高原环境下碳罐脱附流量的影响及优化研究

齐 斌 朱小慧 陈 鹏

（泛亚汽车技术中心有限公司 上海 201201）

引言

对一般汽油发动机而言，燃油蒸发排放是挥发性大气污染物中HC 的主要来源之一[1-2]。碳罐是燃油蒸发排放控制系统的关键部件[3]，但其吸附能力有限，必须同时具有一定的脱附能力（又称冲洗能力），使得处于吸附饱和状态的碳罐能重新恢复吸附能力。有研究表明试验车辆的脱附流量越大，碳罐脱附得越彻底，其蒸发排放控制效果也越好[4-5]。

不同国家法规要求的蒸发污染物排放试验中都会进行标准测试循环预处理行驶，以对碳罐进行脱附冲洗[6]。由于试验条件的限制，发动机蒸发排放控制系统开发通常只针对平原环境下标准试验循环工况碳罐脱附流量进行标定，鲜有高海拔环境对碳罐脱附流量的影响研究。

基于此，本文以出口墨西哥某车型为例，为满足高海拔环境下蒸发排放要求，应用发动机硬件在环系统HIL（Hardware In Loop）台架，进行了高海拔UDDS（Urban Dynamometer Driving Schedule）循环工况碳罐脱附流量测试，以探寻高海拔环境对碳罐脱附流量的影响，以及发动机蒸发控制模块标定的优化方法。

1 仿真试验环境

1.1 车辆基本参数

试验车辆为出口墨西哥项目开发用车，车辆的基本参数如表1 所示。

表1 试验车辆基本参数

1.2 车辆燃油蒸发排放控制系统介绍

车辆燃油蒸发排放控制系统如图1 所示。在一定工况下，发动机控制模块ECM 控制脱附电磁阀打开，新鲜空气在歧管的真空吸力和冲洗泵的作用下，从底部进入碳罐并经碳罐上部管道进入进气歧管，空气在流经碳罐内部时，碳罐内被吸附的燃油重新蒸发并跟随空气一起进入进气歧管，流经碳罐的空气脱附流量大小直接决定了碳罐的再生吸附能力。

图1 燃油蒸发排放控制系统

1.3 硬件在环HIL 仿真系统介绍

如图2 所示，该发动机仿真系统包含了硬件在环仿真台架，发动机模型、变速箱模型、整车模型以及整车CAN 总线模型。较普通HIL 台架，下位机加载了标定级别的发动机模型，更能反映真实的发动机及整车运行工况。

图2 发动机硬件在环系统

2 碳罐脱附流量仿真及标定优化

当前国内只有中汽研天津汽车检验中心具备海拔环境舱排放测试系统，测试费用较高，为满足墨西哥高海拔环境下对蒸发排放的要求，本文采用图2所示的发动机硬件在环系统模型对碳罐脱附流量进行仿真研究。首先在平原标准排放试验室采集实车UDDS 循环数据，以此对发动机硬件在环系统模型进行校准，再使用校准后的模型仿真高原环境下碳罐脱附流量并进行分析及优化。

2.1 平原碳罐脱附流量模型校准

通过调整发动机模型中碳罐冲洗泵出口压力、燃油自学习的诊断优先级等参数，使仿真结果贴合实车循环工况下的脱附流量。仿真与实车的累积碳罐脱附流量结果对比如图3 所示，在UDDS 循环工况下，实车试验累积脱附流量70.5L，HIL 台架仿真累积脱附流量70.9L，仿真与实车数据误差为0.6%，表明此发动机硬件在环系统模型有较高的准确度。

图3 平原环境下碳罐脱附流量

2.2 平原高原碳罐脱附流量对比及影响因素分析

发动机硬件在环系统HIL 台架具备不同地理环境仿真功能，在HIL 中设置大气压力为73 kPa，使用在平原校正过的发动机模型进行仿真，结果如图4所示。高原环境下碳罐脱附流量为14.3 L，较平原仿真流量下降了79.8%。

