車輛排放影響因素分析及優化

鄒江，張晶

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京100176；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

車輛排放影響因素分析及優化

鄒江1，張晶2

（1.北京奔馳汽車有限公司，北京100176；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

本文對影響車輛排放的因素進行了分析和優化，目的是為了減少有害物的排放，從車輛的啟動、暖機、排放閉環控制、車輛過渡工況和催化劑加熱五個方面討論了影響車輛排放性能的因素，并就這五個方面提出了相應的優化建議。

污染；排放；車輛；因素；優化

鄒江

畢業于江蘇大學，現任北汽奔馳汽車有限公司進排氣系統工程師，研究方向：整車排放及整車標定。

1　引言

空氣污染已經成為當前影響人們生活的一個越來越重要的問題，大氣中的有毒氣體如碳氫化合物、一氧化碳和微小顆粒PM2.5等，對人體傷害越來越引起人們的擔心。在汽車保有量不斷增加的今天，汽車尾氣排放污染成為人們都需要面對的難題和挑戰。隨著排放法規的日趨嚴格，各項應對排放法規的先進汽車技術成為各大企業研究的重點，其中發動機缸內直噴技術亦是當下各大汽車主機廠的應用的熱點，本文將基于缸內直噴發動機汽車，對車輛進行排放測試研究，文章從車輛的啟動、暖機、排放閉環控制、車輛過渡工況和催化劑加熱五個方面對影響車輛排放性能的因素進行討論，并就這五個方面提出了相應的優化建議。

2　國家幾個階段排放法規要求限值對比

2.1法規限值

我國排放法規近年來是借鑒歐盟ECE排放法規（表1），排放限制上國內通常稱國二、國三、國四、國五，國內排放法規稱呼上對應歐盟ECE排放法規是歐洲二期（簡稱歐二，其他類似）、歐三、歐四、歐五。歐五排放法規實施和歐四對比，增加了非甲烷碳氫NMHC和顆粒物PM質量要求，歐六b、c排放法規實施和歐五對比主要增加了PN顆粒物數量要求，歐五排放和歐六b、c排放中PM和PN僅對缸內直噴汽油發動機要求，對側噴汽油發動機不做要求。

表1　ECE歐盟汽油機輕型車排放法規限值數據

2.2限值分析

從表1限值變化上對比分析，歐五對比歐四排放限值新增加了NMHC、PM要求，加嚴了NOx氮氧化物排放要求；歐六b、c對比歐五，增加了顆粒物數量要求，其他排放物要求不變。

從表1數據中分析，NMHC、NOx、PM和PN是主要加嚴限制對象，對于發動機和車輛排放開發的角度講，這類污染物排放要求就成了兩者的設計輸入，也是絕大多數車輛開發的主要路徑。

2.3排放測試中常用計算方法

氣體排放物，長期檢測分析發現，其排放物質量和測量到的排氣體積成正比，測量時氣體溫度、壓力、濕度換算成統一標準狀態，對排氣體積進行修正，這樣排放物質量和修正后的體積成正比，一般設備選取定容取樣方法，只抽取一部分氣體，并進行稀釋，記錄稀釋前后的氣體濃度比進，這樣實際排放物質量和稀釋濃度系數及稀釋后排氣修正體積成正比，這樣得到一定里程內的排放物總質量，也可換算成單位里程的氣體排放質量。

