彭凱，林喬，周乃君

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

基于新鮮催化器的微型車排放標(biāo)定的研究

彭凱，林喬，周乃君

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410083)

為了滿足常規(guī)新鮮催化器排放目標(biāo)，針對一款微型車，通過循環(huán)試驗(yàn)得到了各種工況下的基本排放特性;然后基于控制策略，合理簡化了排放控制參數(shù)，并通過多次優(yōu)化匹配排放控制參數(shù)控制噴油量、空燃比來優(yōu)化污染物排放。結(jié)果表明:所采用的排放匹配步驟和參數(shù)可有效指導(dǎo)排放標(biāo)定。

排放標(biāo)定;噴油控制;新鮮催化器

為了減少汽車廢氣的污染排放，國家排放法規(guī)越來越嚴(yán)格。北京地區(qū)已開始執(zhí)行“京五”排放法規(guī)。本文針對一款微型車，通過優(yōu)化匹配新鮮催化器排放控制參數(shù)和過程，并依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3—2005)進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)來達(dá)到新鮮催化器排放目標(biāo)限值(國Ⅳ排放限值的58%)［1］。

1 試驗(yàn)車輛和新鮮催化器

試驗(yàn)運(yùn)行車輛為新車型，是額定功率為45 kW的1.0 L微型車。發(fā)動機(jī)為水冷直列4缸2氣門，機(jī)械式拉索控制節(jié)氣閥體，配備青山5MT變速器，試驗(yàn)車輛主要參數(shù)詳見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)采用新鮮催化器，磨合里程為3 000 km。催化器主要參數(shù)見表2。

表2 催化器技術(shù)參數(shù)

2 循環(huán)排放摸底

依據(jù)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3—2005)進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)。依據(jù)基準(zhǔn)質(zhì)量確定測功機(jī)制動裝置吸收負(fù)荷，并測出給定工況條件下的整車排放情況。對比情況如表3所示。由表3可知:試驗(yàn)車在循環(huán)中，HC排放超標(biāo)，NOx排放較低。

表3 放結(jié)果對比(g·km－1)

進(jìn)一步分析排放設(shè)備每1 s采集的數(shù)據(jù)，如圖1所示。由圖1可知:NOx排放物主要是在第1階段(市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán))，所占比率為85%;而HC、CO排放物在第1階段與第2階段(市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán))基本相當(dāng)，前100 s為主要排放階段，當(dāng)進(jìn)入市郊區(qū)循環(huán)的100～120 km/h時，噴油加濃導(dǎo)致HC和CO瞬間排放量劇增。

圖1 摸底排放測試數(shù)據(jù)

3 排放控制參數(shù)的匹配與優(yōu)化

汽車的排放性能涉及到電噴系統(tǒng)多個功能模塊的匹配，如起動、催化器加熱、過渡工況、前氧閉環(huán)控制、后氧閉環(huán)控制、斷油、清氧等［2］，是系統(tǒng)綜合匹配水平的體現(xiàn)。由初次循環(huán)排放摸底，主要體現(xiàn)為:

1)前100 s為主要排放，NOx、HC、CO分別占總排放的63%、76%、65%。

2)起動時需增加燃油量，混合氣偏濃，lambda (過量空氣系數(shù)，lambda=1時為理論空燃比)小于1，導(dǎo)致HC和CO瞬間排放量劇增。由發(fā)動機(jī)的物理特性可知:機(jī)械式拉索節(jié)氣門閥開啟時(油門踩下)，進(jìn)氣量受駕駛員控制，點(diǎn)火角根據(jù)油門開度對應(yīng)的相對充氣、轉(zhuǎn)速查表值控制，因此優(yōu)化的數(shù)據(jù)主要為噴油時間［2－3］。

3.1 噴油邏輯

根據(jù)摸底排放數(shù)據(jù)，主要問題是起動階段噴油過濃。基于控制策略［2－3］，可簡化噴油時間控制邏輯［4－5］(起動階段燃油自學(xué)習(xí)因子、過渡工況中碳罐燃油蒸氣補(bǔ)償功能關(guān)閉)，計(jì)算公式如下:

式(1)～(3)中:rk為相對燃油量;fst為起動燃油修正系數(shù);fns為起動后燃油修正系數(shù);fwl為起動暖機(jī)燃油修正系數(shù);rlp為相對充氣量;lamsbg為需求的lambda值(不同的工況對應(yīng)不同的需求值);frkte為基于相對燃油量轉(zhuǎn)化為噴油時間的系數(shù);Krkte為基于噴油嘴靜態(tài)流量轉(zhuǎn)化為噴油時間的系數(shù);Fdp為基于回油的補(bǔ)償系數(shù);ti為噴油時間。

通過發(fā)動機(jī)物理特性決定的起動、起動后及暖機(jī)過程中噴油量的變化規(guī)律的測試數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證簡化公式的準(zhǔn)確性。如圖2所示，INCA標(biāo)定軟件測試數(shù)據(jù)ti與修正系數(shù)成比例，簡化公式符合發(fā)動機(jī)的物理特性規(guī)律。

