胡俊 黃偉 孫倫業(yè) 郭文松 劉文彬

摘要：搭載AT（自動(dòng)變速器）的車輛具有操作簡(jiǎn)單、駕駛輕便、易于實(shí)現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點(diǎn)；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。分析了搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT（自動(dòng)變速器）整車的特點(diǎn)，識(shí)別了國(guó)五排放和國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的不同，基于BOSCH ME7發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)排放控制策略，提出了一種應(yīng)對(duì)國(guó)五排放的標(biāo)定試驗(yàn)方法。該方法通過(guò)采用緊耦合催化器、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比、點(diǎn)火提前角、催化器加熱的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、三元催化器轉(zhuǎn)化效率精細(xì)標(biāo)定的優(yōu)化，使某型搭載渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速箱車輛達(dá)滿足國(guó)五排放法規(guī)新鮮排放限值的70%的要求。

關(guān)鍵詞：AT；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)；國(guó)五排放；試驗(yàn)

搭載AT（自動(dòng)變速器）的車輛具有操作簡(jiǎn)單、駕駛輕便、易于實(shí)現(xiàn)巡航功能等優(yōu)點(diǎn)；增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在不增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量前提下，能夠較大的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此同時(shí)搭載自動(dòng)變速箱和渦輪增壓車型，其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛簡(jiǎn)便等方面存在較大優(yōu)勢(shì)。在整車開發(fā)過(guò)程中，一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)是整車排放的標(biāo)定和優(yōu)化。為了節(jié)約開發(fā)時(shí)間和成本，往往將搭載其他變速器（MT/DCT/CVT）車型的排放標(biāo)定數(shù)據(jù)移植到AT車型上，在此基礎(chǔ)上再針對(duì)AT的特點(diǎn)進(jìn)行精調(diào)。本文以某型搭載AT的車型為例，探討了有針對(duì)性的優(yōu)化這個(gè)階段的排放以達(dá)到國(guó)五法規(guī)要求的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)大量的優(yōu)化工作，該車型新鮮催化器的排放結(jié)果可以達(dá)到國(guó)五限值70%以內(nèi)，滿足開發(fā)工程目標(biāo)要求。

1.國(guó)五法規(guī)分析

國(guó)五針對(duì)國(guó)四排放，要求控制的污染物增加了NMHC（非甲烷碳?xì)洌┖蚉M（顆粒物）兩類（見表1）。對(duì)于非直噴汽油機(jī)而言，國(guó)五排放主要受制于NMHC。由于甲烷通常占THC的10%左右，按照NMHC限值為O.068 g/km，相當(dāng)于THC限值則為0.075g/km。NO。也加嚴(yán)到了0.06g/km。國(guó)五的劣化系數(shù)也較國(guó)四更加嚴(yán)格（見表2）。

在發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)沒有革命性的升級(jí)隋況下，國(guó)五排放的污染物限值和嚴(yán)格的裂化系數(shù)對(duì)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)排放限值提出了很高的挑戰(zhàn)。

2針對(duì)國(guó)五排放的相關(guān)匹配

2.1匹配車輛

標(biāo)定用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸16氣門，廢氣渦輪增壓，變速器采用4AT，其基本參數(shù)及三效催化轉(zhuǎn)化器體積參數(shù)如表3所示。

2.2排放測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)車輛置于AVL底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，按照國(guó)五排放測(cè)試循環(huán)運(yùn)行，試驗(yàn)車輛排出廢氣經(jīng)過(guò)稀釋后進(jìn)人CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)。

2.3搭載自動(dòng)變速器對(duì)排放的影響

自動(dòng)變速器采用液力變矩器和傳動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力，其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包含油泵等耗能元件，所以搭載AT的發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷比搭載手動(dòng)變速器車輛的要大。在國(guó)五排放循環(huán)的起動(dòng)階段，催化器還沒有達(dá)到起燃溫度，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)的速率還很慢，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放取決于發(fā)動(dòng)機(jī)本身的原始排放?；诖?，搭載AT的整車將在起動(dòng)階段產(chǎn)生更多的原始污染物，必須進(jìn)行有針對(duì)性的排放匹配，才能通過(guò)苛刻的國(guó)五排放法規(guī)要求。某AT車輛和與其僅有變速器型式差異的MT車型在排放試驗(yàn)中一段工況的負(fù)荷對(duì)比如圖1所示，可以明顯看到AT車型負(fù)荷要大于MT車型。

國(guó)五測(cè)試循環(huán)中對(duì)AT車輛的操作方法和MT車型也有所區(qū)別。法規(guī)規(guī)定，AT車型在試驗(yàn)開始時(shí)設(shè)置好檔位選擇器后，在試驗(yàn)期間，任何時(shí)候不得再操作檔位選擇器，除非發(fā)生加速動(dòng)作不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成才可以按照MT的要求，操作檔位選擇器。這就意味著AT車型在排放測(cè)試循環(huán)的怠速工況中，一直處于D檔狀態(tài)，而D檔的負(fù)荷又大于N檔，這同樣加劇了AT車型的排放惡化問(wèn)題。

