摘要：隨著排放法規(guī)以及生產(chǎn)一致性抽檢（COP）日益嚴(yán)格，監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)在用車的排放抽檢日趨重視。而整車排放在公告量產(chǎn)后的排放約束及表現(xiàn)需要依靠各系統(tǒng)零部件的制造質(zhì)量控制，諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、整車零部件制造偏差、裝配偏差累計(jì)達(dá)到一定程度將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊無(wú)法通過(guò)自學(xué)習(xí)將一些影響排放的關(guān)鍵自學(xué)習(xí)值修正回來(lái)，這將帶來(lái)COP 一致性抽檢與在用車排放不合規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。本文將通過(guò)影響排放的關(guān)鍵因數(shù)之一燃油壓力偏差入手，通過(guò)調(diào)整燃油泵壓力，并采用全球統(tǒng)一輕型車排放測(cè)試循環(huán)（NEDC） 進(jìn)行排放測(cè)試，通過(guò)標(biāo)定軟件信號(hào)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析，對(duì)比探索汽油機(jī)燃油壓力對(duì)排放的影響。

關(guān)鍵詞：油壓；燃油自學(xué)習(xí)值；COP 一致性排放；在用車排放；燃油泵

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

作為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力源的重要組成部分，汽油機(jī)的燃油壓力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能及排放特性有著深遠(yuǎn)的影響。適當(dāng)?shù)娜加蛪毫δ軌虼_保燃油與空氣充分混合，形成理想的空燃比，從而促進(jìn)完全燃燒。這不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，還能顯著減少未燃碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）以及氮氧化物（NOx）等有害排放物的生成。本文旨在探討汽油機(jī)燃油壓力如何影響其排放水平，并深入研究汽油機(jī)燃油壓力對(duì)排放的影響機(jī)制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文將從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)角度出發(fā)，全面剖析燃油壓力與排放之間的關(guān)系，通過(guò)這一研究，我們期望為減少汽車尾氣對(duì)環(huán)境的影響提供科學(xué)依據(jù)和新的思路。

1 空燃比定義及燃油壓力對(duì)空燃比和排放的影響

1.1 空燃比定義

可燃混合氣中，空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比為空燃比，空燃比A/F（A ：air- 空氣，F(xiàn) ：fuel- 燃料） 表示空氣和燃料的混合比?？杖急仁前l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)尾氣排放、發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃料必須和吸進(jìn)的空氣成適當(dāng)?shù)谋壤旌希拍苄纬煽梢匀紵幕旌蠚?。理論上，每克燃料完全燃燒所需的最少的空氣克?shù)，叫做理論空燃比[1]。各種燃料的理論空燃比不相同，汽油為14.7，柴油為14.3。

1.2 燃油壓力對(duì)空燃比和排放的影響

空燃比大于理論值的混合氣叫做稀混合氣，氣多油少燃燒完全，油耗低污染小但功率較小。空燃比小于理論值的混合氣叫做濃混合氣，氣少油多功率較大，但燃燒不完全油耗高污染大。

若燃油泵壓力過(guò)高，可能導(dǎo)致燃油噴射量增加，而燃燒室無(wú)法完全燃燒，因此造成燃油浪費(fèi)。同時(shí)，也會(huì)增加燃油系統(tǒng)的負(fù)荷和損耗，并可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、排氣排放增加。當(dāng)燃油壓力過(guò)低時(shí)，燃油噴射系統(tǒng)無(wú)法將燃油充分霧化成細(xì)小的油滴，導(dǎo)致燃油與空氣的混合不均勻。這種不均勻的混合氣會(huì)影響燃燒過(guò)程，使得燃燒不完全，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和性能。此外，不良的霧化還可能導(dǎo)致燃油在燃燒室內(nèi)沉積，形成積碳，進(jìn)一步惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

另外，燃油壓力低導(dǎo)致的不良霧化和空燃比偏離還會(huì)影響燃燒溫度。在富油條件下，由于油料需要汽化吸熱，燃燒溫度會(huì)降低，這雖然有助于減少NOx 的排放，但會(huì)增加碳粒和CO 的排放。而在貧油條件下，燃燒溫度可能會(huì)升高，但由于氧氣充足，NOx的排放量也會(huì)增加?？杖急绒D(zhuǎn)化效率如圖1 所示，不同空燃比條件下排氣污染物轉(zhuǎn)換效率，只有在λ= 1（A/F=14.7） 附近的情況下，HC、CO、NOx 三者的轉(zhuǎn)化效率才最高。因此必須借助安裝在排氣系統(tǒng)中的氧傳感器，利用其反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)λ 的閉環(huán)控制，將λ 的波動(dòng)范圍精確地控制在“λ 窗”以內(nèi)即λ=1±0.03[2]。從中可以看出，排氣污染物的最佳轉(zhuǎn)換效率是在0.997-0.999 區(qū)間，因此在進(jìn)氣量、噴油脈寬及噴油系統(tǒng)管路、噴油器電器性能及物理尺寸沒(méi)有發(fā)生變化的情況下，燃油壓力波動(dòng)對(duì)空燃比的影響是關(guān)鍵核心因素。

