彭凱，林喬，周乃君

(中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

基于新鮮催化器的微型車(chē)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(zhǎng)沙 410083)

為了滿(mǎn)足常規(guī)新鮮催化器排放目標(biāo)，針對(duì)一款微型車(chē)，通過(guò)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(jiǎn)化了排放控制參數(shù)，并通過(guò)多次優(yōu)化匹配排放控制參數(shù)控制噴油量、空燃比來(lái)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(chē)廢氣的污染排放，國(guó)家排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格。北京地區(qū)已開(kāi)始執(zhí)行“京五”排放法規(guī)。本文針對(duì)一款微型車(chē)，通過(guò)優(yōu)化匹配新鮮催化器排放控制參數(shù)和過(guò)程，并依據(jù)《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3—2005)進(jìn)行Ⅰ型試驗(yàn)來(lái)達(dá)到新鮮催化器排放目標(biāo)限值(國(guó)Ⅳ排放限值的58%)［1］。

1 試驗(yàn)車(chē)輛和新鮮催化器

試驗(yàn)運(yùn)行車(chē)輛為新車(chē)型，是額定功率為45 kW的1.0 L微型車(chē)。發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷直列4缸2氣門(mén)，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(chē)輛主要參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)車(chē)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(jiàn)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(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)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(cè)功機(jī)制動(dòng)裝置吸收負(fù)荷，并測(cè)出給定工況條件下的整車(chē)排放情況。對(duì)比情況如表3所示。由表3可知:試驗(yàn)車(chē)在循環(huán)中，HC排放超標(biāo)，NOx排放較低。

表3 放結(jié)果對(duì)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(shí)，噴油加濃導(dǎo)致HC和CO瞬間排放量劇增。

圖1 摸底排放測(cè)試數(shù)據(jù)

3 排放控制參數(shù)的匹配與優(yōu)化

汽車(chē)的排放性能涉及到電噴系統(tǒng)多個(gè)功能模塊的匹配，如起動(dòng)、催化器加熱、過(guò)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(dòng)時(shí)需增加燃油量，混合氣偏濃，lambda (過(guò)量空氣系數(shù)，lambda=1時(shí)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(dòng)機(jī)的物理特性可知:機(jī)械式拉索節(jié)氣門(mén)閥開(kāi)啟時(shí)(油門(mén)踩下)，進(jìn)氣量受駕駛員控制，點(diǎn)火角根據(jù)油門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)的相對(duì)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(shí)間［2－3］。

3.1 噴油邏輯

根據(jù)摸底排放數(shù)據(jù)，主要問(wèn)題是起動(dòng)階段噴油過(guò)濃?；诳刂撇呗裕?－3］，可簡(jiǎn)化噴油時(shí)間控制邏輯［4－5］(起動(dòng)階段燃油自學(xué)習(xí)因子、過(guò)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(duì)燃油量;fst為起動(dòng)燃油修正系數(shù);fns為起動(dòng)后燃油修正系數(shù);fwl為起動(dòng)暖機(jī)燃油修正系數(shù);rlp為相對(duì)充氣量;lamsbg為需求的lambda值(不同的工況對(duì)應(yīng)不同的需求值);frkte為基于相對(duì)燃油量轉(zhuǎn)化為噴油時(shí)間的系數(shù);Krkte為基于噴油嘴靜態(tài)流量轉(zhuǎn)化為噴油時(shí)間的系數(shù);Fdp為基于回油的補(bǔ)償系數(shù);ti為噴油時(shí)間。

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

圖2 INCA標(biāo)定軟件采集的起動(dòng)噴油時(shí)間數(shù)據(jù)

3.2 優(yōu)化步驟

根據(jù)摸底排放以及噴油時(shí)間的計(jì)算式(3)，起動(dòng)階段為開(kāi)環(huán)控制，此時(shí)lamsbg為1。起動(dòng)階段，主要通過(guò)調(diào)整fst來(lái)調(diào)節(jié)噴油時(shí)間，增大fst，噴油量增加，可確保起動(dòng)的可靠性;起動(dòng)后，通過(guò)調(diào)整fns來(lái)調(diào)節(jié)噴油時(shí)間。由圖1可知:起動(dòng)后，噴油衰減不平滑，此時(shí)需要重點(diǎn)調(diào)整fns。在全郊區(qū)循環(huán)工況下，通過(guò)調(diào)整lamsbg值來(lái)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(dòng)及暖機(jī)排放物控制;②催化器的最佳lambda窗口控制;③過(guò)渡工況控制。當(dāng)數(shù)據(jù)接近工程目標(biāo)限值時(shí)進(jìn)行精調(diào)。每調(diào)整一次后進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，再對(duì)依循環(huán)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 排放結(jié)果測(cè)試數(shù)據(jù)(g·km－1)

對(duì)應(yīng)的秒采數(shù)據(jù)如圖3～5所示。在調(diào)整高車(chē)速區(qū)域混合氣加濃數(shù)據(jù)后，對(duì)比圖1、3可知:HC排放值在高速區(qū)明顯改善。優(yōu)化過(guò)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(dòng)噴油因子后，由圖5可知:起動(dòng)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(dòng)階段的lambda測(cè)試

平衡排放后的起動(dòng)工況，控制的目標(biāo)是盡量減少發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放［6］。在保證起動(dòng)安全的前提下，調(diào)整起動(dòng)和起動(dòng)后的空燃比，使lambda在起動(dòng)后能夠盡快達(dá)到1。轉(zhuǎn)速上沖的大小不宜超過(guò)穩(wěn)態(tài)怠速轉(zhuǎn)速(300～500 r/min)，在保證起動(dòng)安全的前提下可以沒(méi)有轉(zhuǎn)速上沖［2，6－7］。測(cè)試結(jié)果如圖6所示:起動(dòng)過(guò)程中空燃比在10～30 s內(nèi)上升到0.9以上，在整個(gè)起動(dòng)及暖機(jī)過(guò)程中l(wèi)ambda控制在0.98～1.05之間，較好地滿(mǎn)足了評(píng)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(dòng)過(guò)程lambda數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)排放測(cè)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(cè)結(jié)果表明:在起動(dòng)和循環(huán)工況下，較好地滿(mǎn)足了排放目標(biāo)限值的要求。

［1］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，國(guó)家監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB18352.3—2005輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法［S］.北京:中國(guó)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(dòng)力總成系統(tǒng)匹配標(biāo)定及優(yōu)化研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2001.

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

［6］錢(qián)人一.汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(zhuān)項(xiàng)(2012TT2043)

彭凱，男，工程師，主要從事發(fā)動(dòng)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(dòng)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(chē)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.