及标定控制逻辑进行分析，更为系统和全面的做好国六排放开发工作。