基于耐久老化车辆的实际道路行驶NOx排放控制方法研究

徐胜龙，宋 军，袁 伟

（上汽大众汽车有限公司驱动系统研发部，上海 201805）

前言

国六排放法规GB18352.6中规定了实际道路驾驶排放（real driving emission，RDE）将于2023 年7 月正式实施，同时定义了RDE 测试的环境条件，最大扩展区间为：环境温度-7～35 ℃，海拔0～2 400 m；对检查环节，定义了新生产车辆的生产一致性检查及在用车正常寿命内（16 万km）的在用符合性检查［1］。相比于国六原有的WLTC 循环排放，RDE 带来的挑战主要体现在：（1）实际道路驾驶，没有固定的驾驶方式及循环曲线，随机性较强；（2）环境条件扩展区间较大；（3）要求对16 万km 以内的在用车RDE 进行抽查。基于这些新的挑战可以总结出RDE特殊的极限工况：老化车辆（包含老化的发动机及排气系统）、苛刻的环境条件、激进的驾驶。结合法规中定义的环境温度和海拔的扩展条件，对环境温度在-7～0 ℃和30～35 ℃两个区间，或海拔高于700 m的RDE结果需除以扩展系数1.6，因此在RDE开发时限值挑战最大的环境条件是1 ℃和低海拔区域。

关于RDE 及其极限工况的应对方法，当前国内公开的研究主要集中在两方面：（1）对试验实施方法及路径规划方面进行了大量的研究，如CO2平均窗口法、累积平均法等［3-5］和带车载排放测试系统（portable emission measurement system，PEMS）设备的道路试验法、转毂模拟实际道路试验法［6-7］等；（2）对RDE 排放特性方面进行分析研究，如PN、NOx、CO等排放物与不同驾驶激烈程度、不同试验环境条件下的RDE 循环曲线的关系［8-11］。这些基础研究对RDE 试验的实施及排放物的分布与比较提供了指导，但围绕RDE 极限工况下排放物控制与优化方法方面的总结相对较少，使实际工程应用中缺少可借鉴的经验。

为探索排放物控制的有效方法，整车企业在开发RDE 车型项目时，通常在排气侧加装颗粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF）来降低PN，并提高三元催化器中贵金属含量及增加目数以降低NOx等气态排放物，这使得单车硬件成本明显增加，同时需要较长的预研时间来比较不同硬件组合下的排放合规性。ECU（electronic control unit）作为发动机电控单元，可以基于前后氧等传感器的参数值对发动机的基本燃烧及催化器的催化反应条件进行反馈控制，以降低燃烧产生的原始排放物，并提高催化器的转化效率，使整车在不同运行工况及老化里程下的排放水平得到改善。合适的ECU 控制可以充分挖掘排放相关硬件的极限能力，尤其对于RDE 极限工况，一套较优的排放控制方法不仅能降低硬件堆叠的必要性，也有利于实现整个项目开发成本及开发周期的最优化。

本文选用两辆国六 RDE 项目车辆，在底盘测功机上完成国六b 法规Ⅴ型试验——污染控制装置耐久性试验要求的20 万km 等效耐久性试验。然后基于转毂模拟实际道路行驶试验的方法，对来自国内外主流整车及零部件企业的3条转毂RDE循环曲线（包含冷起动阶段）进行比较，使用比较出来最激进的曲线，在转毂上对两辆耐久车进行1 ℃环境温度下的排放试验，并通过调整ECU 控制软件及标定，对试验中排放量偏高的NOx进行优化，总结出一套针对RDE 极限工况的NOx排放控制方法，最后在新鲜排气系统车辆及20 万km 耐久车辆上，使用优化前后的数据进行了多种转毂循环及实际道路行驶排放对比试验，验证了方法的有效性。

1 测试车辆与试验循环信息

1.1 测试车辆信息

本试验选用两个不同车型的项目车辆，但动力总成及排气系统相同，相关信息如表1 和表2 所示。车型A 和B 各有一辆车用于实车耐久老化试验及耐久完成后的排放试验（耐久完成车辆下文简称耐久车辆），同时使用带新鲜排气系统（磨合里程小于3 000 km）的A和B车型车辆（下文简称新鲜车辆）进行排放对比试验。

