冷机参数有哪些_冷机排放的影响参数

前言

随着CN6排放法规CN6标准的重磅发布，史上最严排放标准的实施也逐渐提上日程。当前CN6将按a阶段和b阶段两阶段实施，其中全国范围内轻型汽油车的CN6a正式实施时间为2020年7月1日，CN6b将于2023年7月1日正式实施。但是深圳已经正式发布通告，确定于2018年12月31日起提前实施CN6b，广州基本确定明年3月1日起实施CN6b，更多的省市计划在明年7月1日起实施CN6b。表1为CN5与CN6b Ⅰ型试验限值比较，可以看出，相比CN5排放，CN6a阶段主要是增加了CO和PN的限值要求和难度，难度较小。但是CN6b的各项排放物要求将在CN6a的基础上有近30-50%左右的降幅。此外，CN6中还新增了对N2O和PN这两类污染物的排放限值要求。为满足CN6排放法规的要求，和应对即将到来的实际道路驾驶循环测试（RDE），同时为了降低开发成本，提升匹配效率，除了针对热机状态下的发动机参数优化，我们将冷机参数优化引入到排放匹配过程。

表1 CN5与CN6b排放限值比较（以一类车为例）

1.冷机排放的影响

在三元催化器的帮助下，发动机产生的大部分气态污染物在经过各种化学反应之后最终会以CO2、N2、水蒸气等形式排入到大气中。一般当催化器达到其起燃温度以后，其污染物转化效率可以达到90%-95%以上。但是在催化器达到其工作温度前的这一阶段，由于催化器的转化效率较低，将有大量气态污染物排入到大气中。如图1所示，以CO为例，一般情况下，整车排放除了冷机下催化器起燃阶段会产生大量排放物以外，其实在部分瞬态急加减速工况和部分热机稳态工况也会产生一定量的排放物，但这两种工况下产生的排放物一般仅占总排放物很少的一部分。因此催化器起燃前这一过程中的排放物情况直接决定了车辆的排放水平，是决定其是否可以通过CN6排放的关键影响因素之一！

图1. CN6排放循环中CO的排放情况

为了实现催化器的快速起燃，我们在标定过程中通常会采用包括提高怠速转速、推迟点火角等各种起燃策略，而这一过程涉及到发动机控制中火路、气路、油路等多个模块的协调与控制。尤其是随着缸内直喷汽油机（GDI）的普及与应用，其控制策略更加灵活，我们的匹配标定工作也变得更加复杂。下面我们将以GDI发动机为例，对影响冷机排放和催化器起燃的各种相关参数，包括喷射模式、VVT角度（Variable Valve Timing，可变气门正时）、喷射相位、轨压、喷油比例系数、点火角等进行简单介绍。

2.冷机排放的影响参数

2.1 喷射模式

随着高压零部件的发展和应用，目前整车上最大喷射压力可以达到350bar。而轨压的上升将进一步改善发动机缸内的油束雾化效果，有利于改善缸内的燃烧和降低排放物的产生。同时在配备上博世开发的可控针阀控制策略（Controlled Valve Operation，CVO）功能之后，单次可控的喷油量将更小、更加精确。这也意味着我们可以进一步增加在一个燃烧循环内的喷油次数，改善颗粒物排放。按照喷射次数以及喷射相位的不同，我们常用的喷射模式包括：HO1、HO2、HO3、HP2、HP3、HP2z、HP3z。

以350bar轨压+CVO功能的某GDI发动机的冷机原始排放及COV（Coefficient Of Variation，燃烧循环波动率）为例，随着喷射次数的增加，PN（particulate number）得到了显著的降低，主要原因是由于喷射次数的增加缩短了单次油束的贯穿距，从而降低了油束撞壁的概率。但是对于气态排放物来说，多次喷射并没有带来明显的改善。而如果采用HP2z或者是HP3z的喷射模式的话，PN基本上增加了一个量级的水平，同时CO（一氧化碳）也增加了接近一倍，THC（未燃碳氢化合物）略有降低。建议如果要使用HP2z或者HP3z模式，最好配备CVO功能。

总的来说，对于起燃工况的喷射模式选择，一般会优先采用HP2或HP3等层燃燃烧模式，这是因为相对于HO1/HO2/HO3等均质燃烧模式，层燃模式下点火角一般可以推迟得更多，这样排气温度将更高，催化器的起燃速度也将更快。但这也会带来某些不利的影响，那就是同样的工况点，点火角推迟得更多，发动机的进气量也会更多，燃烧恶化，燃烧稳定性也更差，发动机的原始排放物相应的也会增加，因此在实际匹配过程中需要结合实际情况来选择具体的燃烧模式。

2.2VVT控制

可变气门正时技术的采用，使得发动机的动力性、经济性和排放性能都得到了显著的改善。一般来说，气门重叠角在不同工况下会有所差异，以满足不同工况下的性能或经济性要求。例如，在怠速工况下，一般采用尽可能小的进、排气重叠角，以保证怠速稳定性；在高速工况下，一般较大的进气滞后角，以利用进气惯性提高充气效率。对于起燃工况来说，大多是将VVT角度设置为其锁止位置，即采用尽可能小的气门重叠角，以保证冷机下的燃烧稳定性。但是也有项目因为原始排放过高，最后在采用推迟或提前进排气门之后，排放得到了明显的改善。对于CN6项目来说，由于排放限值过低，因此也需要考虑推迟或提前进排气VVT的情况。

在实际匹配过程中，需要结合实际的整车综合表现，来确定最优的VVT组合。

2.3 喷射相位

对于GDI发动机来说，过早或过晚的喷射相位对于排放都十分不利，过早的喷射将造成油束撞壁，颗粒物排放显著增加；喷射过晚，油气混合时间较短，THC、CO等排放物则会显著增加。在实际优化过程中，需根据实际的排放表现选取最优的参数组合。

2.4 轨压与点火角

一般来说，喷射压力的增加，燃油的雾化会更好，喷油脉宽也会更短，有利于降低PN的排放。但是对于不配备CVO功能的项目，由于很难精确控制小喷油脉宽，受限于最小喷油量的影响，实际喷油压力无法实现大幅度的提升。而对于点火角来说，一般点火角越迟，催化器温度越高，催化器起燃速度会越快，但是这同时会造成燃烧恶化、原始排放物增加等情况。因此在实际的匹配过程中，也需结合实际的表现选择最优的点火角。

3.总结

从排放物的产生途径来看，催化器起燃前的冷机过程产生的排放物占了最主要的一部分。冷机参数优化的工作就是在排放匹配初期，根据实际的发动机排放表现，为整车标定确定合理的参数设置。整车排放标定本身是一个系统化的工程，除了本身发动机，还需考虑整车零部件的状态、后处理设备的情况，比如是否配备颗粒捕集器（GPF），三元催化器的贵金属含量、体积，以及催化器的布置形式等。面对已经来临的CN6和即将到来的RDE，我们需要从发动机、变速箱、催化器等各个方面齐心协力共同攻克这一难关，而冷机参数优化则是这千里之行的第一步！