不同海拔下發動機參數對排放影響研究

劉煒 戴超麒 李東明

摘 要：通過某車型平原及高原的WLTC的對比排放測試采集相關發動機管理系統控制數據，將采集數據劃分出五個典型工況，在不同工況區間對比不同海拔下的發動機關鍵參數的排放物的相關系數，分析發動機控制參數在不同海拔間的表現差異。數據分析結果表明顯示不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差異，在熱機工況下，進氣VVT在平原高原的各排放相關系數趨勢不同，需要考慮在控制系統中針對這兩項控制引入海拔修正并進行相關標定工作。

關鍵詞：排放 控制參數 相關系數 海拔

Abstract：The relevant engine management system control data is collected through the WLTC comparative emission test of a certain vehicle model in the plain and plateau. The collected data is divided into five typical operating conditions， and the emission levels of key engine parameters at different altitudes are compared in different operating conditions. Correlation coefficients are used to analyze the performance differences of engine control parameters at different altitudes. The data analysis results show that there are differences in the offset characteristics of the working window of the catalyst at different altitudes. Under the thermal engine condition， the trends of the emission correlation coefficients of the intake VVT in the plain plateau are different. It is necessary to consider the introduction of these two controls into altitude correction and related calibration work in the control system.

Key words：emission， control parameter， correlation coefficient， altitude

我國地域遼闊車輛行駛環境差異大，如海拔1000米，2000米和3000米以上的地區分別占全國陸地總面積的58%，33%和26%[1]，所以高海拔環境也是我國汽車常見的駕駛區域。隨著海拔高度的升高，環境參數會發生變化，主要包括大氣壓力下降空氣密度減小，空氣含氧量減少[2]。這導致發動機在高海拔條件下工作會與平原出現不一樣的特征，有研究表明，在高海拔地區，發動機的動力性、經濟性、和排放性能等指標都會有顯著差異[3]。隨著車輛排放要求的日益嚴格，國六法規要求海拔拓展至2400米以及國家高原排放實驗室的建成，深入研究車輛高原排放特性，優化高原排放控制，對于我國移動污染源的節能減排有重大的意義。

目前對于高原排放的研究主要在發動機的排放特性。如隨著海拔增加Soot、CO排放量逐漸增加，而海拔對NOx影響在不同工況下表現不一致，且空燃比和點火角對NOx排放有直接影響[4][5]，在WLTC工況中，同一車輛在不同平均車速的排放因子呈現差異性分布[6]，以及實際道路排放中的駕駛行為參數的影響[7]。值得注意的是目前的車輛排放控制除了傳統的后處理技術，可靠智能的發動機管理控制系統也扮演著重要的角色，而高原環境下的發動機控制相關的研究內容相對缺失。

故本文基于某CVT車型的平原及高原WLTC循環排放測試數據，對比高原、平原發動機管理系統的重要參數對排放物產生的影響進行相關性分析，尋找不同階段下的各項尾氣排放物的關鍵控制參數，為高原排放控制提供有效的分析思路和優化方向。

1 實驗方案

按照GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中規定的方法和標準試驗條件，分別在海拔高度為0m及2000m的兩個符合法規要求的整車轉轂試驗室中完成I型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗），實驗車輛的主要技術參數見表1。

實驗設備見表2，主要包括環境倉、底盤測功機系統和排放分析系統等。

采集數據通過車載診斷接口讀取發動機管理系統的控制參數等變量信息，關鍵控制參數見表3。

2 實驗數據處理

2.1 時序校準

由于整車轉轂試驗臺的排氣污染物采樣與分析子系統輸出和發動機管理系統的控制參數，為兩個系統導出的數據，通過車速數據將兩組秒采數據進行時序校準，同時排放物從尾管排出到被分析儀感知，存在一個遲滯時間，將遲滯時間校準后的數據能夠將控制參數與瞬時排放進行關聯。

2.2 重采樣

由于排放分析儀的采樣頻率與由OBD獲取測量參數的采樣頻率不盡相同，需要對上述數據序列進行重采樣，本研究將數據的時間序列通過一定規則統一轉換為10Hz的頻率，方便后續處理及分析。

2.3 目標控制參數按照偏差量重新定義

對于受目標控制的變量，如空燃比、空燃比閉環控制因子、點火角、過渡工況控制因子、進排氣VVT等變量，按照相對目標的偏差量進行重新定義計算。公式如下：

2.4 WLTC工況劃分

在不同工況和發動機狀態下，排放特性的規律不盡相同。為了更好將控制參數以外的因素剔除，故人為將WLTC工況數據分為冷起動、暖機過程、熱機穩態、熱機瞬態、清氧等幾個區間，分別研究這幾個區間內控制參數對于各排放物水平的相關性。區間劃分原則見表4。