圖2 INCA標(biāo)定軟件采集的起動噴油時間數(shù)據(jù)

3.2 優(yōu)化步驟

根據(jù)摸底排放以及噴油時間的計(jì)算式(3)，起動階段為開環(huán)控制，此時lamsbg為1。起動階段，主要通過調(diào)整fst來調(diào)節(jié)噴油時間，增大fst，噴油量增加，可確保起動的可靠性;起動后，通過調(diào)整fns來調(diào)節(jié)噴油時間。由圖1可知:起動后，噴油衰減不平滑，此時需要重點(diǎn)調(diào)整fns。在全郊區(qū)循環(huán)工況下，通過調(diào)整lamsbg值來調(diào)整加濃保護(hù)的基本空燃比。根據(jù)此調(diào)整原則，依次優(yōu)化:①起動及暖機(jī)排放物控制;②催化器的最佳lambda窗口控制;③過渡工況控制。當(dāng)數(shù)據(jù)接近工程目標(biāo)限值時進(jìn)行精調(diào)。每調(diào)整一次后進(jìn)行循環(huán)測試，再對依循環(huán)測試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，直到達(dá)到新鮮催化器排放的工程目標(biāo)限值。相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 排放結(jié)果測試數(shù)據(jù)(g·km－1)

對應(yīng)的秒采數(shù)據(jù)如圖3～5所示。在調(diào)整高車速區(qū)域混合氣加濃數(shù)據(jù)后，對比圖1、3可知:HC排放值在高速區(qū)明顯改善。優(yōu)化過渡工況后，由表4和圖4可知:NOx排放值總體下降，加、減速工況排放值控制在合理范圍。多次調(diào)整起動噴油因子后，由圖5可知:起動CO排放值得到了較好的控制。最終各污染物排放達(dá)到了新鮮催化器的目標(biāo)限值(排放限值的58%)。

圖3 優(yōu)化的TCH秒采數(shù)據(jù)

3.3 起動階段的lambda測試

平衡排放后的起動工況，控制的目標(biāo)是盡量減少發(fā)動機(jī)的原始排放［6］。在保證起動安全的前提下，調(diào)整起動和起動后的空燃比，使lambda在起動后能夠盡快達(dá)到1。轉(zhuǎn)速上沖的大小不宜超過穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速(300～500 r/min)，在保證起動安全的前提下可以沒有轉(zhuǎn)速上沖［2，6－7］。測試結(jié)果如圖6所示:起動過程中空燃比在10～30 s內(nèi)上升到0.9以上，在整個起動及暖機(jī)過程中l(wèi)ambda控制在0.98～1.05之間，較好地滿足了評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 優(yōu)化的NOx秒采數(shù)據(jù)

圖5 優(yōu)化后的CO秒采數(shù)據(jù)

圖6 INCA標(biāo)定軟件采集的起動過程lambda數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過排放測試的摸底分析，確定了需調(diào)整的工況段及相應(yīng)的控制參數(shù)，并根據(jù)控制策略匹配和優(yōu)化了排放控制參數(shù)。實(shí)測結(jié)果表明:在起動和循環(huán)工況下，較好地滿足了排放目標(biāo)限值的要求。

［1］國家環(huán)境保護(hù)總局，國家監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法［S］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

［2］Robert Bosch.Bosch Technical Instruction Gasoline Engine Management Basics and Components［M］.Germany: GRobert Bosch GmbH，2001.

［3］Robert Bosch.Bosch Motronic Function K3－Basic Training［M］.Germany:Robert Bosch GmbH，2001.

［4］趙弘志.汽油機(jī)動力總成系統(tǒng)匹配標(biāo)定及優(yōu)化研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2001.

［5］王巍.基于ME7系統(tǒng)的汽油機(jī)冷起動性能研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2011.

［6］錢人一.汽車發(fā)動機(jī)電子控制［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2004.

［7］吳森.Robert Bosch GmbH.Gasoline－engine management［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Calibration of the Exhaust Gas Em issions Based on Catalytic Converter in Light Duty Vehicle

PENG Kai，LIN Qiao，ZHOU Nai－jun
(School of Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

In order to fulfill the engineering required emissions of fresh catalyst，in view of a light vehicle，firstly the emissions are tested in all operation conditions by vehicle driving cycle.Based on control function，then it controls the amount of fuel injected by optimizing and matching the data of emissions control function，limiting the emissions.The results show the stages of emissions and ways of match have improved the emission problem.

emissions calibration;fuel control;catalytic converter

U463

A

1674－8425(2014)09－0011－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.003

2014－03－28

湖南省科研條件建設(shè)專項(xiàng)(2012TT2043)

彭凱，男，工程師，主要從事發(fā)動機(jī)技術(shù)研究;通訊作者周乃君(1963—)，男，教授，主要從事發(fā)動機(jī)技術(shù)研究。

彭凱，林喬，周乃君.基于新鮮催化器的微型車排放標(biāo)定的研究［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (9):11－14.

format:PENG Kai，LIN Qiao，ZHOU Nai－jun.Calibration of the Exhaust Gas Emissions Based on Catalytic Converter in Light Duty Vehicle［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9): 11－14.