整车怠速启停功能对排放影响研究及优化

收稿日期：2023-12-15

作者简介

杨雨晨（1991—），男，工程师，主要从事整车EMS/HCU标定工作。

【摘 要】为了探究怠速启停功能对排放的影响，文章依托国Ⅵ某燃油车进行开关怠速启停WLTC排放对比试验，通过对排放污染物测试结果分析，发现单纯开关怠速启停功能，NOx排放结果会有约18%恶化。根据排放秒采数据精准识别NOx排放污染物差异点，针对差异点进行控制发动机加浓自动起机后空燃比以及清氧模块空燃比，并推迟该工况点火角，改变发动机燃烧情况，降低NOx排放物生成。该优化方案为后续整车怠速启停功能开启后排放提供优化方向。

【关键词】怠速启停；减排；环保；排放；加浓；空燃比

中图分类号：U463.7 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0057-04

Study and Optimization of Vehicle Idling Start-stop Function on Emission

YANG Yuchen，WEI Shouqi，LIN Wanguo，ZHANG Pengfei，DU Lidong，ZHAO Zhongnan

（FAW CAR Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】In order to explore the impact of idle start-stop function on emissions，this paper relies on a CN6 fuel vehicle to conduct a WLTC emission comparison test. Through the analysis of emission pollutant test results，it is found that about 18% of NOx emission results will be worsened if idle start-stop function is only used. The difference points of NOx emission pollutants are accurately identified according to the emission second data，and the air-fuel ratio after engine enrichment automatic starting and air-fuel ratio of oxygen purging module are controlled according to the difference points，and the ignition Angle undeOy0MKhDt0Zlu5FbuVJgvaw==r this working condition is delayed，the engine combustion condition is changed，and the generation of NOx emissions is reduced. The optimization scheme provides the optimization direction for the emission after the subsequent vehicle idle start-stop function is turned on.

【Key words】idle start-stop；reduce emissions；environmental protection；emission；enrich；air-fuel ratio

1 前言

随着全球气候变化的加剧和环境问题的日益突出，减少汽车尾气排放已成为各国政府和汽车制造商亟需解决的重要问题。为了应对气候变化和环境污染等问题，许多国家和地区纷纷提出了汽车碳中和的要求[1]。中国也颁布了更加严苛的排放[2]以及能耗法规[3]，来应对能源消耗以及环境污染等问题。更加先进节能减排的整车和发动机技术被应用到最新开发的车型上，其中怠速启停功能作为最常用、最成熟的一种技术应用到大多数汽车上。

怠速启停技术诞生于日本，受日本能源短缺的影响，日本对于车辆油耗有着严格的标准，为了降低行驶油耗，日本车企研发出了怠速启停技术。日本丰田公司于20世纪70年代研制出世界上第1套怠速启停系统并应用于其生产的皇冠轿车上，该套怠速启停技术能够在车辆静止1.5s后自动关闭发动机。经过日本国土交通10～15循环测试验证，该套怠速启停技术可以节约整车油耗10%左右[4]。

在中国，怠速启停技术也应用广泛。在中国城市道路驾驶工况中，汽车怠速工况的情况可高达20%以上，而汽车怠速的过程中，汽车尾气的排放总量不断增加，缸内的燃料燃烧并没有带动汽车前进，造成了能源的消耗与环境的污染。燃料能源的过度消耗不仅会对空气造成污染，还会对能源利用率造成较大的影响。而汽车怠速启停系统的全面发展对于环境问题至关重要，它可以有效解决环境污染等问题，真正意义上实现节能减排的目的[5]。怠速启停系统是在整车短时间停止时控制发动机停止，并在驾驶员操作或者系统有需求时再次起动的智能控制系统。当遇到红绿灯或者堵车时，发动机怠速启停系统能够让发动机熄火；当驾驶员踩下离合器、油门踏板或松开制动的瞬间，发动机起动，可有效降低车辆的燃油消耗和排放[6-8]。

2 怠速启停条件介绍

以国内某车企的国Ⅵ汽车为例，介绍一般情况下怠速启停功能开启关闭以及发动机启停机策略。该车型为某款自主Sedan类型燃油车，整车质量为1485kg，配置1.5L涡轮增压发动机，其最大扭矩为250N·m，最大功率为115kW，搭载湿式7速双离合变速器，拥有控制怠速启停功能按键开关。下文从启停功能开启关闭状态、自动停机控制以及自动起机控制3个方面介绍该车型怠速启停功能控制条件与触发条件。

2.1 启停功能的开启/关闭状态

怠速启停功能在每一个驾驶循环默认强制开启，即驾驶员按下点火开关或者钥匙置于IG ON状态下，怠速启停功能都将开启。驾驶员可以通过手动控制怠速启停按键，来控制怠速启停功能在此驾驶循环下是否工作。该车型按键在主驾驶位左侧，有个A形图标，如果驾驶员按下一次开关就触发一次开启/关闭的状态切换。下一次熄火后，怠速启停功能仍然开启，如果不需要开启该功能，需要手动再次关闭。

