基于某車型NEDC 循環排放標定的研究

吳哲，趙強

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230022）

引言

隨著汽車工業的高速發展，汽車保有量的急劇增加，發動機的排氣污染與噪聲污染已成為地球環境的主要污染源，特別是發動機有害排放物對城市的大氣構成了嚴重威脅。發動機排放污染物有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物和微粒等，這些污染物對人體健康造成了很大危害[1]。國家法規部門對車輛排放有嚴格的規定，明確了各污染物的排放限值，汽車設計開發的過程中排放控制壓力巨大，因此排放標定工作顯得尤為重要。

1 混合氣對污染物的影響

對發動機氣體污染物影響的因素較多，主要有混合氣濃度、點火時刻、發動機負荷和轉速等。本文基于主要的影響因素混合氣濃度進行排放標定研究。

汽油機是一種預混燃燒，其可燃混合氣濃度范圍較窄，且在冷機、滿負荷等工況下處于濃混合氣工作，混合氣濃度是影響排放的最主要的因素[2]。空燃比是表征混合氣濃度的一個參數，是指參與燃燒的氣體流量與汽油流量的比值，理論空燃比定義為標準狀態下汽油完全燃燒時的空燃比，約等于14.7。圖1 為混合氣成分對CO、HC、NOx 的影響曲線。

隨空燃比α下降混合氣變濃，燃燒時氧氣相對不足，不完全燃燒生成物增加，使CO、HC 迅速增加。在空燃比α大于14.7 以后CO 濃度已經很低了，但隨空燃比再繼續往偏稀的方向增加時，因混合氣不均勻造成局部缺氧仍然會有少量CO 生成。同時，因CO 氧化反應速度慢，燃燒溫度下降，使HC 排放量也增加。

NOx 峰值出現在理論空燃比偏稀的一側，而排溫與空燃比成正比關系，因此高的NOx 易產生于高溫、富氧工況。

HC 的產生與空燃比的趨勢則是兩端高、中間低：當濃混合氣逐漸變稀，在縫隙容積與激冷層中混合氣燃料比例減少，因此HC 量減少。處于最佳燃燒的α范圍內，HC 及油耗均為最低，但當混合氣過稀，火焰可能熄滅，導致未燃燒的燃料直接排出，因而HC 的生成量又會上升[2]。

圖1 污染物-空燃比關系圖

2 整車排放標定分析

本文基于某1.6VVT 汽油發動機的排放標定案例，運用第一節中關于影響污染物形成因素及控制的理論知識，對排放結果進行分析并對標定數據進行優化再驗證。

2.1 NEDC 循環排放控制原理

國五階段的NEDC 循環排放標定可劃分為三個部分：冷機控制，穩態控制，瞬態控制。

圖2 NEDC 循環

（1）冷機控制

我們將起動后的第一個城市循環定義為冷機階段，主要通過噴油、點火和進氣標定，使得在起動時空燃比控制在合理的指標，兼顧污染物和駕駛性能的控制，同時提高排氣溫度將催化器盡快加熱至高效轉化的溫度。

（2）穩態控制

在冷機控制后的城市循環穩速行駛及城郊循環，主要通過閉環燃油控制。穩態閉環控制原理是根據氧傳感器反饋的排氣中氧氣含量濃度，通過ECU 修正噴油脈寬，實時調整混合氣的濃度在催化器最佳的轉化窗口范圍內，有效降低三項排放污染物。

（3）瞬態控制

排放循環中除了冷機控制和穩態控制的部分，主要涉及了較為復雜的瞬態燃油，減速斷油，換擋等相關邏輯控制。

2.2 排放結果分析

國家第五階段排放限值如下表所示[3]。

表1 I 型試驗排放限值

車型信息如表2 所示。

表2 車輛參數信息

某次排放結果如表3 所示：

表3 第一次試驗排放結果

表4 分階段排放結果

對實時采集的污染物數據繪制時間—污染物流量圖如下圖3，結合表4 分階段的排放結果分析可見，污染物HC 較好，因此主要關注CO 和NOx 的優化，且NOx 主要集中在城郊高速循環階段。

