李杰 黃偉 王洪靜 馬標(biāo) 張應(yīng)兵

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

對(duì)油耗和舒適性的追求使得人們對(duì)汽油直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速箱車型的需求量越來(lái)越大，但是尾氣排放對(duì)大氣的污染也不容忽視，為此國(guó)家制訂了嚴(yán)格的第五階段排放法規(guī)，促使汽車生產(chǎn)廠商提升技術(shù)，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)[1]。文章探討了搭載GDI發(fā)動(dòng)機(jī)和濕式DCT變速箱的整車開(kāi)展國(guó)Ⅴ排放開(kāi)發(fā)的策略及標(biāo)定優(yōu)化方法，基于對(duì)國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的解讀，并通過(guò)對(duì)實(shí)車排放控制參數(shù)和排放結(jié)果的分析，提出了燃油二次噴射、起步、充油和換擋[2]及后處理的設(shè)計(jì)參數(shù)等綜合優(yōu)化方法，通過(guò)標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化達(dá)到了開(kāi)發(fā)目標(biāo)的要求[3]。

1 目標(biāo)車分析

1.1 試驗(yàn)車參數(shù)

試驗(yàn)車的主要參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗(yàn)車主要參數(shù)

1.2 目標(biāo)車特點(diǎn)及對(duì)排放的影響

目標(biāo)車的特點(diǎn)，如表2所示。

表2 目標(biāo)車型特點(diǎn)分析

基于表2中所列的結(jié)果，在排放開(kāi)發(fā)方面需要重點(diǎn)關(guān)注3個(gè)方面：1）發(fā)動(dòng)機(jī)工作方式的改變帶來(lái)的催化器設(shè)計(jì)的優(yōu)化；2）直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油方式對(duì)排放控制的影響；3）濕式DCT的充油、起步和換擋控制對(duì)排放結(jié)果的影響。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中發(fā)現(xiàn)變速箱側(cè)有3個(gè)因素會(huì)對(duì)排放帶來(lái)明顯的影響，具體為：a.國(guó)Ⅴ排放法規(guī)規(guī)定：自動(dòng)擋車型在啟動(dòng)后換擋桿必須一直置于D擋模式[4]，而離合器的充油控制對(duì)啟動(dòng)后的蠕動(dòng)性能影響巨大，如果充油偏小，離合器響應(yīng)偏慢，反之，充油過(guò)充的話，很可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火[5]，這2種情況都會(huì)造成排放污染物的超標(biāo)；b.起步工況：為了成功達(dá)到測(cè)試循環(huán)爬坡工況的要求，電子控制單元（ECU）和自動(dòng)變速器控制單元（TCU）聯(lián)合控制的起步尤為重要，以期達(dá)到迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)駕駛員的操作要求，如果起步控制不夠優(yōu)化，起步階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)上漂或被拉低甚至熄火，對(duì)污染物的產(chǎn)生帶來(lái)致命影響[6]；c.行駛工況：換擋線標(biāo)定影響換擋點(diǎn)的提前或延遲，會(huì)影響整體污染物的總量。

2 國(guó)Ⅴ排放法規(guī)分析

GB18352.5—2013法規(guī)使用NEDC循環(huán)（新歐洲駕駛測(cè)試循環(huán)）工況，該測(cè)試循環(huán)由4個(gè)城市工況和1個(gè)城郊工況構(gòu)成，如圖1所示，解析信息，如表3所示。

圖1 NEDC測(cè)試循環(huán)工況

表3 NEDC循環(huán)工況解析

基于對(duì)測(cè)試循環(huán)的分析，可以看出，啟動(dòng)、起步、換擋及離合器油壓控制和催化器設(shè)計(jì)是達(dá)到整車排放開(kāi)發(fā)目標(biāo)的關(guān)鍵，下面圍繞這些關(guān)鍵要素展開(kāi)討論。