氣體污染物計算方法g/km

式中：

Mi— 污染物i的排放質量，g/km；

稀釋排氣的容積（校正至標準狀態273.2K和101.33k Pa），L/試驗；

在標準溫度和壓力（273.2K和101.33kPa）下污染物i 的密度，g/L；

kH— 計算氮氧化物的排放質量的濕度修正系數（對于THC、CH4和CO沒有濕度修正）；

Ci— 稀釋排氣中污染物i的濃度，并用稀釋空氣中所含污染物i的含量進行修正，ppm；

d— 相當于運行循環的實際距離，km。

一定里程內顆粒物排放質量和標準狀態下測得的排氣容積正比，和濾紙收集到的質量成正比，和標準狀態下，流經顆粒物收集濾紙的排氣容積成反比。

顆粒物質量計算方法（g/km）

式中：

V — 標準狀態下，稀釋排氣的容積，m3；

mix

Vep— 標準狀態下，流經顆粒物濾紙的排氣容積，m3；

Pe— 濾紙收集到的顆粒物質量，g；

d— 相當于運轉循環的實際距離，km；

Mp— 顆粒物排放量，g/km。

對于顆粒物數量的研究表明，一定里程內排放顆粒物數量和采集的排氣體積成正比，和標準狀態下測量到的顆粒物粒子濃度成正比，和顆粒物儀器的標定系數有關，和揮發性粒子的平均揮發系數有關。

顆粒物數量計算方法（數量/km）

式中：

N — 粒子排放的數量，以粒子數量/km表示；

V — 稀釋排氣的體積，L/試驗，并校正至標準狀態（273.2K及101.33kPa）；

k— 校正系數，當粒子計數器沒有校準時，k 是將粒子計數器的測量結果校正至基準儀器水平的系數；如果粒子計數器已經校準，則 k 值取1；正后稀釋排氣的粒子濃度，以完整

3排放試驗循環的平均粒子數/cm表示；如果粒子計數器得到的體積平均濃度結果不是標準狀態（273.2K，101.33kPa）下的，則該濃度應修正至標準狀態；

fr— 試驗時稀釋設定的揮發性粒子去除器的平均粒子濃度減縮系數；

其中：

Ci— 粒子計數器每次測量所得到的稀釋排氣中的粒子濃度，用粒子數量/cm3表示，并修正一致。

n — 運轉循環期間所進行粒子濃度測量的總次數，其計算公式如下：

其中：

T — 循環持續時間，s；

f— 粒子計數器的計數頻率，Hz。

以上測算公式，是排放中較為常用的排放計算方法，適用于車輛排放開發研究，也適用于排放認證檢測。

2.4測試數據

下圖1、2、3、4依據GB18235.5-2013對搭載缸內直噴汽油發動機某乘用車進行排放預研，得到的排放物總體過程趨勢圖。

從圖1上看，主要碳氫排放物集中在前200秒，冷機起動會產生大量的碳氫污染物，即較多的未燃燒汽油在車輛起動前200秒出現，是排放問題點，需要重點分析解決。

一氧化碳通常在缺氧的環境中產生，圖2上看，車輛冷機階段和車輛高速巡航階段占大部分，冷機階段主要是大量的未燃燒的燃油，高速階段燃燒周期短，每次噴油量較大，也會產生一氧化碳，重點需要分析優化這兩個階段。

氮氧化物通常來自富氧狀態，一般高速工況下，會出現較多的氮氧化物，從圖上看后端幾乎沒有氮氧化物，說明優化的比較理想，前面冷機階段，產生的氮氧化物占整個比例較大，需要進行分析優化。

從圖4中看，顆粒物排放較差，前200秒是顆粒物排放的主體，也就是冷起動+冷機運行階段會造成大量的顆粒物排放，我們需要重點防治PN排放，要嚴格控制冷機顆粒物排放，需要優化分析。

3　車輛排放影響因素和優化方向

對缸內直噴汽油發動機來講，排放的控制優化研究國內大部分廠商目前圍繞排放法規指標進行，根據車輛運行控制工況分成五個階段：車輛的起動、暖機、排放閉環控制、車輛過渡工況和催化劑加熱。

3.1起動、暖機控制

起動、暖機控制的是指發動機冷起動和冷起動之后發動機水溫逐步上升到熱機的過程。不同的燃油品質及溫度環境下，車輛經常出現起動失效和起動后轉速波動嚴重至熄火。對車輛起動和暖機控制的目的，就是保證車輛適用目標市場和各種溫度環境，同時兼顧車輛排放和油耗。

