雙離合變速器整車排放開發關鍵點

李杰 黃偉 王洪靜 馬標 張應兵

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心）

對油耗和舒適性的追求使得人們對汽油直噴（GDI）發動機和自動變速箱車型的需求量越來越大，但是尾氣排放對大氣的污染也不容忽視，為此國家制訂了嚴格的第五階段排放法規，促使汽車生產廠商提升技術，以達到節能減排的目標[1]。文章探討了搭載GDI發動機和濕式DCT變速箱的整車開展國Ⅴ排放開發的策略及標定優化方法，基于對國Ⅴ排放法規的解讀，并通過對實車排放控制參數和排放結果的分析，提出了燃油二次噴射、起步、充油和換擋[2]及后處理的設計參數等綜合優化方法，通過標定參數的優化達到了開發目標的要求[3]。

1 目標車分析

1.1 試驗車參數

試驗車的主要參數，如表1所示。

表1 試驗車主要參數

1.2 目標車特點及對排放的影響

目標車的特點，如表2所示。

表2 目標車型特點分析

基于表2中所列的結果，在排放開發方面需要重點關注3個方面：1）發動機工作方式的改變帶來的催化器設計的優化；2）直噴發動機噴油方式對排放控制的影響；3）濕式DCT的充油、起步和換擋控制對排放結果的影響。在實際開發中發現變速箱側有3個因素會對排放帶來明顯的影響，具體為：a.國Ⅴ排放法規規定：自動擋車型在啟動后換擋桿必須一直置于D擋模式[4]，而離合器的充油控制對啟動后的蠕動性能影響巨大，如果充油偏小，離合器響應偏慢，反之，充油過充的話，很可能導致發動機熄火[5]，這2種情況都會造成排放污染物的超標；b.起步工況：為了成功達到測試循環爬坡工況的要求，電子控制單元（ECU）和自動變速器控制單元（TCU）聯合控制的起步尤為重要，以期達到迅速準確地響應駕駛員的操作要求，如果起步控制不夠優化，起步階段的發動機轉速會上漂或被拉低甚至熄火，對污染物的產生帶來致命影響[6]；c.行駛工況：換擋線標定影響換擋點的提前或延遲，會影響整體污染物的總量。

2 國Ⅴ排放法規分析

GB18352.5—2013法規使用NEDC循環（新歐洲駕駛測試循環）工況，該測試循環由4個城市工況和1個城郊工況構成，如圖1所示，解析信息，如表3所示。

圖1 NEDC測試循環工況

表3 NEDC循環工況解析

基于對測試循環的分析，可以看出，啟動、起步、換擋及離合器油壓控制和催化器設計是達到整車排放開發目標的關鍵，下面圍繞這些關鍵要素展開討論。

3 整車排放開發技術方案

3.1 排放摸底

對裝有新鮮催化器的試驗車進行摸底試驗，根據采集的ECU和TCU側數據和排放秒采數據，分析排放超標的成因，有針對性的優化控制策略和催化器設計參數。

圖2 某型整車的后處理裝置布置圖

圖3 國Ⅴ排放測試系統示意圖

圖4 試驗車摸底測試時排放秒采值曲線

圖5 某型整車排放摸底EMS控制信號截圖

表4 某型整車的摸底排放結果 g/km

試驗車使用查表法加載，加載系數根據試驗車的整備質量查詢得到，試驗廢氣經過稀釋后進入CVS-4000型定容采樣系統和AMA-4000型氣態排放物分析系統，經過系統分析后得到試驗結果[7]。后處理裝置的布置，如圖2所示；排放測試系統示意圖，如圖3所示；排放秒采值曲線，如圖4所示；排放摸底EMS控制信號截圖，如圖5所示；摸底結果，如表4所示。綜合分析圖4的污染物秒采數據和圖5的EMS側的控制信號可以看到，該車型的排放壓力主要來自于HC和NOx污染物（NMHC的趨勢與HC相同），HC的尖峰主要出現在第1個ECE15循環和EUDC循環，而NOx的尖峰則基本上在每一個起步加速工況都會出現，其原因是：1）起動階段的噴油控制方式不合理，需要針對性的進行優化；2）起步控制不夠精確，導致發動機轉速低于安全轉速較多，會引起熄火的風險，涉及到TCU的起步和充油控制及發動機扭矩的控制精度；3）換擋時的發動機轉速存在波動，與TCU的換擋控制和發動機扭矩控制精度相關[8]；4）催化器的涂層參數設計還需要再優化。

