车辆排放影响因素分析及优化

邹江，张晶

（1.北京奔驰汽车有限公司，北京100176；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

车辆排放影响因素分析及优化

邹江1，张晶2

（1.北京奔驰汽车有限公司，北京100176；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007）

本文对影响车辆排放的因素进行了分析和优化，目的是为了减少有害物的排放，从车辆的启动、暖机、排放闭环控制、车辆过渡工况和催化剂加热五个方面讨论了影响车辆排放性能的因素，并就这五个方面提出了相应的优化建议。

污染；排放；车辆；因素；优化

邹江

毕业于江苏大学，现任北汽奔驰汽车有限公司进排气系统工程师，研究方向：整车排放及整车标定。

1　引言

空气污染已经成为当前影响人们生活的一个越来越重要的问题，大气中的有毒气体如碳氢化合物、一氧化碳和微小颗粒PM2.5等，对人体伤害越来越引起人们的担心。在汽车保有量不断增加的今天，汽车尾气排放污染成为人们都需要面对的难题和挑战。随着排放法规的日趋严格，各项应对排放法规的先进汽车技术成为各大企业研究的重点，其中发动机缸内直喷技术亦是当下各大汽车主机厂的应用的热点，本文将基于缸内直喷发动机汽车，对车辆进行排放测试研究，文章从车辆的启动、暖机、排放闭环控制、车辆过渡工况和催化剂加热五个方面对影响车辆排放性能的因素进行讨论，并就这五个方面提出了相应的优化建议。

2　国家几个阶段排放法规要求限值对比

2.1法规限值

我国排放法规近年来是借鉴欧盟ECE排放法规（表1），排放限制上国内通常称国二、国三、国四、国五，国内排放法规称呼上对应欧盟ECE排放法规是欧洲二期（简称欧二，其他类似）、欧三、欧四、欧五。欧五排放法规实施和欧四对比，增加了非甲烷碳氢NMHC和颗粒物PM质量要求，欧六b、c排放法规实施和欧五对比主要增加了PN颗粒物数量要求，欧五排放和欧六b、c排放中PM和PN仅对缸内直喷汽油发动机要求，对侧喷汽油发动机不做要求。

表1　ECE欧盟汽油机轻型车排放法规限值数据

2.2限值分析

从表1限值变化上对比分析，欧五对比欧四排放限值新增加了NMHC、PM要求，加严了NOx氮氧化物排放要求；欧六b、c对比欧五，增加了颗粒物数量要求，其他排放物要求不变。

从表1数据中分析，NMHC、NOx、PM和PN是主要加严限制对象，对于发动机和车辆排放开发的角度讲，这类污染物排放要求就成了两者的设计输入，也是绝大多数车辆开发的主要路径。

2.3排放测试中常用计算方法

气体排放物，长期检测分析发现，其排放物质量和测量到的排气体积成正比，测量时气体温度、压力、湿度换算成统一标准状态，对排气体积进行修正，这样排放物质量和修正后的体积成正比，一般设备选取定容取样方法，只抽取一部分气体，并进行稀释，记录稀释前后的气体浓度比进，这样实际排放物质量和稀释浓度系数及稀释后排气修正体积成正比，这样得到一定里程内的排放物总质量，也可换算成单位里程的气体排放质量。

气体污染物计算方法g/km

式中：

Mi— 污染物i的排放质量，g/km；

稀释排气的容积（校正至标准状态273.2K和101.33k Pa），L/试验；

在标准温度和压力（273.2K和101.33kPa）下污染物i 的密度，g/L；

kH— 计算氮氧化物的排放质量的湿度修正系数（对于THC、CH4和CO没有湿度修正）；

Ci— 稀释排气中污染物i的浓度，并用稀释空气中所含污染物i的含量进行修正，ppm；

d— 相当于运行循环的实际距离，km。

一定里程内颗粒物排放质量和标准状态下测得的排气容积正比，和滤纸收集到的质量成正比，和标准状态下，流经颗粒物收集滤纸的排气容积成反比。

颗粒物质量计算方法（g/km）

式中：

V — 标准状态下，稀释排气的容积，m3；

mix

Vep— 标准状态下，流经颗粒物滤纸的排气容积，m3；

Pe— 滤纸收集到的颗粒物质量，g；

d— 相当于运转循环的实际距离，km；

Mp— 颗粒物排放量，g/km。

对于颗粒物数量的研究表明，一定里程内排放颗粒物数量和采集的排气体积成正比，和标准状态下测量到的颗粒物粒子浓度成正比，和颗粒物仪器的标定系数有关，和挥发性粒子的平均挥发系数有关。

颗粒物数量计算方法（数量/km）

式中：

N — 粒子排放的数量，以粒子数量/km表示；

V — 稀释排气的体积，L/试验，并校正至标准状态（273.2K及101.33kPa）；

k— 校正系数，当粒子计数器没有校准时，k 是将粒子计数器的测量结果校正至基准仪器水平的系数；如果粒子计数器已经校准，则 k 值取1；正后稀释排气的粒子浓度，以完整