表1 试验车辆信息

表2 排气系统信息

1.2 试验设备信息

本试验所用设备信息如表3所示。

表3 耐久及排放试验设备信息

1.3 耐久老化信息

在底盘测功机上所使用的耐久老化循环为企业自定义的一种替代耐久性试验循环，该循环最大车速约160 km/h，平均车速约100 km/h，完整循环里程约55 km，运行时长约2 000 s。使用该循环进行的总耐久试验里程为等效20 万km 标准道路循环（standard road cycle，SRC）耐久试验结果的里程数。试验开始前须监控全循环的催化器温度，避免耐久过程中因温度过高而损坏催化器。图1 为较重的车型B 在循环中催化器温度的表现，可见整体控制在900 ℃以下。试验过程中选取特定里程点，对排气系统进行内窥镜检查，催化器储氧量（oxygen storage capacity，OSC）测量，及转毂激进RDE 循环排放。图2 和图3 所示为20 万km 耐久试验结束时车型B的内窥镜检查结果，状态正常。

图1 耐久试验循环中催化器温度表现

图2 车型B 20万km催化器前端面图

图3 车型B 20万km GPF前端面图

1.4 RDE试验循环曲线信息

在进行转毂试验前，对比不同的激进RDE（RDE MAX）循环曲线，通过速度加速度乘积v·apos（m2/s3）评判驾驶激烈程度。表4 列出了来自不同企业3 条曲线的基本参数，曲线1 的循环时间、距离最短，最高车速最高。表5对比了这3条曲线的行程动力学参数，可见曲线1 的市区、郊区、高速3 个阶段95%分位的v·apos值为3者中最高，均超过了相应的法规限值，表明其驾驶激烈程度最高。为探索RDE极限工况下的排放控制方法，选择曲线1 作为本研究使用的RDE MAX试验循环。

表4 不同RDE MAX循环基本参数对比

表5 不同RDE MAX循环行程动力学参数对比

2 测试结果

2.1 OSC测试结果

OSC是催化器涂敷中的储氧成分氧化铈（Ce）由Ce2O3被氧化为CeO2过程中吸收的氧气质量。氧化铈在发动机燃烧偏稀时储氧，燃烧偏浓时释放氧，可以在一定范围内调节催化器中的空燃比窗口，对提高催化器转化效率并改善整车排放至关重要。在整车耐久试验过程中，为监测排气系统的老化程度，每特定里程下对OSC 进行一次测量。图4 所示为每5 万km、发动机负荷50%、催化器温度500 ℃以上时测得的OSC 变化趋势。由图可知，车型A 和B 在耐久过程中OSC 持续下降，下降趋势一致，20 万km 结束时，两车型的OSC都在500 mg左右。

图4 车型A和B耐久过程中OSC变化趋势

2.2 排放试验结果

由于实际驾驶中冷起动阶段NOx等排放物的占比较大［12］，对包含该阶段的RDE 极限工况进行分析研究，可为后续RDE 法规加严情况下的整车项目开发提供指引。基于此，本文所涉及的转毂RDE MAX及实际道路PEMS 试验结果均包含冷起动和冷机运行阶段。图5 和图6 是在0、10、20 万km 时所进行的包含冷起动的1 ℃ RDE MAX排放试验结果。

图5 和图6 显示，随着耐久里程的增长，车型A和车型B 在Urban（市区）及Total（总循环）两个计算阶段的NOx均有所恶化，恶化趋势较为一致，两辆车10-20 万km 期间相比0-10 万km 恶化速度加快；20 万km时，NOx的符合性因子（conformity factor，CF）值，相比0 km 增长超过100%；两图中PN 没有随耐久里程的增长而明显恶化，这说明GPF 的颗粒捕集效果没有随耐久里程的增长而明显下降。下文将基于20 万km 的耐久老化车辆对排放风险更大的NOx展开针对性分析。

图5 车型A耐久过程中1 ℃ RDE MAX排放结果

图6 车型B耐久过程中1 ℃ RDE MAX排放结果

3 耐久老化车辆NOx控制方法研究

3.1 RDE MAX循环NOx偏高问题工况分析

对图5 和图6 中所展示的耐久20 万km 后的1 ℃ RDE MAX 排放结果进行模态分析，见图7，车型A 和B 在全循环内NOx峰值所在的时间点完全相同，主要出现在冷起动后的前100 s 和1 600～1 800 s 之间的超高速阶段。

对整备质量更重的车型B 进行NOx偏高的具体工况分析。图8和图9对比了1 ℃ RDE MAX 试验中不同里程车辆在这两个NOx峰值时段的表现。其中图8 为冷起动急加速阶段的工况分析，在起动后3 s左右即挂挡并急加速，发动机输出转矩快速升至221 N·m。此时发动机水温仍低于3 ℃，催化器中心温度低于200 ℃，催化器仍处在加热过程中，催化转化效率比较低。图中变量名称前缀为［2］所代表的试验2 为耐久车辆NOx结果，［4］代表的试验4 为新鲜车辆NOx结果。可见，耐久车辆的NOx要差于新鲜车辆，几乎为新鲜车辆的两倍以上。

