不同海拔下发动机参数对排放影响研究

刘炜 戴超麒 李东明

摘 要：通过某车型平原及高原的WLTC的对比排放测试采集相关发动机管理系统控制数据，将采集数据划分出五个典型工况，在不同工况区间对比不同海拔下的发动机关键参数的排放物的相关系数，分析发动机控制参数在不同海拔间的表现差异。数据分析结果表明显示不同海拔下催化器工作窗口偏移特性有差异，在热机工况下，进气VVT在平原高原的各排放相关系数趋势不同，需要考虑在控制系统中针对这两项控制引入海拔修正并进行相关标定工作。

关键词：排放 控制参数 相关系数 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

我國地域辽阔车辆行驶环境差异大，如海拔1000米，2000米和3000米以上的地区分别占全国陆地总面积的58%，33%和26%[1]，所以高海拔环境也是我国汽车常见的驾驶区域。随着海拔高度的升高，环境参数会发生变化，主要包括大气压力下降空气密度减小，空气含氧量减少[2]。这导致发动机在高海拔条件下工作会与平原出现不一样的特征，有研究表明，在高海拔地区，发动机的动力性、经济性、和排放性能等指标都会有显著差异[3]。随着车辆排放要求的日益严格，国六法规要求海拔拓展至2400米以及国家高原排放实验室的建成，深入研究车辆高原排放特性，优化高原排放控制，对于我国移动污染源的节能减排有重大的意义。

目前对于高原排放的研究主要在发动机的排放特性。如随着海拔增加Soot、CO排放量逐渐增加，而海拔对NOx影响在不同工况下表现不一致，且空燃比和点火角对NOx排放有直接影响[4][5]，在WLTC工况中，同一车辆在不同平均车速的排放因子呈现差异性分布[6]，以及实际道路排放中的驾驶行为参数的影响[7]。值得注意的是目前的车辆排放控制除了传统的后处理技术，可靠智能的发动机管理控制系统也扮演着重要的角色，而高原环境下的发动机控制相关的研究内容相对缺失。

故本文基于某CVT车型的平原及高原WLTC循环排放测试数据，对比高原、平原发动机管理系统的重要参数对排放物产生的影响进行相关性分析，寻找不同阶段下的各项尾气排放物的关键控制参数，为高原排放控制提供有效的分析思路和优化方向。

1 实验方案

按照GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中规定的方法和标准试验条件，分别在海拔高度为0m及2000m的两个符合法规要求的整车转毂试验室中完成I型试验（常温下冷起动后排气污染物排放试验），实验车辆的主要技术参数见表1。

实验设备见表2，主要包括环境仓、底盘测功机系统和排放分析系统等。

采集数据通过车载诊断接口读取发动机管理系统的控制参数等变量信息，关键控制参数见表3。

2 实验数据处理

2.1 时序校准

由于整车转毂试验台的排气污染物采样与分析子系统输出和发动机管理系统的控制参数，为两个系统导出的数据，通过车速数据将两组秒采数据进行时序校准，同时排放物从尾管排出到被分析仪感知，存在一个迟滞时间，将迟滞时间校准后的数据能够将控制参数与瞬时排放进行关联。

2.2 重采样

由于排放分析仪的采样频率与由OBD获取测量参数的采样频率不尽相同，需要对上述数据序列进行重采样，本研究将数据的时间序列通过一定规则统一转换为10Hz的频率，方便后续处理及分析。

2.3 目标控制参数按照偏差量重新定义

对于受目标控制的变量，如空燃比、空燃比闭环控制因子、点火角、过渡工况控制因子、进排气VVT等变量，按照相对目标的偏差量进行重新定义计算。公式如下：

2.4 WLTC工况划分

在不同工况和发动机状态下，排放特性的规律不尽相同。为了更好将控制参数以外的因素剔除，故人为将WLTC工况数据分为冷起动、暖机过程、热机稳态、热机瞬态、清氧等几个区间，分别研究这几个区间内控制参数对于各排放物水平的相关性。区间划分原则见表4。

2.5 相关系数计算

在各个分区下，分别对各关键参数和排放CO、HC、NOx、PN计算相关系数，相关系数r的计算公式为：

式中x为各关键参数，y代表CO、NMHC、NOx、PN排放，由于发动机排放的相关因素较多，多为多参数综合影响，所以在相关系数在0.4左右往上，即可人为该参数与排放有关。

3 实验结果分析

不同工况区间的相关性分析结果如下：

3.1 冷起动及暖机工况

无论平原还是高原条件下，整车WLTC循环中的将近50%排放集中在起动和暖机过程，由于此时刻的排放物绝对量值较大，排放峰值时刻的控制参数大小直接影响相关系数的计算和正负关系，如图1高原冷起动相关性所示，许多控制变量呈现相反的相关系数，故不适合做相关系数的对照分析。但可以用来识别该工况区域的重点控制参数，提供控制优化思路。