2.4催化器布置形式選擇

試驗(yàn)車型采取高目數(shù)緊湊耦合催化器布置形式，其中前級(jí)轉(zhuǎn)化器和后級(jí)催化器采取和排氣歧管緊耦合裝配方式。緊湊耦合的前級(jí)催化器高目數(shù)、體積小、熱容小、起燃溫度低，可以實(shí)現(xiàn)催化器起燃溫度較快的目的，以更快的凈化起動(dòng)后的排放。后級(jí)催化器體積一般較前級(jí)大，可以更加有效的處理發(fā)動(dòng)機(jī)高速段廢氣的排放。

3應(yīng)對(duì)國(guó)五排放的方案

針對(duì)前述的搭載廢氣渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT變速器對(duì)排放匹配的獨(dú)特影響以及催化器的布置型式，通過(guò)以下三種標(biāo)定手段滿足要求。

3.1啟動(dòng)和暖機(jī)階段空燃比精調(diào)

國(guó)五排放測(cè)試循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后立刻開始采樣，此時(shí)三元催化器沒有到達(dá)其起燃溫度，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)不能有效進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)排放很大程度上取決于其原始排放。所以在保證發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)的前提下，即發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)啟動(dòng)失火的前提下，可以采取一定程度過(guò)量空氣系數(shù)大于1的稀燃（一般不超過(guò)1.05），可以降低HC及CO的排放。于此同時(shí)還要在此噴油系數(shù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)減稀20%。以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，以免油品質(zhì)量問(wèn)題影響車輛的啟動(dòng)及怠速穩(wěn)定性。制造一致性較好及排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的怠速穩(wěn)定性，可以選取較大的暖機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)。

排放點(diǎn)起動(dòng)的過(guò)量空氣系數(shù)可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匹配來(lái)精調(diào)。按照上述原則，在起動(dòng)及暖機(jī)未閉環(huán)階段，設(shè)置合適的暖機(jī)目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)（1.05以內(nèi)），調(diào)整合適的發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖阻力矩系數(shù)，并依次分3階段調(diào)整暖機(jī)后噴油加濃系數(shù)，最終找到排放最佳的暖機(jī)目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)及噴油系數(shù)。四次排放測(cè)試過(guò)程中起動(dòng)時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)的變化曲線和排放測(cè)試結(jié)果如圖2和表4所示。起動(dòng)后3s內(nèi)排放測(cè)試1過(guò)量空氣系數(shù)達(dá)到1.02，測(cè)試2為0.92，測(cè)試3為0.90，測(cè)試4為0.86。對(duì)排放結(jié)果的影響可從表4明顯看出，排放測(cè)試1中HC及CO的排放值比排放測(cè)試2、3、4相比較都要低。起動(dòng)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)排放的影響主要是因?yàn)槠饎?dòng)過(guò)程中HC和CO的排放主要來(lái)源于燃料的不完全燃燒，所以過(guò)量空氣系數(shù)快速接近1.0到1.05可以有效的降低HC和CO的排放。

3.2催化器快速起燃

在排放測(cè)試循環(huán)中，絕大部分的污染物都來(lái)自于起動(dòng)階段。因?yàn)樵诶鋯?dòng)和暖機(jī)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度較小，進(jìn)氣歧管的真空度較高，導(dǎo)致汽油霧化與蒸發(fā)效果差，難以與空氣形成均質(zhì)的混合氣，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在控制策略采取的是增加噴油量。另一方面，由于燃燒不穩(wěn)定，燃燒室溫度低，容易出現(xiàn)大量的未燃燒的碳?xì)渖?。此時(shí)排氣溫度低，未達(dá)到三元催化器的起燃溫度，催化器的催化轉(zhuǎn)化效果不明顯，因而導(dǎo)致了大量HC的排放。據(jù)研究表明，該階段產(chǎn)生了HC排放占NEDC排放循環(huán)的60%～80%。因此如何讓催化器快速起燃，降低HC排放，對(duì)應(yīng)對(duì)國(guó)五排放有著積極重要的意義。

3.2.1推遲點(diǎn)火提前角發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)可以通過(guò)推遲點(diǎn)火角和提高發(fā)動(dòng)機(jī)加熱轉(zhuǎn)速來(lái)增加廢氣的熱能，以加快催化器的起燃速度。點(diǎn)火角方面，通過(guò)設(shè)置催化器加熱的扭矩儲(chǔ)備，扭矩儲(chǔ)備預(yù)留越大，相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火角推遲的就越多，但兩者并非單純的線性關(guān)系。扭矩儲(chǔ)備的設(shè)置要注意不可影響怠速的穩(wěn)定性和車輛的起步性能。在第一個(gè)ECE循環(huán)中15km/h的部分負(fù)荷工況，也可以推遲點(diǎn)火角進(jìn)行催化器加熱，但是要注意推遲的幅度對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響，點(diǎn)火角推遲過(guò)多也會(huì)造成失火或燃燒不充分，而導(dǎo)致排放增加。

