整車怠速啟停功能對排放影響研究及優化

收稿日期：2023-12-15

作者簡介

楊雨晨（1991—），男，工程師，主要從事整車EMS/HCU標定工作。

【摘 要】為了探究怠速啟停功能對排放的影響，文章依托國Ⅵ某燃油車進行開關怠速啟停WLTC排放對比試驗，通過對排放污染物測試結果分析，發現單純開關怠速啟停功能，NOx排放結果會有約18%惡化。根據排放秒采數據精準識別NOx排放污染物差異點，針對差異點進行控制發動機加濃自動起機后空燃比以及清氧模塊空燃比，并推遲該工況點火角，改變發動機燃燒情況，降低NOx排放物生成。該優化方案為后續整車怠速啟停功能開啟后排放提供優化方向。

【關鍵詞】怠速啟停；減排；環保；排放；加濃；空燃比

中圖分類號：U463.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）07-0057-04

Study and Optimization of Vehicle Idling Start-stop Function on Emission

YANG Yuchen，WEI Shouqi，LIN Wanguo，ZHANG Pengfei，DU Lidong，ZHAO Zhongnan

（FAW CAR Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】In order to explore the impact of idle start-stop function on emissions，this paper relies on a CN6 fuel vehicle to conduct a WLTC emission comparison test. Through the analysis of emission pollutant test results，it is found that about 18% of NOx emission results will be worsened if idle start-stop function is only used. The difference points of NOx emission pollutants are accurately identified according to the emission second data，and the air-fuel ratio after engine enrichment automatic starting and air-fuel ratio of oxygen purging module are controlled according to the difference points，and the ignition Angle undeOy0MKhDt0Zlu5FbuVJgvaw==r this working condition is delayed，the engine combustion condition is changed，and the generation of NOx emissions is reduced. The optimization scheme provides the optimization direction for the emission after the subsequent vehicle idle start-stop function is turned on.

【Key words】idle start-stop；reduce emissions；environmental protection；emission；enrich；air-fuel ratio

1 前言

隨著全球氣候變化的加劇和環境問題的日益突出，減少汽車尾氣排放已成為各國政府和汽車制造商亟需解決的重要問題。為了應對氣候變化和環境污染等問題，許多國家和地區紛紛提出了汽車碳中和的要求[1]。中國也頒布了更加嚴苛的排放[2]以及能耗法規[3]，來應對能源消耗以及環境污染等問題。更加先進節能減排的整車和發動機技術被應用到最新開發的車型上，其中怠速啟停功能作為最常用、最成熟的一種技術應用到大多數汽車上。

怠速啟停技術誕生于日本，受日本能源短缺的影響，日本對于車輛油耗有著嚴格的標準，為了降低行駛油耗，日本車企研發出了怠速啟停技術。日本豐田公司于20世紀70年代研制出世界上第1套怠速啟停系統并應用于其生產的皇冠轎車上，該套怠速啟停技術能夠在車輛靜止1.5s后自動關閉發動機。經過日本國土交通10～15循環測試驗證，該套怠速啟停技術可以節約整車油耗10%左右[4]。

在中國，怠速啟停技術也應用廣泛。在中國城市道路駕駛工況中，汽車怠速工況的情況可高達20%以上，而汽車怠速的過程中，汽車尾氣的排放總量不斷增加，缸內的燃料燃燒并沒有帶動汽車前進，造成了能源的消耗與環境的污染。燃料能源的過度消耗不僅會對空氣造成污染，還會對能源利用率造成較大的影響。而汽車怠速啟停系統的全面發展對于環境問題至關重要，它可以有效解決環境污染等問題，真正意義上實現節能減排的目的[5]。怠速啟停系統是在整車短時間停止時控制發動機停止，并在駕駛員操作或者系統有需求時再次起動的智能控制系統。當遇到紅綠燈或者堵車時，發動機怠速啟停系統能夠讓發動機熄火；當駕駛員踩下離合器、油門踏板或松開制動的瞬間，發動機起動，可有效降低車輛的燃油消耗和排放[6-8]。

2 怠速啟停條件介紹

以國內某車企的國Ⅵ汽車為例，介紹一般情況下怠速啟停功能開啟關閉以及發動機啟停機策略。該車型為某款自主Sedan類型燃油車，整車質量為1485kg，配置1.5L渦輪增壓發動機，其最大扭矩為250N·m，最大功率為115kW，搭載濕式7速雙離合變速器，擁有控制怠速啟停功能按鍵開關。下文從啟停功能開啟關閉狀態、自動停機控制以及自動起機控制3個方面介紹該車型怠速啟停功能控制條件與觸發條件。

2.1 啟停功能的開啟/關閉狀態

怠速啟停功能在每一個駕駛循環默認強制開啟，即駕駛員按下點火開關或者鑰匙置于IG ON狀態下，怠速啟停功能都將開啟。駕駛員可以通過手動控制怠速啟停按鍵，來控制怠速啟停功能在此駕駛循環下是否工作。該車型按鍵在主駕駛位左側，有個A形圖標，如果駕駛員按下一次開關就觸發一次開啟/關閉的狀態切換。下一次熄火后，怠速啟停功能仍然開啟，如果不需要開啟該功能，需要手動再次關閉。