2 燃油壓力對(duì)空燃比的開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制影響

2.1 空燃比開(kāi)環(huán)控制

空燃比的開(kāi)環(huán)控制是在空燃比達(dá)到閉環(huán)前，基于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、進(jìn)氣溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣與噴油進(jìn)行預(yù)控，在保證起動(dòng)安全同時(shí)兼顧快速起燃催化器、前氧傳感器快速過(guò)露點(diǎn)，并降低排放污染物數(shù)值的目的下，快速地使空燃比達(dá)到理論空燃比并進(jìn)入閉環(huán)控制。因此，在冷起動(dòng)時(shí)，基于預(yù)控充氣量計(jì)算出的預(yù)控噴油量對(duì)排放污染物的控制非常重要，油泵泵油壓力以及油泵的保壓能力都會(huì)對(duì)空燃比計(jì)算產(chǎn)生較大的影響，特別是在燃油壓力過(guò)低的情況下將會(huì)導(dǎo)致空燃比偏離理論空燃比，進(jìn)而影響燃燒效率及其釋放的熱量積分[3]。在燃燒不充分的情況下，熱量積分的累加速度將會(huì)降低，這將會(huì)導(dǎo)致上下游氧傳感器露點(diǎn)置位時(shí)間延后，進(jìn)而將使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在開(kāi)環(huán)控制的工況下，而不能快速地運(yùn)行在空燃比為1 的理論空燃比附近，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物增加。

2.2 空燃比閉環(huán)控制

閉環(huán)前空燃比的控制目的，是盡可能準(zhǔn)確地控制需求空燃比，使催化器轉(zhuǎn)化效率最佳，從而降低排放[4]。閉環(huán)控制要能迅速、準(zhǔn)確地修正空燃比偏離1 時(shí)的偏差?？杖急瓤刂苹诔錃忸A(yù)控和空燃比協(xié)調(diào)，空燃比控制的工作原理如圖2 所示。計(jì)算出當(dāng)前進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量，同時(shí)由理論空燃比計(jì)算出所需的噴油量，另一方面，空燃比協(xié)調(diào)計(jì)算出當(dāng)前工況下的需求空燃比。兩者相除，得到預(yù)控的噴油量。前氧傳感器測(cè)量廢氣中的氧含量，根據(jù)氧含量反饋信號(hào)修正預(yù)控的噴油量；后氧傳感器用于更加精確的空燃比控制。后氧傳感器閉環(huán)可以偏移或微調(diào)前氧傳感器閉環(huán)的結(jié)果，因此閉環(huán)控制階段噴油壓力對(duì)噴油量的計(jì)算直接影響空燃比的表現(xiàn)，并因?yàn)槿加蛪毫Σ▌?dòng)導(dǎo)致空燃比信號(hào)振蕩對(duì)空燃比的調(diào)節(jié)帶來(lái)極大的不利影響，進(jìn)而不利于排氣污染物的降低，同時(shí)將會(huì)帶來(lái)一定的燃燒扭矩的波動(dòng)進(jìn)而對(duì)駕駛體驗(yàn)帶來(lái)負(fù)面的影響。

3 油泵油壓對(duì)空燃比及燃油自學(xué)習(xí)值的影響

3.1 油泵壓力對(duì)噴油器動(dòng)態(tài)流量影響

根據(jù)噴油器額定動(dòng)態(tài)流量特性曲線，定義動(dòng)態(tài)流量公式：

式中：q dyn 為任意脈寬下噴油器的動(dòng)態(tài)流量；Q stat 為噴油器的額定靜態(tài)流量，取 154 g/min（ 380 kPa 燃油壓力下）；t i 為噴油器工作脈寬；t i.E 為額定動(dòng)態(tài)流量脈寬，取2.5 ms ；q dyn 為噴油器額定動(dòng)態(tài)流量，取4.8 mg/lift。