2.2 自动停机控制

通过启停系统控制自动停止发动机的条件见表1。

满足以上所有条件后，当驾驶员挡位处于舒适模式或者运动模式行驶，踩下制动踏板或制动液压力≥10bar（可标定），直到车辆静止，无论是什么模式，要求接收到TCU的停机请求后，发动机停机。车辆停机再次激活条件，如果车辆在第1次停机后再次进入下次停机状态时，车辆必须行驶距离大于5km/h（可标定），避免拥堵路面频繁停机。

如果在停机状态下驾驶员存在以下条件，系统则认为出现误操作现象，会产生相应结果。

1）驾驶员打开安全带并同时打开驾驶员车门，则启停系统关闭，需要钥匙点火或按下一键式起动开关才能再次起动，同时发送信号给仪表显示手动重启车辆。

2）任意安全条件不满足，若启停功能被触发，则启停系统关闭，需要钥匙点火或按下一键式起动开关才能再次起动，同时发送信号给仪表显示手动重启车辆。

3）在安全带或驾驶员车门其中一个打开时，若启停功能未被触发，安全带或驾驶员车门恢复，则启停系统恢复正常。

2.3 自动起机控制

通过启停系统控制自动启动发动机的条件见表2。

满足以上任意条件后，当挡位处于P/N挡时，检测到制动踏板从未踩下到踩下，则立即起机。除舒适模式和运动模式位切换不起动发动机，其他挡位模式切换会导致发动机启动。

2.4 首次下线操作

当车辆首次下线后，短时间内无法满足自动停机/自动起动条件，所以增加怠速启停下线模式功能，以满足下线动态检测要求。启停系统下线检测操作步骤如下。

1）同时踩下油门踏板、制动踏板，按住面板上的怠速启停开关，8～10s（可标定）。

2）松开油门踏板、制动踏板、面板上的怠速启停开关。

3）再执行步骤1）、2）两次，即下线检测成功。

3 怠速启停功能对排放影响

3.1 试验方案与结果

国Ⅵ排放法规除了采用更为严格的排放限值外，还更换了驾驶循环，采用WLTC循环（全球统一轻型车辆测试循环）。WLTC循环相较于国V的NEDC循环动态工况更多，怠速工况更少，发动机控制难度更大。具体对比数据见表3。

对同一台车辆在专业的排放试验转毂上进行排放测试，分别单独开关怠速启停功能，通过CVS排放分析仪对排放循环产生的污染物进行采集与处理。试验测试完成后对国Ⅵ新鲜排放WLTC测试循环排放结果进行分析，得到了排放污染物结果，如图1所示，其中黄色是关闭怠速启停功能排放结果（左），黑色是开启怠速启停功能排放结果（右），具体排放量见表4。

根据排放对比数据可以发现，在WLTC排放循环中，单纯开关启停功能对除NOx以外的其他气态污染物基本没有差别，排放量误差在4.5%以下，但是对NOx排放影响较大，开启怠速启停功能会恶化约18%。但是大多数人认为怠速启停功能可以有效降低油耗和排放，与本次测试结果有所出入，因此需对排放过程的污染物秒采结果进行分析，寻找NOx排放增加的具体原因。

3.2 原因分析

NOx主要指NO和NO2，其次是N2O3、N2O、N2O4和N2O5。在正常情况下，空气中的氮和氧是以分子形式存在的，它们之间的化学键非常稳定，难以发生反应，但是在高温和高压的条件下，这些分子会被分解成原子，然后重新组合成不同的化合物。发动机燃料在燃烧过程中，主要会生成大量的氧化亚氮（NO），长期停留在大气c18a303154e9d3a2b4408ba33ed78aefaee75cfd4ffd3c7ff77c71e4eadd26da环境下最终转化成二氧化氮（NO2）。根据NOx生成机制可以看出，当催化器中的氧含量过高或者燃烧温度过高都会产生更多的NOx。

根据上述生成机理以及对排放过程中采集的EMS内部参数和CVS排放分析仪气态排放物秒采数据进行分析，测试数据结果如图2和图3所示，其中黑色曲线为车速信号，红色曲线为NOx排放结果，下文中后续排放秒采结果均为此处描述所示。根据测试结果分析，可以将WLTC循环排放物生成分为两部分，第1部分为起动部分（催化器温度低），第2部分为正常转化部分（催化器温度高）。

在发动机首次起动后一段时间内NOx排放会有异常升高，该现象无论怠速启停功能是否开启都存在此现象。这是因为发动机刚启动，三元催化器温度未达到转化高效温度，污染物转化效率没有完全释放出来，NOx排放都会大量生成。该阶段一般通过控制发动机电喷参数，比如略微减稀空燃比，推迟点火提前角，进而使燃烧温度升高，燃烧靠近催化器方向，使催化器温度快速升高，进而实现三元转化效率提升，减少污染物排放。

针对第2阶段，我们发现了NOx排放的不同。当怠速启停功能开启后，在第2阶段过程中，在开启启停功能的排放在停机后起机时会出现NOx增加的现象，而未开启启停工况在怠速的时候没有NOx异常增加的情况，其余阶段NOx排放结果基本相当，初步判断NOx恶化是该阶段产生的，产生NOx排放差异的位置就是发动机在怠速工况后急加速工况。