2.2 自動停機控制

通過啟停系統控制自動停止發動機的條件見表1。

滿足以上所有條件后，當駕駛員擋位處于舒適模式或者運動模式行駛，踩下制動踏板或制動液壓力≥10bar（可標定），直到車輛靜止，無論是什么模式，要求接收到TCU的停機請求后，發動機停機。車輛停機再次激活條件，如果車輛在第1次停機后再次進入下次停機狀態時，車輛必須行駛距離大于5km/h（可標定），避免擁堵路面頻繁停機。

如果在停機狀態下駕駛員存在以下條件，系統則認為出現誤操作現象，會產生相應結果。

1）駕駛員打開安全帶并同時打開駕駛員車門，則啟停系統關閉，需要鑰匙點火或按下一鍵式起動開關才能再次起動，同時發送信號給儀表顯示手動重啟車輛。

2）任意安全條件不滿足，若啟停功能被觸發，則啟停系統關閉，需要鑰匙點火或按下一鍵式起動開關才能再次起動，同時發送信號給儀表顯示手動重啟車輛。

3）在安全帶或駕駛員車門其中一個打開時，若啟停功能未被觸發，安全帶或駕駛員車門恢復，則啟停系統恢復正常。

2.3 自動起機控制

通過啟停系統控制自動啟動發動機的條件見表2。

滿足以上任意條件后，當擋位處于P/N擋時，檢測到制動踏板從未踩下到踩下，則立即起機。除舒適模式和運動模式位切換不起動發動機，其他擋位模式切換會導致發動機啟動。

2.4 首次下線操作

當車輛首次下線后，短時間內無法滿足自動停機/自動起動條件，所以增加怠速啟停下線模式功能，以滿足下線動態檢測要求。啟停系統下線檢測操作步驟如下。

1）同時踩下油門踏板、制動踏板，按住面板上的怠速啟停開關，8～10s（可標定）。

2）松開油門踏板、制動踏板、面板上的怠速啟停開關。

3）再執行步驟1）、2）兩次，即下線檢測成功。

3 怠速啟停功能對排放影響

3.1 試驗方案與結果

國Ⅵ排放法規除了采用更為嚴格的排放限值外，還更換了駕駛循環，采用WLTC循環（全球統一輕型車輛測試循環）。WLTC循環相較于國V的NEDC循環動態工況更多，怠速工況更少，發動機控制難度更大。具體對比數據見表3。

對同一臺車輛在專業的排放試驗轉轂上進行排放測試，分別單獨開關怠速啟停功能，通過CVS排放分析儀對排放循環產生的污染物進行采集與處理。試驗測試完成后對國Ⅵ新鮮排放WLTC測試循環排放結果進行分析，得到了排放污染物結果，如圖1所示，其中黃色是關閉怠速啟停功能排放結果（左），黑色是開啟怠速啟停功能排放結果（右），具體排放量見表4。

根據排放對比數據可以發現，在WLTC排放循環中，單純開關啟停功能對除NOx以外的其他氣態污染物基本沒有差別，排放量誤差在4.5%以下，但是對NOx排放影響較大，開啟怠速啟停功能會惡化約18%。但是大多數人認為怠速啟停功能可以有效降低油耗和排放，與本次測試結果有所出入，因此需對排放過程的污染物秒采結果進行分析，尋找NOx排放增加的具體原因。

3.2 原因分析

NOx主要指NO和NO2，其次是N2O3、N2O、N2O4和N2O5。在正常情況下，空氣中的氮和氧是以分子形式存在的，它們之間的化學鍵非常穩定，難以發生反應，但是在高溫和高壓的條件下，這些分子會被分解成原子，然后重新組合成不同的化合物。發動機燃料在燃燒過程中，主要會生成大量的氧化亞氮（NO），長期停留在大氣c18a303154e9d3a2b4408ba33ed78aefaee75cfd4ffd3c7ff77c71e4eadd26da環境下最終轉化成二氧化氮（NO2）。根據NOx生成機制可以看出，當催化器中的氧含量過高或者燃燒溫度過高都會產生更多的NOx。

根據上述生成機理以及對排放過程中采集的EMS內部參數和CVS排放分析儀氣態排放物秒采數據進行分析，測試數據結果如圖2和圖3所示，其中黑色曲線為車速信號，紅色曲線為NOx排放結果，下文中后續排放秒采結果均為此處描述所示。根據測試結果分析，可以將WLTC循環排放物生成分為兩部分，第1部分為起動部分（催化器溫度低），第2部分為正常轉化部分（催化器溫度高）。

在發動機首次起動后一段時間內NOx排放會有異常升高，該現象無論怠速啟停功能是否開啟都存在此現象。這是因為發動機剛啟動，三元催化器溫度未達到轉化高效溫度，污染物轉化效率沒有完全釋放出來，NOx排放都會大量生成。該階段一般通過控制發動機電噴參數，比如略微減稀空燃比，推遲點火提前角，進而使燃燒溫度升高，燃燒靠近催化器方向，使催化器溫度快速升高，進而實現三元轉化效率提升，減少污染物排放。