3 整車排放開(kāi)發(fā)技術(shù)方案

3.1 排放摸底

對(duì)裝有新鮮催化器的試驗(yàn)車進(jìn)行摸底試驗(yàn)，根據(jù)采集的ECU和TCU側(cè)數(shù)據(jù)和排放秒采數(shù)據(jù)，分析排放超標(biāo)的成因，有針對(duì)性的優(yōu)化控制策略和催化器設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 某型整車的后處理裝置布置圖

圖3 國(guó)Ⅴ排放測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖4 試驗(yàn)車摸底測(cè)試時(shí)排放秒采值曲線

圖5 某型整車排放摸底EMS控制信號(hào)截圖

表4 某型整車的摸底排放結(jié)果 g/km

試驗(yàn)車使用查表法加載，加載系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)車的整備質(zhì)量查詢得到，試驗(yàn)廢氣經(jīng)過(guò)稀釋后進(jìn)入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)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析后得到試驗(yàn)結(jié)果[7]。后處理裝置的布置，如圖2所示；排放測(cè)試系統(tǒng)示意圖，如圖3所示；排放秒采值曲線，如圖4所示；排放摸底EMS控制信號(hào)截圖，如圖5所示；摸底結(jié)果，如表4所示。綜合分析圖4的污染物秒采數(shù)據(jù)和圖5的EMS側(cè)的控制信號(hào)可以看到，該車型的排放壓力主要來(lái)自于HC和NOx污染物（NMHC的趨勢(shì)與HC相同），HC的尖峰主要出現(xiàn)在第1個(gè)ECE15循環(huán)和EUDC循環(huán)，而NOx的尖峰則基本上在每一個(gè)起步加速工況都會(huì)出現(xiàn)，其原因是：1）起動(dòng)階段的噴油控制方式不合理，需要針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化；2）起步控制不夠精確，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于安全轉(zhuǎn)速較多，會(huì)引起熄火的風(fēng)險(xiǎn)，涉及到TCU的起步和充油控制及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的控制精度；3）換擋時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在波動(dòng)，與TCU的換擋控制和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制精度相關(guān)[8]；4）催化器的涂層參數(shù)設(shè)計(jì)還需要再優(yōu)化。

3.2 催化器優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合ECU的控制數(shù)據(jù)，從排放摸底的結(jié)果分析得到催化器調(diào)整和優(yōu)化方案，如表5所示。通過(guò)增加載體直徑、增加前級(jí)催化器的目數(shù)/壁厚比和貴金屬濃度等設(shè)計(jì)參數(shù)，得到了優(yōu)化后的后處理方案，后續(xù)討論都基于此方案開(kāi)展。

表5 催化器調(diào)整和優(yōu)化方案對(duì)比

3.3 燃油噴射模式介紹

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)采用的高壓共軌噴油系統(tǒng)具有很高的動(dòng)態(tài)特性，能夠在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多段噴射[9]。為了優(yōu)化排放，可以利用該特性加速催化器的升溫速度，即在進(jìn)氣行程和壓縮行程各噴射一次燃油，會(huì)使催化器快速起燃，從而可以有效降低HC的排放。燃油2次噴射脈寬示意圖，如圖6所示。

圖6 GDI燃油2次噴射脈寬示意圖

3.4 變速箱控制策略

3.4.1 起步控制策略

變速箱TCU的控制主要圍繞著起步、換擋及離合器油壓控制展開(kāi)，DCT起步控制示意圖，如圖7所示。

圖7 雙離合變速器（DCT）起步控制示意圖

起步控制精度對(duì)排放的影響體現(xiàn)在起步過(guò)快、轉(zhuǎn)速可能下跌甚至產(chǎn)生熄火的風(fēng)險(xiǎn)；起步過(guò)慢，則大量的發(fā)動(dòng)機(jī)能量消耗在離合器滑摩過(guò)程中。基于此，把起步劃分為4個(gè)階段。

