汽油直噴發動機排放標定研究

張鵬飛

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林長春 130012）

汽油直噴發動機排放標定研究

張鵬飛

（一汽轎車股份有限公司產品部，吉林長春 130012）

隨著排放法規的不斷加嚴，排放標定越來越復雜。通過催化劑加熱及整車過渡工況等優化，最終滿足國V排放要求。本文詳細闡述催化劑加熱模式、過渡工況等試驗方法和研究過程。

催化劑加熱；過渡工況；排放秒采

隨著國V［1］排放法規的全面實施，以及國VI和京VI征求意見稿的下發，排放法規越來越嚴格，電控系統的復雜程度越來越高，標定的難度也隨之增加。找出行之有效的標定方法可以節約開發周期和降低開發成本。

排放標定分為臺架標定和整車標定兩部分，臺架主要對穩態原始排放及催化劑加熱效果進行優化，整車主要對起動、怠速和過渡工況等進行優化標定。

1 排放控制原理

汽車排放的主要污染物是由一氧化碳CO、碳氫化合物HC、氮氧化合物NOx、硫化物和PM（微粒物，由碳煙、鉛氧化物等重金屬氧化物和煙灰、油蒸氣）等組成。為了降低增壓直噴發動機的這些污染物的排放量，目前大多主機廠都采用三元催化劑的方式對尾氣進行凈化，國V階段基本夠用，但對于部分直噴發動機，應對國VI排放法規需要采用顆粒捕集器（GPF）方案。針對僅采用三元催化劑的車型，為了減少排放污染物，就需要重點關注催化劑的以下幾個特性。

1）起燃特性在某一溫度之前，催化劑的轉化效率特別低，當溫度達到某值之后，催化劑的轉化性能迅速提升，如圖1所示。通常將這個溫度叫做催化劑的起燃溫度。

圖1 催化劑轉化效率與催化劑溫度的關系

2）空燃比特性圖2為催化劑的空燃比特性曲線。一般在當量空燃比附近3種污染物的轉化效率最高，通常用轉化效率窗口表示，窗口的大小很大程度上取決于催化劑的儲氧能力（OSC）。

3）空速特性催化劑的空速特性即指規定的條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量，單位為m3／（m3催化劑·h），可簡化為h-1。

如圖3所示，可以將整個排放試驗過程分為3段。第1段即催化劑起燃之前，其特點是尾氣排放就是發動機的原始排放，標定核心是降低原始排放以及加快催化劑起燃速度；第2段即催化劑起燃之后到高速段之前，其特點是該段的污染物主要取決于催化劑的空燃比特性，標定核心是控制空燃比以及保持催化劑的儲氧能力；第3段即高速段，其特點主要受限于空速特性，標定核心是控制空燃比避免進入加濃保護和全負荷加濃等工況。

圖2 催化劑轉化效率曲線

圖3 排放試驗分析

2 臺架排放控制

為了提高標定效率加快標定進度，通過模擬計算，可以快速獲取在標準環境下的發動機負荷和轉速變化情況；利用臺架試驗設備的穩態優勢模擬這些工況，可以大幅提高標定效率，縮短標定開發周期。同時由于臺架標定是發動機標定的基礎，在臺架標定階段模擬整車進行催化劑加熱工況的選取，為整車標定提供必要的支撐和依據。

上述第1段的工作目標即找出原始排放較好且有利于催化劑加熱的工況。從幾種主要污染物產生的機理分析，該階段主要關注HC和排氣溫度。臺架標定需要進行以下幾個方面的掃點確認工作，就可以確認最佳的催化劑加熱工況。

1）點火角掃描試驗按照點火角掃描試驗方法，調整不同的點火提前角，并記錄相關試驗數據。數據處理時，選擇排放最好且排氣溫度較高的點，作為催化劑加熱工況的點火提前角，圖4和圖5為某車型發動機臺架催化劑加熱點火角綜合選點數據。分析數據可知，隨著點火角的減小（或點火角推遲增大），排氣溫度不斷上升，HC排放不斷下降，但是發動機的燃燒穩定性在不斷地下降。所以選點時必須考慮發動機燃燒穩定性，這里推薦燃燒穩定性IMEP COV（Indicated Mean Effective Pressure Covariance）至少小于18，否則有可能出現發動機抖動或者熄火的風險。

圖4 碳氫排放與點火角關系

圖5 催化劑加熱點火角綜合選點

2）燃油噴射掃描試驗由于直噴發動機一般采用多次噴射，為了找出多次噴射對催化劑加熱的影響，需要確認在不同燃油壓力情況下多次噴射的配比、多次噴射的噴油起始角和噴油結束角。按照掃點試驗方法，調整不同的燃油壓力、噴射配比、噴油提前角和結束角，記錄試驗數據。數據處理時，選擇排氣溫度較高且排放最好的點，作為噴油提前角的掃點結果。圖6為某車型發動機臺架催化劑加熱工況噴油起始角綜合選點數據，圖7為某車型發動機臺架催化劑加熱工況噴油結束角綜合選點數據。該案例中采用2次噴射，所以只需要確認第1次噴射的噴油起始角和第2次噴射的結束角并確認噴射比例，就可以完整地確認噴射特性。由于噴射方式直接影響HC和PM的生成，所以需要進行大量的試驗，確認合理的噴射規律。