3.2 催化器優化設計

結合ECU的控制數據，從排放摸底的結果分析得到催化器調整和優化方案，如表5所示。通過增加載體直徑、增加前級催化器的目數/壁厚比和貴金屬濃度等設計參數，得到了優化后的后處理方案，后續討論都基于此方案開展。

表5 催化器調整和優化方案對比

3.3 燃油噴射模式介紹

GDI發動機采用的高壓共軌噴油系統具有很高的動態特性，能夠在一個工作循環內實現多段噴射[9]。為了優化排放，可以利用該特性加速催化器的升溫速度，即在進氣行程和壓縮行程各噴射一次燃油，會使催化器快速起燃，從而可以有效降低HC的排放。燃油2次噴射脈寬示意圖，如圖6所示。

圖6 GDI燃油2次噴射脈寬示意圖

3.4 變速箱控制策略

3.4.1 起步控制策略

變速箱TCU的控制主要圍繞著起步、換擋及離合器油壓控制展開，DCT起步控制示意圖，如圖7所示。

圖7 雙離合變速器（DCT）起步控制示意圖

起步控制精度對排放的影響體現在起步過快、轉速可能下跌甚至產生熄火的風險；起步過慢，則大量的發動機能量消耗在離合器滑摩過程中。基于此，把起步劃分為4個階段。

1）起步準備階段：油壓預充到離合器的半聯動點，以節約起步的準備時間；2）發動機轉速快速提升階段：根據駕駛員踩下油門踏板的開度大小和變化斜率，由TCU根據實際工況計算得出目標發動機轉速和轉速上升的斜率；3）轉速預同步閉環調節階段：當發動機轉速提升到與期望轉速的差值小于150 r/min時，進入轉速同步前的閉環PID控制階段，目標是使轉速同步過程平順，為進入滑摩控制做準備；4）轉速同步后的滑摩控制階段：該階段的控制基于離合器的主動盤和從動盤角速度的滑差，滑摩控制的目標是保持轉速差在一個合理的范圍內，保證DCT的高傳動效率，以達到良好的駕駛舒適性。

圖8示出應用該策略的15%油門開度的起步曲線截圖。

圖8 起步階段離合器壓力曲線截圖

3.4.2 換擋過程控制

NEDC排放循環中會出現多次換檔操作，與TCU的控制策略相對應的是降扭請求和離合器壓力的交替控制，不合理的降扭請求會導致升擋后轉速無法同步導致換擋失敗[10]。離合器壓力的控制精度則直接影響了換擋過程的速度，這些因素都會直接或間接的影響排放的結果。圖9和圖10分別示出換擋過程的離合器壓力交替控制和發動機降扭控制的曲線截圖，圖11示出優化后在NEDC循環中采集的TCU控制信號截圖。由圖9可以看到，經過優化的離合器壓力信號跟隨性較好，油壓控制誤差為1.6 kPa；由圖10可以看到，ECU對TCU發出的降扭請求響應的誤差為1.4 N·m，可以精確的滿足變速箱升擋時扭矩控制的需求。

圖9 換擋過程離合器壓力交替曲線截圖（15%油門踏板）

圖10 換檔過程ECU降扭響應曲線截圖

圖11 優化后NEDC循環中TCU控制曲線截圖

基于上述方案，對3輛試驗樣車分別進行2次排放試驗，其排放結果，如表6所示。從表6可以看出，乘以劣化系數后各項指標都在國Ⅴ排放法規限值以內，滿足工程目標的要求。

表6 NEDC排放循環中樣車排放結果g/km

4 結論

分析了國家第五階段排放法規GB 18352.3—2013中NEDC循環的特點，基于直噴發動機和濕式DCT整車的特點，從起步控制、離合器壓力控制和扭矩控制及催化器的設計等方面進行了系統的思考和設計優化，經過實車標定優化和試驗實現了國Ⅴ開發目標的要求，各項污染物都在限值的60%以內。下一步工作將圍繞國Ⅵ排放法規征求意見稿提出的基于WLTC的測試循環對發動機工況模式的變化開展控制策略和標定參數的優化工作。