2.5 相關系數計算

在各個分區下，分別對各關鍵參數和排放CO、HC、NOx、PN計算相關系數，相關系數r的計算公式為：

式中x為各關鍵參數，y代表CO、NMHC、NOx、PN排放，由于發動機排放的相關因素較多，多為多參數綜合影響，所以在相關系數在0.4左右往上，即可人為該參數與排放有關。

3 實驗結果分析

不同工況區間的相關性分析結果如下：

3.1 冷起動及暖機工況

無論平原還是高原條件下，整車WLTC循環中的將近50%排放集中在起動和暖機過程，由于此時刻的排放物絕對量值較大，排放峰值時刻的控制參數大小直接影響相關系數的計算和正負關系，如圖1高原冷起動相關性所示，許多控制變量呈現相反的相關系數，故不適合做相關系數的對照分析。但可以用來識別該工況區域的重點控制參數，提供控制優化思路。

從整體的參數相關系數大小來看，發動機進氣量、進氣壓力、噴油量、扭矩、電瓶電壓、點火角催化器溫度和儲氧量是冷起動排放較為關鍵的參數。而暖機工況。進氣壓力、電瓶、空燃比、發動機扭矩幾個變量相關系數明顯下降而催中溫度和儲氧量明顯上升。從相關系數的大小和趨勢變化可以看出，對于起動工況合理的配置進氣噴油量參數，限制發動機扭矩和點火角是控制起動排放的關鍵，同時電瓶電壓這一外部條件會造成影響，試驗前需要保證電瓶電壓在正常水平。暖機過程更關注的是催化器起燃的快慢，優先級遠高于其他參數，故暖機過程的控制要點是保證催化器的快速起燃。

3.2 清氧工況

清氧工況的主要參數主要為后氧電壓、清氧目標空燃比、恢復供油系數等，這些控制參數的CO、NHMC、PN三個排放物的相關系數與NOx呈現明顯相反趨勢，故清氧工況的控制使需要平衡這三個排放物與NOx排放。

如圖2所示高原后氧電壓、催中溫度和儲氧量相對CO、NMHC、PN的相關系數明顯大于平原且高于0.5，說明在高原下排放對于清氧控制策略更為敏感且更有賴于催化器的工作狀態。同時NOx排放在不同海拔區域的差異不大，故高原的清氧工況應更注意CO、NMHC以及PN的排放控制。

3.3 熱機穩態及熱機瞬態工況

高原平原熱機穩態及熱機瞬態過程參數對排放物相關系數對比見圖3所示

在穩態工況區間，后氧電壓在高原平原熱機工況區間下的相關性表現出了一定差異。與暖機工況相似認為是催化器工作窗口偏移。進氣VVT對CO、NMHC、PN排放有影響，且呈負相關，通過提前開啟進氣VVT可以優化其排放，排氣VVT則無明顯的相關性。高原差異主要體現在PN上，高原進氣VVT與PN的關聯性下降。

在熱機瞬態工況區間，進氣VVT對于CO、NHMC、PN的排放物的相關系數在平原條件下是高于高原條件且呈負相關，說明通過進氣提前打開的策略在平原有利于降低CO、NHMC、PN的排放物。而在高原則效果下降尤其是對于CO。但是對于NOx在高原下呈現相反趨勢的相關系數，且差異明顯。故進氣VVT早開在高原會增加NOx的可能。

綜合熱機兩個區間的VVT控制參數的表現，VVT控制參數設置要綜合考慮各排放物表現，且由于高原平原的差異，有必要開展高原臺架的試驗，引入海拔參數對VVT控制角度進行修正以達到更好的排放效果。

4 結語

經過對某CVT車型進行平原和高原實驗采集的發動機控制參數、在不同工況區間進行相關性分析可以發現：

對于起動工況而言，由于排放峰值時刻顯著影響到相關系數的計算，故海拔對照分析建議采用臺架或轉轂排放直采的方式分析，以減小轉轂實驗室定容分析設備的延遲時間的影響。同時起動的關鍵是控制好進氣噴油的控制參數，同時合理限限制發動機輸出扭矩和點火角進行優化。

對于暖機工況，最重要的是做好催化器起燃的標定，越快的起燃策略能夠最大程度降低暖機排放。

對于清氧工況，重點是設置合適的清氧目標空燃比合理控制后氧電壓表現，以平衡CO、HC、PN三者與NOx的排放表現。

在熱機穩態工況，后氧電壓相關系數呈現相反的趨勢變化，說明海拔對于催化器的窗口控制有偏移的情況，在高海拔區域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制。

在熱機工況下，提早開啟進氣VVT在平原和高原都有利于減少CO、NMHC、PN三種排放物，但在高原條件熱機瞬態工況下的CO相關性和平原條件熱機穩態PN相關性有所下降。而且在高原條件熱機瞬態工況下可能導致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差異，有必要開展高原臺架的試驗，引入海拔參數對VVT控制角度進行修正以達到更好的排放效果。

參考文獻：

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