3.2 燃油壓力對(duì)排放的影響

根據(jù)噴油器的動(dòng)態(tài)流量公式可以看出，在基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油模型MAP 下的進(jìn)氣模型固化后，因燃油泵實(shí)際壓力超出輸入給電噴控制系統(tǒng)邊界限值（油壓過(guò)高或過(guò)低）都會(huì)對(duì)噴油流量產(chǎn)生較大的波動(dòng)影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能和燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生負(fù)面影響。燃油泵壓力過(guò)低，導(dǎo)致燃油供應(yīng)不足混合氣偏稀導(dǎo)致燃燒不充分，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出和響應(yīng)速度。這會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的性能下降，車輛加速不暢，甚至可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不穩(wěn)定。如圖3 所示，同一輛車分別安裝340 kPa 壓力與380 kPa 壓力的燃油泵（燃油泵壓力標(biāo)準(zhǔn)：380±10 kPa），根據(jù)GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》在室溫25 ℃環(huán)境下浸車24 h 進(jìn)行常溫下冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)，340 kPa 燃油泵與380 kPa 燃油泵在NEDC循環(huán)下冷起動(dòng)時(shí)標(biāo)定信號(hào)對(duì)比可以看出，在冷機(jī)怠速工況下，當(dāng)燃油泵輸出壓力為340 kPa 壓力的燃油時(shí)，空燃比波動(dòng)劇烈且噴油脈寬波動(dòng)也較劇烈，然而當(dāng)燃油泵輸出壓力為380 kPa 壓力的燃油時(shí)，空燃比波動(dòng)幅度較小且噴油脈寬波動(dòng)較平緩幾乎無(wú)波動(dòng)。根據(jù)以上試驗(yàn)觀察，燃油泵泵壓與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大時(shí)將會(huì)影響噴油脈寬的穩(wěn)定性進(jìn)而影響空燃比的穩(wěn)定性。

同時(shí)為了進(jìn)一步直觀分析，我們將安裝兩種不同燃油泵壓力的排放秒采數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并結(jié)合圖3 所示進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，由于不同燃油壓力下表現(xiàn)出不同的噴油脈寬與空燃比形態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致排放污染物的生成也差生了巨大的差異表現(xiàn)。如圖4 和圖5 所示，在NEDC 循環(huán)中從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后100 s 內(nèi)，裝有340kPa 低壓油泵與裝有380 kPa 標(biāo)準(zhǔn)壓力油泵的THC 與NOx 排放實(shí)際秒采圖。

根據(jù)以上THC 與NOx 排放污染物的秒采數(shù)據(jù)可以看出，340 kPa低壓油泵由于油壓不足，導(dǎo)致空燃比波動(dòng)較大。這是因?yàn)檩^低的燃油壓力使得燃油噴射系統(tǒng)無(wú)法精確控制噴油量，進(jìn)而影響了混合氣的均勻性。當(dāng)混合氣過(guò)稀或過(guò)濃時(shí)，燃燒過(guò)程會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致THC（總碳?xì)浠衔铮┖蚇Ox（氮氧化物）的排放波動(dòng)加劇。相比之下，裝配380 kPa 標(biāo)準(zhǔn)燃油壓力的燃油泵能夠提供更穩(wěn)定的燃油壓力，從而保持較為恒定的空燃比。這有助于優(yōu)化燃燒過(guò)程，減少排放污染物的波動(dòng)幅度。

另外在冷起動(dòng)階段，催化器尚未達(dá)到最大催化轉(zhuǎn)換效率溫度，此時(shí)THC 的差異尤為明顯。裝配340 kPa 低壓燃油泵的車輛在冷起動(dòng)時(shí)的THC 排放值幾乎是裝配380 kPa 標(biāo)準(zhǔn)燃油壓力泵的6 倍。這表明，在冷起動(dòng)條件下，較高的燃油壓力對(duì)于控制THC 排放至關(guān)重要，其次NOx 的排放也受到燃油壓力的影響。雖然數(shù)據(jù)中沒(méi)有直接提到NOx 的具體數(shù)值差異，但可以推測(cè)，由于340 kPa低壓油泵導(dǎo)致的空燃比波動(dòng)，可能會(huì)增加NOx 的排放量，這是因?yàn)樵诟谎鯒l件下，高溫燃燒容易產(chǎn)生大量的NOx。由于340KPa低壓油泵導(dǎo)致的排放污染物波動(dòng)幅度大且峰值區(qū)間寬，很可能超過(guò)了相關(guān)法規(guī)的限值。這意味著該配置可能無(wú)法滿足現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。相反，裝配380 kPa 標(biāo)準(zhǔn)燃油壓力的燃油泵則表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，其排放污染物的水平更有可能符合法規(guī)要求?？梢钥闯鋈加捅脡毫κ欠襁_(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)排放污染物的控制有很大的影響。