1）起步準(zhǔn)備階段：油壓預(yù)充到離合器的半聯(lián)動(dòng)點(diǎn)，以節(jié)約起步的準(zhǔn)備時(shí)間；2）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速提升階段：根據(jù)駕駛員踩下油門踏板的開(kāi)度大小和變化斜率，由TCU根據(jù)實(shí)際工況計(jì)算得出目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速上升的斜率；3）轉(zhuǎn)速預(yù)同步閉環(huán)調(diào)節(jié)階段：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升到與期望轉(zhuǎn)速的差值小于150 r/min時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)速同步前的閉環(huán)PID控制階段，目標(biāo)是使轉(zhuǎn)速同步過(guò)程平順，為進(jìn)入滑摩控制做準(zhǔn)備；4）轉(zhuǎn)速同步后的滑摩控制階段：該階段的控制基于離合器的主動(dòng)盤和從動(dòng)盤角速度的滑差，滑摩控制的目標(biāo)是保持轉(zhuǎn)速差在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，保證DCT的高傳動(dòng)效率，以達(dá)到良好的駕駛舒適性。

圖8示出應(yīng)用該策略的15%油門開(kāi)度的起步曲線截圖。

圖8 起步階段離合器壓力曲線截圖

3.4.2 換擋過(guò)程控制

NEDC排放循環(huán)中會(huì)出現(xiàn)多次換檔操作，與TCU的控制策略相對(duì)應(yīng)的是降扭請(qǐng)求和離合器壓力的交替控制，不合理的降扭請(qǐng)求會(huì)導(dǎo)致升擋后轉(zhuǎn)速無(wú)法同步導(dǎo)致?lián)Q擋失敗[10]。離合器壓力的控制精度則直接影響了換擋過(guò)程的速度，這些因素都會(huì)直接或間接的影響排放的結(jié)果。圖9和圖10分別示出換擋過(guò)程的離合器壓力交替控制和發(fā)動(dòng)機(jī)降扭控制的曲線截圖，圖11示出優(yōu)化后在NEDC循環(huán)中采集的TCU控制信號(hào)截圖。由圖9可以看到，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的離合器壓力信號(hào)跟隨性較好，油壓控制誤差為1.6 kPa；由圖10可以看到，ECU對(duì)TCU發(fā)出的降扭請(qǐng)求響應(yīng)的誤差為1.4 N·m，可以精確的滿足變速箱升擋時(shí)扭矩控制的需求。

圖9 換擋過(guò)程離合器壓力交替曲線截圖（15%油門踏板）

圖10 換檔過(guò)程ECU降扭響應(yīng)曲線截圖

圖11 優(yōu)化后NEDC循環(huán)中TCU控制曲線截圖

基于上述方案，對(duì)3輛試驗(yàn)樣車分別進(jìn)行2次排放試驗(yàn)，其排放結(jié)果，如表6所示。從表6可以看出，乘以劣化系數(shù)后各項(xiàng)指標(biāo)都在國(guó)Ⅴ排放法規(guī)限值以內(nèi)，滿足工程目標(biāo)的要求。

表6 NEDC排放循環(huán)中樣車排放結(jié)果g/km

4 結(jié)論

分析了國(guó)家第五階段排放法規(guī)GB 18352.3—2013中NEDC循環(huán)的特點(diǎn)，基于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)和濕式DCT整車的特點(diǎn)，從起步控制、離合器壓力控制和扭矩控制及催化器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的思考和設(shè)計(jì)優(yōu)化，經(jīng)過(guò)實(shí)車標(biāo)定優(yōu)化和試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了國(guó)Ⅴ開(kāi)發(fā)目標(biāo)的要求，各項(xiàng)污染物都在限值的60%以內(nèi)。下一步工作將圍繞國(guó)Ⅵ排放法規(guī)征求意見(jiàn)稿提出的基于WLTC的測(cè)試循環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況模式的變化開(kāi)展控制策略和標(biāo)定參數(shù)的優(yōu)化工作。