图8 前100 sNOx偏高工况分析

图9 1 600～1 800 s NOx偏高工况分析

图9 为超高速阶段的工况分析，车辆从静止快速加速到145 km/h，发动机输出转矩长时间位于200 N·m以上，最大238 N·m。转速因变速器升降挡而大幅波动，最高转速超过4 000 r/min。对应于转速峰值的是两个发动机排气流量尖峰，试验2 所用的耐久车辆在此时出现两个NOx排放速率较高的区域，最高速率为0.032 6 g/s，但试验3 所用的新鲜车辆在整个超高速阶段NOx排放速率都较低，最高值0.000 12 g/s，仅为耐久车辆的3.7‰。这说明耐久车辆在发动机排气流量过大时，其老化的三元催化器可能存在催化转化能力不足现象。

对于图8 和图9 所反映的耐久车辆在冷起动后急加速、热机超高速两个极端工况下的NOx排放特征，应是催化器在老化至一定程度后出现的共同趋势，可能只是因整车及催化器软硬件设计等方面的不同，显现这一特征所需要的耐久老化里程会有差异。面对市场中车辆使用过程的多样性，为更好地确保不同老化程度在用车RDE抽查时NOx结果的符合性，仅靠催化器硬件性能升级这种固有方式可能有一定的局限性。在ECU 控制方面，可以基于老化程度高的车辆及催化器，通过软件及标定优化来针对性地改善极端工况下的燃烧条件及催化转化条件，可以较大程度上降低NOx排放，达到辅助甚至完全替代硬件升级的目的，同时拥有更高的适应性和灵活性。

3.2 VVT 状态对冷机极端工况NOx 影响的对比分析

图10 基于两次1 ℃ RDE MAX 排放试验对比了车型B 在冷机大负荷阶段，VVT 分别为开启与关闭状态下的NOx排放差异。对比NOx排放的瞬态值（g/s）可以看出，进排气VVT 开启后的NOx排放水平整体低于VVT 关闭时的，同时结合该阶段的NOx积分值对比可见，VVT 开启后其冷起动及起步急加速阶段的NOx总量（图10 中NOx积分值偏低的曲线）相比关闭时下降19%左右。

图10 VVT开启与关闭状态下冷机NOx排放对比

3.3 过量扫气系数对冷机极端工况NOx影响的对比分析

过量扫气系数表示每循环由进气口流入的新鲜充量质量与进气状态下充满气缸工作容积所需新鲜充量质量的比值，在没有扫气时该系数为1，有扫气时大于1，且随着气门重叠角的增大，该系数也会增加［13］。扫气发生时，部分从进气门进入气缸的新鲜空气没有参与燃烧，被直接从排气门排出，使排气含氧量增加［14］。这一方面降低了缸内温度，有利于降低NOx原始排放；另一方面催化器内部出现的瞬时富氧，可能导致催化转化过程中生成较多的NOx排放物。这种双向作用给尾气中的NOx带来了不稳定的影响，表现出时高时低现象。

图11 展示了一个典型的不稳定结果，同一辆耐久车在两次1 ℃ RDE MAX 排放试验的冷机极端工况下，试验2 和试验4 的过量扫气系数都达到1.02以上，且比较接近，但试验2 的NOx峰值排放速率相比试验4 高近一倍。这种不稳定现象在耐久车辆上显得较为明显，在整个Urban 阶段，偏高的NOx排放量相比偏低时高出35%以上，但在新鲜车辆上却几乎相同。通过在耐久车辆上多次重复试验，统计得到该工况下NOx偏高次数占总试验次数的比例约为50%。

图11 过量扫气系数＞1时NOx排放的不稳定结果

为可靠地降低冷机极端工况下的NOx排放，对比验证了两种方法：加浓空燃比λ及减小重叠角。在ECU 控制逻辑中，可以实现当识别到过量扫气系数＞1时，即进行目标空燃比λ加浓，加浓大小通过λ/过量扫气系数进行计算，这样当系数越大，目标空燃比λ就越小，喷油量就越大。减小重叠角可以直接将过量扫气系数降到1。虽然一定大小的扫气率可以达到降低缸内温度从而减少爆震，加快废气涡轮增压器的动态响应速度，增加转矩输出等效果，但针对该冷机运行阶段，发动机缸内温度仍较低，不易产生爆震，反而降低发动机原始排放，使催化器快速起燃才是控制上的主要考虑方向，因此将过量扫气系数降到1的方法是值得验证的。