图4 平原高原环境下碳罐脱附流量对比

碳罐脱附冲洗的主要使能条件为：发动机水温大于一定温度；发动机扫气率在一定范围内；系统预判未减速断油；油路自学习未进行；碳罐冲洗具有较高优先级等。

对HIL 台架采集的数据进行分析，发现在高原环境下，为满足驾驶工况对发动机转矩的需求，小排量发动机更多地进入了扫气工况。在1 372 s 的UDDS 循环工况中，共有146 s 的时间发动机扫气率大于1.05，如图5 所示，扫气工况增加是碳罐脱附流量下降的因素之一。进一步分析高原环境下相同工况，发动机转速较平原高，更容易进入预判断油，从而中断碳罐冲洗。另外，发动机控制系统ECM 根据空燃比闭环控制回路确定空燃比的偏离程度，与正常运行时的情形进行对比，对由脱附蒸汽气流引起的空燃比修正量做出估计，以确定脱附气流中的燃油含量。由于高原空燃比预控模型未作优化也造成了碳罐脱附流量减少。

图5 平原高原环境下扫气率对比

2.3 增加碳罐脱附流量的发动机标定措施及其应用效果的仿真

针对以上高原环境下碳罐脱附流量下降的因素，通过优化发动机燃油蒸发控制标定参数提高碳罐脱附流量并仿真其应用效果。

2.3.1 放宽扫气率限值

发动机蒸发排放系统控制中通常会根据经验值设定一定的扫气率限值，以中断碳罐脱附。仿真中将扫气率标定限值由原来的1.05 调整为1.1，在UDDS循环工况下碳罐脱附流量可以提高到24.4L，如图6所示，较标定参数优化前提高70.6%。但在开发中应用此标定优化措施时需要注意的是，在扫气工况中，需要根据排气温度和前氧检测结果对排气管中的空燃比进行更精确的优化控制[7]，以避免碳罐脱附对系统空燃比的冲击造成排放恶化。

图6 高原环境下放宽扫气率限值碳罐脱附流量对比

2.3.2 提高断油转速

在减速断油时，由于发动机不喷油会导致尾气中氧含量极大增加，催化器对NOx的转化效率会大大降低，若此时进行碳罐冲洗，将导致NOx排放极度恶化[8]。因此在碳罐脱附控制策略中，会对减速断油工况进行预判，禁止碳罐脱附清洗。

提高发动机减速断油转速虽然会损失小部分燃油经济性，但可以减少系统禁止碳罐冲洗的时间，从而提高碳罐脱附流量。在仿真中将断油转速提高40%，可以将平原环境下预判断油的时间由222 s 减少到41 s，碳罐脱附流量由70.9 L 提高到89.6 L。而在高原环境下提高断油转速，预判断油的时间由336 s 减少到170 s，碳罐脱附流量由14.3 L 提高到16.8 L，如图7 所示，表明在高原环境下提高减速断油转速对碳罐脱附流量的提升效果不明显。

图7 提高断油转速碳罐脱附流量对比

2.3.3 提高目标脱附流量

在发动机空燃比预控准确的情况下，空燃比的偏差完全由碳罐冲洗气流中的HC 成分造成，两者存在映射关系，所以可以通过空燃比的偏差获得碳罐中HC 成分的信息。通过发动机控制标定参数设置，提高冲洗气流中的目标燃油比率和部分工况下碳罐阀开度，可以提高发动机正常运行和可能的空燃比偏差情况下的碳罐冲洗率。

目标脱附流量的设定过大会造成碳罐中的油气大量进入发动机进气歧管，导致混合气过浓，影响发动机燃烧，从而对整车尾气排放造成负面影响，严重的还会导致发动机熄火[5]。因此在实际开发过程中需要平衡碳罐脱附流量的大小、尾气排放及发动机燃烧稳定性三者之间的关系。

3 结论

在出口墨西哥项目开发过程中，为适应当地高海拔环境的排放要求，需要适当提高碳罐脱附流量以使碳罐具备再生吸附能力。应用发动机硬件在环系统HIL 台架可以快速定位高原环境下造成碳罐脱附流量减少的因素，通过适当放宽扫气率限值和提高减速断油发动机转速等标定参数优化措施，改善循环工况下碳罐脱附流量。应用发动机硬件在环系统HIL 台架可以大大节省试验时间和费用。同时本研究对于国内蒸发排放的高原试验研究具有一定的借鉴意义。