3）進排氣VVT角度掃描試驗按照VVT（VariableValve Timing）掃描試驗方法，固定不同的排氣VVT角度、調整進氣VVT的角度進行掃描試驗，記錄試驗數據。數據處理時，選擇燃燒穩定、排氣溫度較高且排放最好的點，作為催化劑加熱工況下的進排氣VVT工作角度。圖8為某車型發動機臺架催化劑加熱工況進排氣開啟角度綜合選點數據。從數據上不難看出，在燃燒穩定性滿足設計要求的前提下，進氣VVT的開啟角度增大，HC排放降低，排氣溫度升高。

4）空燃比掃點試驗按照空燃比掃描試驗方法，設定不同目標空燃比，記錄相關數據。數據處理時，選擇燃燒溫度性較好、排放相對較高且排放結果相對同時結合催化劑空燃比特性的窗口中值附近的點，作為催化劑加熱工況的控制空燃比值。圖9為某車型發動機臺架催化劑加熱空燃比綜合選點數據。分析數據可知，隨著空燃比的變化，排溫、煙度、HC排放水平都成規律性變化。即隨著空燃比（或過量空氣系數）的增大，排溫上升，煙度降低，HC排放降低，燃燒穩定性變差。

圖6 催化劑加熱噴油起始角綜合選點

圖7 催化劑加熱噴油結束角綜合選點

3 整車排放控制

整車排放控制主要有空燃比閉環控制、催化劑加熱控制、過渡工況控制、催化劑吹洗控制等。

1）空燃比閉環控制由于氧傳感器為陶瓷元件，而且必須350℃附近才能正常工作，所以必須對氧傳感器加熱才能盡快進入閉環控制。由于露點的存在，氧傳感器加熱必須在露點之后，才能控制加熱電路進行加熱，否則影響傳感器的耐久。所以露點識別是氧傳感器加熱也是空燃比進入閉環的關鍵因素。露點的識別與排氣溫度上升曲線有直接關系，排氣溫度的上升曲線又受到催化劑加熱工況的影響。所以進入空燃比閉環控制也受到催化劑加熱工況的影響。

2）催化劑加熱控制通過臺架原始排放和催化劑加熱部分的研究，基本上已經選擇了燃燒穩定性較好、原始排放較低且排氣溫度較高的工況用于整車試驗，結合整車標定的其他工作要求，考慮怠速穩定性、乘坐舒適性、NVH等方面因素，對催化劑加熱工況進一步優化。整車標定需考慮的因素分別為：①原始排放；②轉速穩定性工程目標；③NVH工程目標；④整車駕駛性工程目標；⑤催化劑加熱效果；⑥零部件耐久要求。

綜合以上所有要求，通過數據分析的方式最終確認整車使用的催化劑加熱策略。另外，為了提高催化劑加熱的效率，自動擋車型中還采用了WARM UP策略。即當發動機控制單元有催化劑加熱需求時，在總線上發出催化器加熱需求，變速器控制單元收到需求后，激活變速器WARM UP控制，變速器會選擇低擋位運行，以保證發動機處于高轉速，這樣有利于催化劑加熱。

3）整車過渡工況優化在保證整車駕駛性前提下，由于受限于催化劑空燃比特性，要想提高催化劑轉化效率，就必須精確控制空燃比波動范圍。過渡工況主要針對進氣、點火、噴油等方面進行優化，最終達成過量空氣系數在1附近。控制精度在3%以內。這樣三元催化劑才能有效地發揮作用。

4）催化劑吹洗控制在裝備起停系統的車型上，催化劑吹洗控制對于催化器轉化能力的保證尤其重要。由于在發動機停機之后，新鮮空氣進入催化劑，催化劑內的氧含量升高，由于受到儲氧能力的限制，沒有足夠的空間繼續儲存氧原子。催化劑處于高溫富氧環境，給氮氧化合物NOx的產生提供了條件，導致再次起動發動機后氮氧化合物NOx急劇升高（圖10），尤其是在第2段后期和第3段的時候更加明顯。為了保證催化劑的儲氧能力，開啟催化劑吹洗功能，將多余的氧用于氧化反應，釋放催化劑的儲氧能力，有效地降低了氮氧化合物NOx的生成。

圖9 催化劑加熱空燃比綜合選點

圖10 未開啟催化劑吹洗功能的排放秒采數據

5）其他影響排放的標定工作我們已經將典型的影響排放的主要功能進行了一一講解，還有一些功能可能影響到排放標定或者會引發排放問題，如全負荷加濃、排溫保護、燃油自學習、氧傳感器診斷和催化劑診斷等都可能對排放結果產生重要影響，所以在排放標定過程中需要重點關注這些功能的工作情況。

4 排放優化結果

排放標定初期測量的排放秒采圖如圖11所示，污染物水平是國V排放目標的200%左右。經過采用催化劑加熱策略、優化閉環控制、優化過渡工況控制和開啟催化劑吹洗功能等，最終滿足國V排放要求，并滿足一次性通過法規的要求。優化標定后的排放秒采數據圖見圖12，不難看出，3段排放均有明顯下降，尤其是第2段和第3段經過優化后效果更佳。

Study on Gasoline Direct Injection Emission Regulation

ZHANG Peng-fei
（Products Development Department，FAW Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

With the development of increasingly strict emission regulation，the calibration of emission becomes even more complex.Through catalyst heating strategy and transition condition optimization，requirements of the national emission regulations could be met.The test methods and research process of catalyst heating mode and transition condition are described in detail.

catalyst heating；transition condition；emission data collection

U464

A

1003－8639（2016）11－0050－04

2016-01-26；

2016-07-22

張鵬飛（1983-），男，工程師，主要從事發動機電控系統開發和標定工作。