發動機起動、暖機噴油控制（圖5），一般情況下，發動機起動暖機可以分成三段，rang1、rang2和rang3。

rang1為同步階段，這個時候發動機馬達拖動，控制系統不進行噴油操作，這個階段主要完成對發動機活塞位置的識別，以便確定噴油時刻、點火時刻，混合氣組織等關鍵量，這個rang1階段對排放影響較小。

優化方向是快速準確識別發動機位置信息，減少這個階段的持續時間，如果發動機的高壓燃油泵要這個過程中建立高壓，則會相對延長持續時間。

rang2為起始噴油階段，這個時候發動機馬達將轉速提升到150轉左右，通過起始噴油和缸內的空氣混合，產生能量克服發動機阻力和加速慣量。圖3噴油fst系數比較大，實際噴油脈寬如圖4，一般情況低壓噴射較多燃油不利于混合氣均勻混合，使得部分燃燒較大的偏離理論14.7混合比，燃燒不充分造成廢氣和顆粒物排放，優化方向是改善混合氣，保證發動機起動順利同時減少排放，如加輔助起動電機等措施。

rang3暖機階段，噴油是兩個參數相作用fwl及fns，此階段持續比較長時間，這個過程中燃燒比較順利，但催化劑沒有達到工作溫度，所以燃燒廢氣無法進行催化轉化，出現較多的廢氣排放物。

優化方向主要側重于對后處理系統的加熱優化，激活三元催化劑，一般過程越快達到限值越好，通過增加排氣熱量、減少催化器到發動機排氣端距離、加輔助加熱措施、或者改善催化器適用較低溫度等手段，如圖6（a）、6（b）對比優化情況。

一般進一步研究內燃機相關扭矩算法，可以用來作為排放控制的參考邊界：

其中：

Minternal缸內扭矩

Minternal，opt空燃比=1，缸內扭矩

N發動機轉速

Rl發動機負荷

λ空燃比

h（RED） 斷缸效率

h（λ）空燃比效率參考試驗測試結果圖5

h（ZW） 點火效率

在發動機拖動轉速階段（約150轉～450轉），rang2、3中fst、fwl、fns因子，適當的加濃可以增加扭矩輸出，改善發動機起動特性；又由于發動機rang1中不噴油，發動機和燃燒接觸的壁面會吸收一部分燃油，就造成實際參與做功的燃油量減少，就需要多噴油來彌補這方面不足，更多解釋見過渡工況。經驗來看過多的加濃會出現扭矩惡化，為此起動rang2、rang3中不可以過多的增加fst、fwl、fns因子。起動及部分暖機過程中后處理不工作，所有的廢氣都直接排放到大氣中，要通過優化起動噴油因子，保證順利起動和暖機的同時盡量減少廢氣排放。

綜合起動暖機過程開發經驗，也對顆粒物PN進行優化，結果對比如下圖7：

3.2閉環控制

閉環控制根據控制目標和實際結果的偏差，采取比例、積分、微分等補償值反饋到實際控制目標的輸入端的那些因素中去。目前三元催化器可以轉化NOx、THC、CO排放物，參考催化技術，這三類的的轉化拐點如圖8，GB18352中規定各類排放物限值單位是g/km，通常都會以減少NOx為控制中心，同時催化器轉化廢氣效率窗口范圍很窄，稍微超出邊界就會造成較大的排放物超標，為此引入穩態工況閉環控制。主要通過PID方法結合氧信號對噴油進行調節，如下圖9（a）：

車輛經常出現加速減速，工況復雜，會帶來混合氣偏濃偏稀等問題，閉環控制優化的方向選取閉環控制中心、PID調節和與催化器儲氧清氧能力相匹配，優化示意如圖9（b），9（c）：

3.3過渡工況控制

過渡工況控制是指車輛加速減工況，這個時候發動機燃燒工質不是穩態而是變化的，變化工質對燃燒能量的影響按照穩態無法估算，所以對其研究并引入到實際控制中去。判斷過渡工況的條件很多，主要是車輛加速和減少過程，行程邏輯標志位。