4 燃油自學(xué)習(xí)對(duì)燃油壓力的修正

基于以上燃油泵制造散差以及組裝散差引起的生產(chǎn)一致性偏差，導(dǎo)致整車排放超出法規(guī)限值的情況，我們引入了燃油自學(xué)習(xí)值進(jìn)行修正。燃油自學(xué)習(xí)值體現(xiàn)了車輛散差情況，正常范圍內(nèi)的自學(xué)習(xí)值是發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊（ECU）對(duì)車輛散差的補(bǔ)償控制。

燃油自學(xué)習(xí)分為油路乘法自學(xué)習(xí)與油路加法自學(xué)習(xí)[5]，其中油路乘法自學(xué)習(xí)值一般是油路相關(guān)零件引起的散差，如油泵、噴油器、軌壓等零部件。正常范圍是0.95 ～ 1.05，最好在0.97 ～ 1.03 ；學(xué)習(xí)范圍為穩(wěn)態(tài)工況，一般為50 ～ 130 km/h 區(qū)間學(xué)習(xí)，穩(wěn)態(tài)中大負(fù)荷，轉(zhuǎn)速1 500 ～ 3 000 r/min。乘法燃油自學(xué)習(xí)值會(huì)對(duì)整個(gè)油路控制基準(zhǔn)產(chǎn)生影響，比如0.95 表示會(huì)對(duì)此時(shí)整個(gè)油路控制減稀5%，相反1.05 則表示會(huì)對(duì)此時(shí)整個(gè)油路控制加濃5%。因此對(duì)起動(dòng)及起動(dòng)后空燃比影響較大。另外油路加法自學(xué)習(xí)一般是由于P 路低負(fù)荷區(qū)域不準(zhǔn)造成的誤差。正常范圍是-2% ～ 2%，比如2% 就是在此時(shí)油路基礎(chǔ)噴油上加2%，相反則減2%。一般對(duì)起動(dòng)和起動(dòng)后空燃比較大影響，例如正常起動(dòng)后如果相對(duì)燃油質(zhì)量為30，此時(shí)加法燃油自學(xué)習(xí)值等于3%，就會(huì)造成10% 的空燃比偏差。

以上無(wú)論是油路乘法自學(xué)習(xí)還是油路加法自學(xué)習(xí)，都不能超出ECU 自學(xué)習(xí)修正的范圍，超出范圍的自學(xué)習(xí)值將是無(wú)法學(xué)習(xí)回正常 范圍，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致排放污染物超出法規(guī)限值。超出范圍的燃油自學(xué)習(xí)值，一般是車輛硬件散差造成的，需要排查具體工況和車輛問(wèn)題，避免超出正常范圍的自學(xué)習(xí)值。如果出現(xiàn)自學(xué)習(xí)值較大的情況，可以清除自學(xué)習(xí)值，同時(shí)觀察排放中學(xué)習(xí)較快的工況是否正常。通過(guò)以上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可以看出，燃油壓力的波動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。雖然ECU 會(huì)通過(guò)燃油自學(xué)習(xí)功能將燃油自學(xué)習(xí)值學(xué)習(xí)至趨于合理的范圍，但如果超出圖紙及標(biāo)定定義的偏差將是無(wú)法學(xué)習(xí)至合理的范圍，必然會(huì)導(dǎo)致排放污染物超出限值。特別是包括中國(guó)在內(nèi)的各個(gè)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部門，無(wú)論是公告認(rèn)證階段還是批產(chǎn)上市后的階段，對(duì)汽車污染物監(jiān)管一致性抽檢將會(huì)日益趨嚴(yán)。因此諸如油泵、噴油器等影響燃燒均勻性及空燃比的關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)一致性，必須要通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量管理工具進(jìn)行日常監(jiān)管，才能通過(guò)環(huán)保法規(guī)的考驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地探討了汽油機(jī)燃油壓力對(duì)排放特性的影響，并通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，揭示了燃油壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)排放之間的復(fù)雜關(guān)系。研究表明，適當(dāng)?shù)娜加蛪毫?duì)于確保燃油與空氣的充分混合、促進(jìn)完全燃燒、提高熱效率以及減少有害排放物（如HC、CO 和NOx）的生成至關(guān)重要。過(guò)低的燃油壓力會(huì)對(duì)燃燒過(guò)程產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致排放惡化。綜上所述，深入研究汽油機(jī)燃油壓力對(duì)排放的影響，開(kāi)發(fā)高效的燃油壓力控制策略和技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的綠色發(fā)展具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。我們期待這些研究成果能夠激發(fā)更多的技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)汽車行業(yè)向著更加環(huán)保、高效的方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

范永鵬，本科，工程師，研究方向?yàn)槠蜋C(jī)整車標(biāo)定及OBD 診斷。