图12 所示为基于同一辆耐久车使用不同控制策略进行的1 ℃ RDE MAX 循环NOx排放对比试验。试验2、4、6 分别对应过量扫气系数＞1、过量扫气系数＞1 且基于过量扫气系数进行目标λ加浓、过量扫气系数=1。由图可知，整个过量扫气系数＞1 期间，加浓相比不加浓的NOx积分值下降31%；而过量扫气系数=1 相比＞1 且不加浓的情况，NOx积分值下降50%，相比＞1 且加浓的情况，NOx积分值仍下降27%。因此，适量加浓空燃比λ及过量扫气系数降到1对该冷机极端工况下的NOx排放都有明显改善，过量扫气系数降到1的方法NOx优化效果更好。

图12 空燃比、重叠角对过量扫气系数＞1时NOx的影响

3.4 空燃比λ 加浓对冷机极端工况NOx 影响的验证

图13 所示为基于同一辆耐久车，通过两次1 ℃RDE MAX 试验对比了λ=0.96（试验4）与λ=1（试验2）控制下的NOx及CO 排放，从两条NOx排放瞬时曲线看，相差不太明显，但从NOx积分值曲线上看，λ=0.96 相比λ=1时的NOx排放量下降了7%左右，同时CO 的排放量增加了30%。在实际工程项目应用过程中，需要结合整个排放循环的NOx和CO 排放量高低，来权衡是否采取空燃比加浓的控制方法。

图13 空燃比λ对耐久车在冷机极端工况下的排放影响对比

3.5 催化器窗口对热机极端工况NOx影响的分析

老化催化器由于储氧量降低，对空燃比的浓稀变化更为敏感，需要加强对催化器中空燃比的控制，以改善催化转化反应条件，使极端工况下的排放量实现综合最优。有研究表明，催化器老化后排放物变差，一方面是来自于催化器内部活性成分的下降，这部分是不可逆的物理化学变化；而另一方面是因为储氧量降低之后，催化器最佳的催化转化λ窗口发生了微小改变［15］，这种变化可以通过ECU 软件标定进行针对性的调整，使催化器中的实际λ与变化后的窗口进行匹配，从而有效提高老化催化器的转化效率。

图14 对比了老化催化器窗口优化前后的两次1 ℃ RDE MAX 试验结果，图中所示为超高速极端工况下的发动机参数及NOx尾气排放值。试验2 为窗口优化前结果，试验4 为窗口优化后结果。反映催化器中空燃比浓稀状态的后氧传感器电压值，在试验2的持续急加速过程中出现震荡下跌，相应的NOx排放速率及积分值均明显高于试验4，说明试验2的催化器中有逐渐偏稀迹象，这就是因催化器窗口发生改变导致的。在ECU 控制逻辑中，设置针对老化催化器的窗口预设值，即使在排气流量大的工况下，也可以尽量使后氧电压稳定在催化转化效率较高的λ窗口附近。试验4在该极端工况下，后氧电压控制稳定，最终NOx排放速率及积分值都明显降低，在图示光标1 和2 之间的NOx积分值相比试验2 下降45%。

图14 不同后氧电压下热机大负荷NOx排放对比

通过3.2-3.5 节的分析，对耐久车辆在1 ℃RDE MAX 循环中两个极端工况下的NOx排放进行了对比分析，得出有明显优化效果的控制方法。在ECU 数据中集成这些控制方法后，进一步验证多组合下的转毂排放及实际道路行驶排放。

4 验证结果

4.1 耐久车辆RDE MAX循环排放验证结果

在两辆耐久车上使用优化后数据进行1 ℃RDE MAX 排放，与优化前的排放结果进行对比。图15 所示为车型A 的全循环NOx排放速率对比结果，可见优化后NOx瞬态排放量明显下降，在两个极端工况下的NOx瞬态峰值下降近50%。