3排放试验循环的平均粒子数/cm表示；如果粒子计数器得到的体积平均浓度结果不是标准状态（273.2K，101.33kPa）下的，则该浓度应修正至标准状态；

fr— 试验时稀释设定的挥发性粒子去除器的平均粒子浓度减缩系数；

其中：

Ci— 粒子计数器每次测量所得到的稀释排气中的粒子浓度，用粒子数量/cm3表示，并修正一致。

n — 运转循环期间所进行粒子浓度测量的总次数，其计算公式如下：

其中：

T — 循环持续时间，s；

f— 粒子计数器的计数频率，Hz。

以上测算公式，是排放中较为常用的排放计算方法，适用于车辆排放开发研究，也适用于排放认证检测。

2.4测试数据

下图1、2、3、4依据GB18235.5-2013对搭载缸内直喷汽油发动机某乘用车进行排放预研，得到的排放物总体过程趋势图。

从图1上看，主要碳氢排放物集中在前200秒，冷机起动会产生大量的碳氢污染物，即较多的未燃烧汽油在车辆起动前200秒出现，是排放问题点，需要重点分析解决。

一氧化碳通常在缺氧的环境中产生，图2上看，车辆冷机阶段和车辆高速巡航阶段占大部分，冷机阶段主要是大量的未燃烧的燃油，高速阶段燃烧周期短，每次喷油量较大，也会产生一氧化碳，重点需要分析优化这两个阶段。

氮氧化物通常来自富氧状态，一般高速工况下，会出现较多的氮氧化物，从图上看后端几乎没有氮氧化物，说明优化的比较理想，前面冷机阶段，产生的氮氧化物占整个比例较大，需要进行分析优化。

从图4中看，颗粒物排放较差，前200秒是颗粒物排放的主体，也就是冷起动+冷机运行阶段会造成大量的颗粒物排放，我们需要重点防治PN排放，要严格控制冷机颗粒物排放，需要优化分析。

3　车辆排放影响因素和优化方向

对缸内直喷汽油发动机来讲，排放的控制优化研究国内大部分厂商目前围绕排放法规指标进行，根据车辆运行控制工况分成五个阶段：车辆的起动、暖机、排放闭环控制、车辆过渡工况和催化剂加热。

3.1起动、暖机控制

起动、暖机控制的是指发动机冷起动和冷起动之后发动机水温逐步上升到热机的过程。不同的燃油品质及温度环境下，车辆经常出现起动失效和起动后转速波动严重至熄火。对车辆起动和暖机控制的目的，就是保证车辆适用目标市场和各种温度环境，同时兼顾车辆排放和油耗。

发动机起动、暖机喷油控制（图5），一般情况下，发动机起动暖机可以分成三段，rang1、rang2和rang3。

rang1为同步阶段，这个时候发动机马达拖动，控制系统不进行喷油操作，这个阶段主要完成对发动机活塞位置的识别，以便确定喷油时刻、点火时刻，混合气组织等关键量，这个rang1阶段对排放影响较小。

优化方向是快速准确识别发动机位置信息，减少这个阶段的持续时间，如果发动机的高压燃油泵要这个过程中建立高压，则会相对延长持续时间。

rang2为起始喷油阶段，这个时候发动机马达将转速提升到150转左右，通过起始喷油和缸内的空气混合，产生能量克服发动机阻力和加速惯量。图3喷油fst系数比较大，实际喷油脉宽如图4，一般情况低压喷射较多燃油不利于混合气均匀混合，使得部分燃烧较大的偏离理论14.7混合比，燃烧不充分造成废气和颗粒物排放，优化方向是改善混合气，保证发动机起动顺利同时减少排放，如加辅助起动电机等措施。

rang3暖机阶段，喷油是两个参数相作用fwl及fns，此阶段持续比较长时间，这个过程中燃烧比较顺利，但催化剂没有达到工作温度，所以燃烧废气无法进行催化转化，出现较多的废气排放物。

优化方向主要侧重于对后处理系统的加热优化，激活三元催化剂，一般过程越快达到限值越好，通过增加排气热量、减少催化器到发动机排气端距离、加辅助加热措施、或者改善催化器适用较低温度等手段，如图6（a）、6（b）对比优化情况。

一般进一步研究内燃机相关扭矩算法，可以用来作为排放控制的参考边界：

其中：

Minternal缸内扭矩

Minternal，opt空燃比=1，缸内扭矩

N发动机转速

Rl发动机负荷

λ空燃比

h（RED） 断缸效率

h（λ）空燃比效率参考试验测试结果图5

h（ZW） 点火效率

在发动机拖动转速阶段（约150转～450转），rang2、3中fst、fwl、fns因子，适当的加浓可以增加扭矩输出，改善发动机起动特性；又由于发动机rang1中不喷油，发动机和燃烧接触的壁面会吸收一部分燃油，就造成实际参与做功的燃油量减少，就需要多喷油来弥补这方面不足，更多解释见过渡工况。经验来看过多的加浓会出现扭矩恶化，为此起动rang2、rang3中不可以过多的增加fst、fwl、fns因子。起动及部分暖机过程中后处理不工作，所有的废气都直接排放到大气中，要通过优化起动喷油因子，保证顺利起动和暖机的同时尽量减少废气排放。