具體的，用來計算噴油量的進氣負荷信號與進氣門關閉時的實際負荷存在死時間是沒辦法消除的，進氣門關閉時刻進氣門前進氣壓力不能由測量到的進氣壓力真實反應出來，動態情況下，進氣管內壓力變化會導致壓力傳感器或質量流量計測到的負荷變化不能真實反應汽缸進氣量的變化，圖10（a）簡示進氣系統和系統測點，這些重復說明過渡工況的重要性。

還有部分匹配的汽油機是側噴型，通過進氣將燃油混合吸入缸內，這樣就存在部分燃油附著在進氣管壁形成油膜，油膜量的多少是根據進氣壓力的變化而變化，而系統的基本噴油量是基于穩定的進氣壓力下計算過來的，所以動態油膜的變化，直接影響到進入汽缸的混合氣實際空燃比，圖10（b）：

根據3.2章節閉環控制，當催化器在處理轉化能力之內，就可以減少廢氣排出催化器。對過渡工況進行優化，改進目標是控制空燃比不能過大和過長時間偏離中心，優化結果示意圖10（c），10（d）。

3.4催化器加熱

催化器加熱是指車輛冷起動過程中，利用催化器本體之外的能量將催化劑加熱到一個合理溫度，這個溫度環境使得催化器能能轉化排放廢氣。這是排放優化的關鍵路徑，是影響車輛排放的關鍵因素，優化方法通常是劣化燃燒效率，推遲點火時刻，讓內熱較少轉化成機械能，較多的熱量會加熱催化器，另外，有些車輛應用催化器輔助加熱工具，可以幫助催化器更短時間工作。

圖示11，催化器載體前1/3芯部溫升曲線，冷機起動后10秒可達到350攝氏度。

4　結論：

本文闡述了車輛排放影響因素：車輛的起動、暖機、排放閉環控制、車輛過渡工況和催化劑加熱，做個對比優化分析，小結如下：

⑴ 起動和暖機控制優化可以減少車輛廢氣和PN顆粒物排放；

⑵ 催化器快速加熱可以減少廢氣排放；

⑶ 閉環控制圍繞催化器轉化窗口配合催化器儲氧能力，可以減少車輛排放廢氣；

⑷ 過渡工況優化控制，可以減少空燃比過濃過稀，可以減少加減速過程排放超標。

車輛排放目標可以控制到合理的限值內，后續建議對車輛的非排放檢測工況進行研究，借助電子控制、硬件設計匹配，有利于更全面的控制車輛排放。

［1］國家環境保護部 GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）.

［2］國家環境保護部GB 18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國III、IV階段）.

［3］《環境科學研究期刊》 我國城市汽車行駛工況調查研究 劉希玲 丁焰.

［4］《第1屆全國工業催化技術及應用年會論文集》機動車尾氣催化凈化技術 李俊華 郝吉明 傅立新.

［5］《中國礦產大學（北京）》京津唐城市群大氣PM_（10）和PM_（2.5）理化特征及健康效應研究.

專家推薦

逯海：

文章簡單易懂，從5個方面（啟動、暖機、排放閉環控制、車輛過渡工況和催化劑加熱）優化“排氣污染物控制系統”來減少排氣污染物（CO、HC、NOX、PN）排放量，并提出了不同階段的優化具體措施。文中所闡述的5種優化措施是標定輕型車經濟性、排放達標工作的關鍵技術。該文章有應用價值、同意推薦發表。

Vehicle emission affect factors analysis and optimizations

ZOU Jiang1， ZHANG Jing2
（1. Beijing Benz Automotive Co.，Ltd.Beijing 100176 ； 2. SAIC GM WulingAutomotive Co.，Ltd Liuzhou 545007）

For reducing exhaust pollution， this paper talks about some factors and their optimizations which effect in vehicle emission. Those factors are vehicle start， engine warm up ，emission close loop control， vehicle blending cycle and catalyst heating and so on ， and the paper give suggestion about the factors.

Pollution； Emission； Vehicle； Factor； Optimization

TK411+.51

A

1005-2550（2015）03-0038-06

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.03.008

2015-03-06