从整体的参数相关系数大小来看，发动机进气量、进气压力、喷油量、扭矩、电瓶电压、点火角催化器温度和储氧量是冷起动排放较为关键的参数。而暖机工况。进气压力、电瓶、空燃比、发动机扭矩几个变量相关系数明显下降而催中温度和储氧量明显上升。从相关系数的大小和趋势变化可以看出，对于起动工况合理的配置进气喷油量参数，限制发动机扭矩和点火角是控制起动排放的关键，同时电瓶电压这一外部条件会造成影响，试验前需要保证电瓶电压在正常水平。暖机过程更关注的是催化器起燃的快慢，优先级远高于其他参数，故暖机过程的控制要点是保证催化器的快速起燃。

3.2 清氧工况

清氧工况的主要参数主要为后氧电压、清氧目标空燃比、恢复供油系数等，这些控制参数的CO、NHMC、PN三個排放物的相关系数与NOx呈现明显相反趋势，故清氧工况的控制使需要平衡这三个排放物与NOx排放。

如图2所示高原后氧电压、催中温度和储氧量相对CO、NMHC、PN的相关系数明显大于平原且高于0.5，说明在高原下排放对于清氧控制策略更为敏感且更有赖于催化器的工作状态。同时NOx排放在不同海拔区域的差异不大，故高原的清氧工况应更注意CO、NMHC以及PN的排放控制。

3.3 热机稳态及热机瞬态工况

高原平原热机稳态及热机瞬态过程参数对排放物相关系数对比见图3所示

在稳态工况区间，后氧电压在高原平原热机工况区间下的相关性表现出了一定差异。与暖机工况相似认为是催化器工作窗口偏移。进气VVT对CO、NMHC、PN排放有影响，且呈负相关，通过提前开启进气VVT可以优化其排放，排气VVT则无明显的相关性。高原差异主要体现在PN上，高原进气VVT与PN的关联性下降。

在热机瞬态工况区间，进气VVT对于CO、NHMC、PN的排放物的相关系数在平原条件下是高于高原条件且呈负相关，说明通过进气提前打开的策略在平原有利于降低CO、NHMC、PN的排放物。而在高原则效果下降尤其是对于CO。但是对于NOx在高原下呈现相反趋势的相关系数，且差异明显。故进气VVT早开在高原会增加NOx的可能。

综合热机两个区间的VVT控制参数的表现，VVT控制参数设置要综合考虑各排放物表现，且由于高原平原的差异，有必要开展高原台架的试验，引入海拔参数对VVT控制角度进行修正以达到更好的排放效果。

4 结语

经过对某CVT车型进行平原和高原实验采集的发动机控制参数、在不同工况区间进行相关性分析可以发现：

对于起动工况而言，由于排放峰值时刻显著影响到相关系数的计算，故海拔对照分析建议采用台架或转毂排放直采的方式分析，以减小转毂实验室定容分析设备的延迟时间的影响。同时起动的关键是控制好进气喷油的控制参数，同时合理限限制发动机输出扭矩和点火角进行优化。

对于暖机工况，最重要的是做好催化器起燃的标定，越快的起燃策略能够最大程度降低暖机排放。

对于清氧工况，重点是设置合适的清氧目标空燃比合理控制后氧电压表现，以平衡CO、HC、PN三者与NOx的排放表现。

在热机稳态工况，后氧电压相关系数呈现相反的趋势变化，说明海拔对于催化器的窗口控制有偏移的情况，在高海拔区域，需要引入催化器窗口的海拔修正控制。

在热机工况下，提早开启进气VVT在平原和高原都有利于减少CO、NMHC、PN三种排放物，但在高原条件热机瞬态工况下的CO相关性和平原条件热机稳态PN相关性有所下降。而且在高原条件热机瞬态工况下可能导致NOx上升。由于VVT控制的高原平原差异，有必要开展高原台架的试验，引入海拔参数对VVT控制角度进行修正以达到更好的排放效果。

参考文献：

[1]靳嵘，张俊跃，胡力峰，等.高原自适应柴油机涡轮增压技术研究[J].内燃机工程，2011，32（4）：27-31.DOI：10.3969/j.issn.1000-0925.2011.04.006.

[2]叶林保，杨林，高治宏.汽车用涡轮增压柴油机高原性能的研究[J].现代车用动力，2006（1）：39-43.DOI：10.3969/j.issn.1671-5446.2006.01.009.

[3]沈颖刚.高原环境下内燃机工作过程应用基础研究[D].天津大学，2004.

[4]赵伟，葛蕴珊，谭建伟.不同海拔工况下发动机排放特性研究[C].//中国内燃机学会燃烧节能净化分会2011年学术年会暨973项目年度工作会议论文集.2011：1-4.

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[6]王猛，许卿云，顾王文，等.高原与平原条件下自然吸气汽油车排放特性对比研究[J].北京汽车，2020（6）：15-18.DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2020.06.004.

[7]程亮，徐志寅，邬建化，等.RPA对PFI轻型汽油车RDE高原排放特性试验研究[J].汽车工程，2018，40（12）：1398-1404，1487.DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2018.012.004.