图15 耐久车型A在1 ℃ RDE MAX循环中的NOx结果

图16 对比了优化前后耐久车辆在-7、1 和23 ℃3 种环境温度RDE MAX 循环中NOx排放的CF 值。可以看出，优化后1 ℃排放中的NOx在Urban 和Total两个阶段下降超40%，23 ℃排放的Urban 及Total 阶段NOx在优化后分别下降20%和10%，-7 ℃排放中两个阶段的NOx在优化前后几乎无变化。这说明，基于1 ℃ RDE MAX 循环进行的软件标定优化，使1 ℃排放改善最大，23 ℃也有明显降低，但对-7 ℃没有影响，这可能与-7 ℃温度过低没有开启VVT、原始排放更多且温度低导致催化器起燃时间长等因素有关，而23 ℃因VVT 原本已正常工作，也没有采取1 ℃ 类似的空燃比λ加浓措施，因此优化效果不如1 ℃明显。

图16 耐久车辆在不同温度RDE MAX循环中的NOx结果

4.2 耐久及新鲜车辆的多种排放循环验证结果

图17 展示了数据优化前后耐久车辆的国六Ⅰ型常温排放对比结果。可见4 种主要气态排放物在优化后都有一定程度的下降，其中优化前排放量偏高的CO 排放物下降最明显，优化后的4 种气态排放物整体排放水平接近，与上文讲述的老化催化器窗口匹配理论相符，即合适的窗口控制可以使催化器处在对几种排放物而言都相对较佳的转化效率区间。由于Ⅰ型试验相比RDE MAX 循环的激进程度低，因此优化前后的NOx排放下降不明显。

图17 耐久车辆国六Ⅰ型常温排放对比验证结果

图18 展示了优化前后耐久车辆的国六Ⅵ型低温排放验证结果。图19 展示了优化前后新鲜车辆在不同温度RDE MAX 循环中的NOx结果。图20 和图21 分别展示了优化前后新鲜车辆的Ⅰ型及Ⅵ型排放对比结果。从这几张图可以看出，使用优化前数据进行的新鲜车辆排放整体已较好，基于耐久车辆优化的数据不仅使耐久车辆排放下降到一个均衡水平，也使新鲜车辆排放有不同程度的改善。

图18 耐久车辆国六Ⅵ型低温排放验证结果

图19 新鲜车辆在不同温度RDE MAX循环中的NOx结果

图20 新鲜车辆国六Ⅰ型常温排放验证结果

图21 新鲜车辆国六Ⅵ型低温排放验证结果

4.3 耐久及新鲜车辆的实际道路行驶排放验证结果

图22 汇总了耐久及新鲜车辆，使用优化前后数据完成的0 海拔常温环境下实际道路行驶PEMS 测试结果。可见优化后新鲜及耐久车辆NOx排放物在Urban 及Total 两个阶段CF 值均较低，数据优化对新鲜车辆的Total 阶段NOx改善明显，也使耐久车辆两个阶段的NOx都稳定在较好的水平。

图22 不同状态车辆实际道路行驶PEMS测试结果

5 结论

本文通过使用对排放考验较为苛刻的20 万km耐久老化车辆、1 ℃环境下包含冷起动的转毂RDE MAX 循环进行排放试验，对试验中冷起动后急加速及热机起步急加速至超高速两个极端工况下排放偏高的NOx进行对比分析，并采用优化发动机ECU 控制策略的方法，使得耐久车在1 ℃ RDE MAX 循环NOx下降超过40%，同时验证了其他类型排放，均有不同程度的改善，说明该优化方法的有效性。基于本文的研究，可以得到如下结论。

（1）整车经20 万km 的转毂耐久试验老化后，催化器的储氧量下降约40%，GPF 的颗粒捕集效率反而略微上升，NOx排放物明显恶化，其中10万-20万km期间NOx恶化速度快于0-10 万km 期间，20 万km 时的NOx值较0 km时增长超过100%。

（2）耐久老化车辆在进行包含冷起动的RDE MAX 排放试验时，NOx排放量最高的区间位于催化器未完全起燃时的冷起动后急加速阶段，及排气流量过大的热机超高速阶段。合理控制VVT、过量扫气系数等，可以明显改善催化器未完全起燃状态下的NOx排放量；恰当应用老化催化器窗口，可以降低排气流量过大时的NOx排放，同时还能将其他气态排放物控制在相对均衡的水平。

（3）使用带老化排气系统的车辆，先基于转毂RDE MAX 循环进行排放控制相关的控制策略开发及优化，再进行实际道路行驶排放验证，是一种有效且能充分挖掘软件潜力的RDE开发方法。

鉴于国六第2 阶段及后续国七阶段的排放法规，对实际道路行驶排放的要求将渐趋严苛，本文所述包含冷起动阶段的RDE 开发方法，及NOx排放控制方法，可为行业内纯汽油发动机及混合动力RDE开发项目、催化器降本项目等提供参考。