一般情况下，在驾驶员松油门断油后，催化器内会存储大量的氧气，等恢复供油后，催化器内的混合气成分偏稀，导致NOx排放物增加。所以现在EMS系统在断油后引入了清氧功能，使用较浓的混合气将催化器中的过剩氧气消耗掉。如果清氧力度不够，会导致催化器内残存氧气过多，后氧电压较低，NOx排放较高；反之如果清氧过度，空燃比偏浓，CO、HC及油耗就会相应增加。产生差异的工况恰好是需要清氧的工况，当启停功能开启后，停机阶段进入催化器的氧气要大于怠速燃烧时的氧气，导致起机后清氧不足，产生NOx排放峰值。

3.3 优化方案

根据以上原因以及NOx生成机理分析，可以从增强催化器清氧能力、空燃比、点火角等方面进行怠速启停功能开启后的排放优化。最终通过不断测试，制定出详细的优化方案，优化前后EMS参数对比结果见表5。

特别说明一下，由于起动空燃比调整以后，也会对清氧功能空燃比有所影响，因此需要对优化过程的每次排放结果进行详细分析，根据最终输出空燃比进行EMS标定数据调整。适当加浓怠速启停功能停机后自动起动空燃比，使怠速启停功能开启后自动停机阶段后的催化器中氧含量快速消耗，减少氮原子与氧原子结合的可能，同时多喷油以及点火角推迟，都会导致发动机燃烧没有之前充分，发动机燃烧温度比优化前有所降低，这两方面都可以有效降低NOx排放。当然在进行EMS参数优化的时候，不可以一味降低NOx排放，还需要平衡起动阶段的其他排放物含量，才可以最终确定优化方案。

3.4 方案验证结果

通过对EMS系统数据优化，使用相同车辆再次进行WLTC国Ⅵ排放循环测试，测试结果如图4以及表6所示，其中浅色是关闭怠速启停功能排放结果（左），深色是开启怠速启停功能排放结果（右）。NOx排放结果明显下降，从优化前的20.3mg/km下降到12.3mg/km，下降幅度约40%。CO与THC也有少量增长，PN排放从1.5×1011个/km增长到2.2×1011个/km，这是因为加浓空燃比以及推迟点火角后，燃烧不充分，因此CO与THC也会稍微恶化。

在之前出现NOx异常升高的工况下，也未出现异常现象，其他工况排放污染物也有所优化，结果如图5所示，优化方案组合对排放污染物减少有明显效果。同时由于加浓空燃比，增加喷油量，理论上会对整车油耗有影响。但是根据多次实车测试结果发现，调整的空燃比对油耗几乎无影响，有以下两个方面原因：一是因为调整的工况范围很小，并且在整个排放油耗循环中出现的占比不多，导致即使有更多的燃油使用，也对整个WLTC循环油耗影响不大，在结果上反映不出来；二是空燃比调整较小，即使空燃比加浓约3.5%，并且怠速工况发动机的进气量也很小，约为8～10kg/h，因此增加的燃油量也很小，相对于整个WLTC循环的油耗影响不大。后续整车生产一致性排放油耗试验验证此优化方案可以有效改善怠速启停带来的排放恶化，并且对怠速启停节油效果没有影响，满足整车开发工程目标。

4 结论

本文为了探究怠速启停功能对排放的影响，依托国内某国Ⅵ燃油车Sedan车型进行怠速启停WLTC排放对比试验。通过对怠速启停功能排放污染物结果进行分析，发现单纯开关怠速启停功能，对NOx排放结果会有约18%恶化。根据排放秒采数据精准识别NOx排放污染物异常增加的差异点，针对差异点进行EMS起动空燃比、清氧模块以及点火角标定数据优化，加浓自动起机后空燃比以及清氧模块空燃比，并推迟该工况点火角，改变发动机燃烧情况，快速消耗怠速启停停机时进入催化器中的氧含量，降低燃烧温度，进而达到降低NOx排放物生成的目的。此优化方案可以有效改善怠速启停带来的排放恶化并且对怠速启停节油效果没有影响，满足整车开发工程目标。加浓空燃比、优化清氧功能以及点火角优化等方案将应用到后续车型当中。

参考文献：

[1] 张松颖，高翠，龚宇鹏，等.“碳中和”背景下新能源汽车发展现状及策略研究[J]. 时代汽车，2023（21）：89-91.

[2] GB 18352—2016，轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[3] GB 19578—2021，乘用车燃料消耗量限值[S].

[4] 杨世安. 发动机怠速启停系统控制策略研究[D]. 西安：长安大学，2018.

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[6] 胡志远，付佳铭，韩维维，等. 怠速启停对汽油车油耗及颗粒数量排放的影响[J]. 中国环境科学，2020，40（3）：1016-1022.

[7] 周武郁，徐聪，陈磊． 奔腾某车型发动机怠速启停系统典型故障诊断与排除［J］. 汽车实用技术，2020（3）：210-212.

[8] 李昊. 怠速工况预测方法研究[D]. 长春：长春大学，2022.

（编辑 凌 波）