综合起动暖机过程开发经验，也对颗粒物PN进行优化，结果对比如下图7：

3.2闭环控制

闭环控制根据控制目标和实际结果的偏差，采取比例、积分、微分等补偿值反馈到实际控制目标的输入端的那些因素中去。目前三元催化器可以转化NOx、THC、CO排放物，参考催化技术，这三类的的转化拐点如图8，GB18352中规定各类排放物限值单位是g/km，通常都会以减少NOx为控制中心，同时催化器转化废气效率窗口范围很窄，稍微超出边界就会造成较大的排放物超标，为此引入稳态工况闭环控制。主要通过PID方法结合氧信号对喷油进行调节，如下图9（a）：

车辆经常出现加速减速，工况复杂，会带来混合气偏浓偏稀等问题，闭环控制优化的方向选取闭环控制中心、PID调节和与催化器储氧清氧能力相匹配，优化示意如图9（b），9（c）：

3.3过渡工况控制

过渡工况控制是指车辆加速减工况，这个时候发动机燃烧工质不是稳态而是变化的，变化工质对燃烧能量的影响按照稳态无法估算，所以对其研究并引入到实际控制中去。判断过渡工况的条件很多，主要是车辆加速和减少过程，行程逻辑标志位。

具体的，用来计算喷油量的进气负荷信号与进气门关闭时的实际负荷存在死时间是没办法消除的，进气门关闭时刻进气门前进气压力不能由测量到的进气压力真实反应出来，动态情况下，进气管内压力变化会导致压力传感器或质量流量计测到的负荷变化不能真实反应汽缸进气量的变化，图10（a）简示进气系统和系统测点，这些重复说明过渡工况的重要性。

还有部分匹配的汽油机是侧喷型，通过进气将燃油混合吸入缸内，这样就存在部分燃油附着在进气管壁形成油膜，油膜量的多少是根据进气压力的变化而变化，而系统的基本喷油量是基于稳定的进气压力下计算过来的，所以动态油膜的变化，直接影响到进入汽缸的混合气实际空燃比，图10（b）：

根据3.2章节闭环控制，当催化器在处理转化能力之内，就可以减少废气排出催化器。对过渡工况进行优化，改进目标是控制空燃比不能过大和过长时间偏离中心，优化结果示意图10（c），10（d）。

3.4催化器加热

催化器加热是指车辆冷起动过程中，利用催化器本体之外的能量将催化剂加热到一个合理温度，这个温度环境使得催化器能能转化排放废气。这是排放优化的关键路径，是影响车辆排放的关键因素，优化方法通常是劣化燃烧效率，推迟点火时刻，让内热较少转化成机械能，较多的热量会加热催化器，另外，有些车辆应用催化器辅助加热工具，可以帮助催化器更短时间工作。

图示11，催化器载体前1/3芯部温升曲线，冷机起动后10秒可达到350摄氏度。

4　结论：

本文阐述了车辆排放影响因素：车辆的起动、暖机、排放闭环控制、车辆过渡工况和催化剂加热，做个对比优化分析，小结如下：

⑴ 起动和暖机控制优化可以减少车辆废气和PN颗粒物排放；

⑵ 催化器快速加热可以减少废气排放；

⑶ 闭环控制围绕催化器转化窗口配合催化器储氧能力，可以减少车辆排放废气；

⑷ 过渡工况优化控制，可以减少空燃比过浓过稀，可以减少加减速过程排放超标。

车辆排放目标可以控制到合理的限值内，后续建议对车辆的非排放检测工况进行研究，借助电子控制、硬件设计匹配，有利于更全面的控制车辆排放。

［1］国家环境保护部 GB18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）.

［2］国家环境保护部GB 18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）.

［3］《环境科学研究期刊》 我国城市汽车行驶工况调查研究 刘希玲 丁焰.

［4］《第1届全国工业催化技术及应用年会论文集》机动车尾气催化净化技术 李俊华 郝吉明 傅立新.

［5］《中国矿产大学（北京）》京津唐城市群大气PM_（10）和PM_（2.5）理化特征及健康效应研究.

专家推荐

逯海：

文章简单易懂，从5个方面（启动、暖机、排放闭环控制、车辆过渡工况和催化剂加热）优化“排气污染物控制系统”来减少排气污染物（CO、HC、NOX、PN）排放量，并提出了不同阶段的优化具体措施。文中所阐述的5种优化措施是标定轻型车经济性、排放达标工作的关键技术。该文章有应用价值、同意推荐发表。

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