圖3 NEDC 循環時間—污染物流量圖

（1）冷機階段

此階段CO 排放較差，NOx 控制較好，因此可以將起動空燃比進行減稀處理。

（2）穩態階段

在城郊循環100-120KM/H 加速階段CO 和NOx 均有較大量的排出，兩種污染物對空燃比的濃、稀反應結果恰好相反，因此回歸發動機此時的工況進行分析處理，如圖4 采集的INCA 數據所示在100-120KM/H 加速過程中，通過燃油控制模塊的快速學習值、積分學習值、氧傳感器濃稀信號指示等參數分析如下：

1）在數據1119 秒處，通過氧傳感器閉環反饋此時混合氣處于偏濃狀態，之后燃油積分值往負值方向調整，以控制減少噴油量來減稀空燃比。

2）在數據1135 秒處，燃油學習值處于最小值，噴油量負修正處于最大值，后氧傳感器信號開始下行，指示混合氣處于偏稀狀態。

3）113 5 秒之后，燃油修正值開始往正值方向調整，直至穩定。

以上數據結合圖3 對應分析：在1119 秒附近，由于空燃比偏濃，混合氣燃燒不充分，產生較多的CO 污染物；隨后閉環控制開始調節噴油量，空燃比開始減稀，由于燃油修正速率和幅度超調，導致隨后的高溫、富氧工況產生較多的NOx 污染物。

圖4 NEDC 循環發動機運行工況圖

（3）瞬態階段

城市循環階段一檔升二檔工況均有CO 產生，因此鎖定該穩態閉環控制的特定工況點進行調整，對INCA 采集的ECU 數據分析。

3 排放標定優化與驗證

根據上一章節的分析，對標定控制做了調整后再驗證。

3.1 標定優化

（1）冷機階段

調整20-30 攝氏度的起動空燃比；

（2）穩態階段

將2.2 節中分析工況下的發動機運行參數記錄在表5 中，根據燃油修正值的偏差值調整不同工況點下的充氣模型、空燃比濃稀限值等參數，目的是使得空燃比修正值穩定在1 附近。

（3）瞬態階段

表5 發動機運行參數記錄表

調整CO 污染物產生工況（城市循環階段一檔升二檔）下的發動機加速、減速及換擋斷油等瞬態燃油控制。

3.2 標定結果驗證

對3.1 節中調整的標定數據后再驗證，結果如表6、表7所示。從分階段的排放結果表7 可見，城郊階段的NOx 污染物得到了有效控制，較之前有大幅的降低，圖5 顯示更為直觀。經過冷機起動、瞬態控制、穩態控制的標定優化，最終三種污染物均滿足法規要求，且與法規限值相比余量較大。

表6 第二次試驗排放結果

表7 分階段排放結果

圖5 NEDC 循環時間—污染物流量圖

4 結論

本文基于某車型的排放結果進行數據分析和標定控制優化，通過再驗證結果證明了分析的準確和控制優化的有效可行，提供了一種排放標定的思路：在某兩種對空燃比濃、稀反應矛盾的污染物幾乎同時產生時，原因是閉環控制的超調導致，例如本文中的CO 和NOx 同時產生是由于前一個工況發動機充氣模型的偏差導致混合氣偏濃產生CO，緊接著基于氧傳感器反饋的閉環控制系統開始快速調節，導致隨后的工況空燃比調節至一個偏稀的狀態導致NOx 的產生。調整初始工況下的相關標定，避免燃油修正值的大幅調整，使得空燃比控制準確，穩定在理論空燃比附近，提高三元催化器的轉化效率，從而大幅減少污染物的產生。

由于篇幅限制，本文未能對標定中閉環燃油控制原理進闡述，也未對具體的標定參數做詳細的說明和量化的擴展分析。后續工作應當更加深入的對排放污染物產生的機理及標定控制邏輯進行分析，更為系統和全面的做好國六排放開發工作。