針對第2階段，我們發現了NOx排放的不同。當怠速啟停功能開啟后，在第2階段過程中，在開啟啟停功能的排放在停機后起機時會出現NOx增加的現象，而未開啟啟停工況在怠速的時候沒有NOx異常增加的情況，其余階段NOx排放結果基本相當，初步判斷NOx惡化是該階段產生的，產生NOx排放差異的位置就是發動機在怠速工況后急加速工況。

一般情況下，在駕駛員松油門斷油后，催化器內會存儲大量的氧氣，等恢復供油后，催化器內的混合氣成分偏稀，導致NOx排放物增加。所以現在EMS系統在斷油后引入了清氧功能，使用較濃的混合氣將催化器中的過剩氧氣消耗掉。如果清氧力度不夠，會導致催化器內殘存氧氣過多，后氧電壓較低，NOx排放較高；反之如果清氧過度，空燃比偏濃，CO、HC及油耗就會相應增加。產生差異的工況恰好是需要清氧的工況，當啟停功能開啟后，停機階段進入催化器的氧氣要大于怠速燃燒時的氧氣，導致起機后清氧不足，產生NOx排放峰值。

3.3 優化方案

根據以上原因以及NOx生成機理分析，可以從增強催化器清氧能力、空燃比、點火角等方面進行怠速啟停功能開啟后的排放優化。最終通過不斷測試，制定出詳細的優化方案，優化前后EMS參數對比結果見表5。

特別說明一下，由于起動空燃比調整以后，也會對清氧功能空燃比有所影響，因此需要對優化過程的每次排放結果進行詳細分析，根據最終輸出空燃比進行EMS標定數據調整。適當加濃怠速啟停功能停機后自動起動空燃比，使怠速啟停功能開啟后自動停機階段后的催化器中氧含量快速消耗，減少氮原子與氧原子結合的可能，同時多噴油以及點火角推遲，都會導致發動機燃燒沒有之前充分，發動機燃燒溫度比優化前有所降低，這兩方面都可以有效降低NOx排放。當然在進行EMS參數優化的時候，不可以一味降低NOx排放，還需要平衡起動階段的其他排放物含量，才可以最終確定優化方案。

3.4 方案驗證結果

通過對EMS系統數據優化，使用相同車輛再次進行WLTC國Ⅵ排放循環測試，測試結果如圖4以及表6所示，其中淺色是關閉怠速啟停功能排放結果（左），深色是開啟怠速啟停功能排放結果（右）。NOx排放結果明顯下降，從優化前的20.3mg/km下降到12.3mg/km，下降幅度約40%。CO與THC也有少量增長，PN排放從1.5×1011個/km增長到2.2×1011個/km，這是因為加濃空燃比以及推遲點火角后，燃燒不充分，因此CO與THC也會稍微惡化。

在之前出現NOx異常升高的工況下，也未出現異常現象，其他工況排放污染物也有所優化，結果如圖5所示，優化方案組合對排放污染物減少有明顯效果。同時由于加濃空燃比，增加噴油量，理論上會對整車油耗有影響。但是根據多次實車測試結果發現，調整的空燃比對油耗幾乎無影響，有以下兩個方面原因：一是因為調整的工況范圍很小，并且在整個排放油耗循環中出現的占比不多，導致即使有更多的燃油使用，也對整個WLTC循環油耗影響不大，在結果上反映不出來；二是空燃比調整較小，即使空燃比加濃約3.5%，并且怠速工況發動機的進氣量也很小，約為8～10kg/h，因此增加的燃油量也很小，相對于整個WLTC循環的油耗影響不大。后續整車生產一致性排放油耗試驗驗證此優化方案可以有效改善怠速啟停帶來的排放惡化，并且對怠速啟停節油效果沒有影響，滿足整車開發工程目標。

4 結論

本文為了探究怠速啟停功能對排放的影響，依托國內某國Ⅵ燃油車Sedan車型進行怠速啟停WLTC排放對比試驗。通過對怠速啟停功能排放污染物結果進行分析，發現單純開關怠速啟停功能，對NOx排放結果會有約18%惡化。根據排放秒采數據精準識別NOx排放污染物異常增加的差異點，針對差異點進行EMS起動空燃比、清氧模塊以及點火角標定數據優化，加濃自動起機后空燃比以及清氧模塊空燃比，并推遲該工況點火角，改變發動機燃燒情況，快速消耗怠速啟停停機時進入催化器中的氧含量，降低燃燒溫度，進而達到降低NOx排放物生成的目的。此優化方案可以有效改善怠速啟停帶來的排放惡化并且對怠速啟停節油效果沒有影響，滿足整車開發工程目標。加濃空燃比、優化清氧功能以及點火角優化等方案將應用到后續車型當中。

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（編輯 凌 波）