可以利用催化器加熱的相對(duì)空氣量積分值來(lái)調(diào)整扭矩預(yù)留開始和關(guān)閉時(shí)刻，其設(shè)置的值也要保證點(diǎn)火角逐漸降低及恢復(fù)，以防止點(diǎn)火角突變引起怠速不穩(wěn)。對(duì)催化器加熱時(shí)的點(diǎn)火效率系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)匹配點(diǎn)火角推遲區(qū)域及點(diǎn)火角推遲量。

在催化器加熱階段，扭矩的預(yù)留可分為怠速部分和非怠速部分。催化器加熱扭矩預(yù)留量一定要大于怠速時(shí)的扭矩預(yù)留量，通常車輛怠速時(shí)扭矩的預(yù)留量約為3%～4%。通過(guò)對(duì)催化器加熱扭矩預(yù)留標(biāo)定量的不斷優(yōu)化，扭矩預(yù)留量設(shè)置為8%左右，點(diǎn)火角在5°CABTDC左右時(shí)，可以促使三元催化轉(zhuǎn)化器溫度迅速提升，降低排放（見表5）。

3.2.2提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速提高怠速方面，需要特別指出的是，對(duì)于該廢氣渦輪增壓車型，怠速轉(zhuǎn)速的設(shè)置要比NA車型略高。這是因?yàn)槿绻栌肗A車型1100～1200r/min的標(biāo)定，由于渦輪增壓器將消耗一部分排氣熱能，維持相同的怠速轉(zhuǎn)速，排氣溫度不能夠很好的將催化器快速起燃。但如果設(shè)定的轉(zhuǎn)速過(guò)高，由于催化器未起燃，則這就意味著要排放出更多的污染物。針對(duì)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，不斷調(diào)整優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)，不同催化器加熱怠速轉(zhuǎn)速下污染物排放量，如表6所示。為了兼顧加熱效率和排放結(jié)果，從中我們優(yōu)選了1400rpm為怠速轉(zhuǎn)速為作為最終的匹配數(shù)據(jù)。

3.3三元催化器轉(zhuǎn)化效率精調(diào)

三元催化器轉(zhuǎn)化效率在過(guò)量空氣系數(shù)0.98到1.0附近較狹窄范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)CO、HC和NO_x三種廢氣的綜合轉(zhuǎn)化效率最高（見圖3）。

在發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)入閉環(huán)之后，過(guò)量空氣系數(shù)是通過(guò)前級(jí)兩點(diǎn)式氧傳感器的電壓跳變來(lái)表征的。系統(tǒng)通過(guò)前氧傳感器實(shí)時(shí)傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)與0.45V（即過(guò)量空氣系數(shù)等于1時(shí)的電壓）進(jìn)行比較，通過(guò)比例與積分調(diào)節(jié)修正，可以使混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)短時(shí)間相對(duì)于1有個(gè)小的偏移。偏移時(shí)間系數(shù)是一個(gè)與轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相關(guān)的預(yù)設(shè)量，其值要求三種污染物都必須控制在較低值，并且后氧傳感器電壓值維持在0.6V到0.7V之間。需要通過(guò)多次排放驗(yàn)證，來(lái)確定最合適的預(yù)設(shè)量。

氧傳感器的輸出電壓隨過(guò)量空氣系數(shù)相應(yīng)變化（見圖4），發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)最終通過(guò)控制噴油量來(lái)精確控制過(guò)量空氣系數(shù)。

從圖4中可以看出，燃油閉環(huán)修正信號(hào)根據(jù)系統(tǒng)氧傳感器信號(hào)的跳變進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而保證過(guò)量空氣系數(shù)始終在1.0±0.02的范圍內(nèi)跳動(dòng)，在此范圍內(nèi)催化器的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到最優(yōu)。

綜上所述，采用緊湊耦合兩級(jí)催化轉(zhuǎn)化器，通過(guò)推遲點(diǎn)火提前角、提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、精確控制空燃比等精細(xì)匹配，搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT車型可以實(shí)現(xiàn)國(guó)五排放的工程目標(biāo)（見表7）。

4結(jié)論

本文分析了搭載增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和AT變速箱整車滿足國(guó)五階段排放的難點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速箱特點(diǎn)，制備新的緊耦合催化器并基于BOSCH ME7發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，針對(duì)排放相關(guān)的模塊進(jìn)行了標(biāo)定優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多輪排放試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了某車型各項(xiàng)排放的污染物都能夠控制在國(guó)五限值劣化后的70%以內(nèi)，積極響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召與法規(guī)的要求，實(shí)現(xiàn)成本與排放目標(biāo)的最優(yōu)化。