引用本文
逯家鹏, 李幼德, 吕景华, 赵健. 自动挡车辆冷起动降排放换挡控制策略.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(2): 348-353
LU Jia-peng, LI You-de, LYU Jing-hua, ZHAO Jian. Emission reduction shift control strategy in coldstart of auto-transmission vehicle. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(2): 348-353  
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自动挡车辆冷起动降排放换挡控制策略
逯家鹏1, 李幼德1, 吕景华2, 赵健1
1.吉林大学 汽车工程学院, 长春 130022
2.一汽轿车股份有限公司, 长春 130048
通讯作者:李幼德(1946-),男,教授.研究方向:汽车地面系统分析与控制.E-mail:auto_tcs@jlu.edu.cn

作者简介:逯家鹏(1979-),男,工程师.研究方向:整车动力性经济性排放性能开发.E-mail:lu_jiapeng@163.com

基金:国家自然科学基金项目(51205156)
摘要

针对自动挡车辆冷起动后暖机过程中排放污染物高的问题,本文通过对车辆的冷起动工况,怠速制动工况及起步加速工况进行研究,制定了发动机暖机识别策略判断车辆冷起动工况;制定怠速制动工况空挡控制策略降低怠速排放;制定起步加速工况一挡保持策略增加进气量及喷油量,加快催化器起燃.应用该策略在转毂试验台上进行车辆排放测试.测试结果表明:催化器起燃速度加快,车辆冷起动后暖机过程中排放污染物明显降低.

关键词: 车辆工程; 自动挡车辆; 冷起动; 降排放; 换挡控制策略
中图分类号:U463 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)02-0348-06
Emission reduction shift control strategy in coldstart of auto-transmission vehicle
LU Jia-peng1, LI You-de1, LYU Jing-hua2, ZHAO Jian1
1.College of Automobile Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
2.FAW Car Company Limited, Changchun 130048, China
Abstract

To solve the problem of high emission in coldstart process of auto-transmission vehicle, the vehicle coldstart condition, idle braking and starting acceleration conditions were investigated. Then, a engine warm up recognition strategy to judge the vehicle coldstart, and a neural control strategy to reduce idle emission were proposed. Also the strategy to keep first gear in coldstart to increase the air intake and fuel injection was proposed to accelerate the catalytic ignition. This method was tested in emission laboratory. Results show that the catalyst can accelerate the light-off, and the emission in coldstart process is significantly reduced.

Keyword: vehicle engineering; autotransmission vehicle; coldstart; emission reduction; shift control strategy
0 引 言

汽油机点燃式发动机车辆冷起动阶段排放控制十分重要[1, 2].按照美国FTP75工况测试计算, 车辆冷起动后80%的HC和CO排放是在冷起动阶段产生的[3, 4, 5].因此, 降低车辆冷起动阶段的排放成为国内外排放控制研究的热点.一般主要从机内和机外两个方面着手:一是改善冷起动阶段燃烧质量, 二是加快催化器起燃.针对催化器快速起燃, 有效的方法是降低催化器起燃温度和加快提高催化器入口温度.国内外研究主要集中在加快提高催化器入口温度方面, 主要分为:主动系统和被动系统.主动系统主要指电加热型催化器和HC吸附装置.被动系统主要是对催化器布置位置, 喷油脉宽, 点火提前角, 环境温度及起动电压等方面进行控制[6, 7].以往多从发动机及排气系统角度进行排放控制研究, 本文则从变速箱换挡控制角度进行冷起动排放研究, 为降低车辆冷起动排放提供了新的思路.按照轻型汽车污染物排放限值及测量方法[8]中的运转循环工况对本文的研究成果进行实车验证.

1 降排放控制原理
1.1 原理简介

车辆排放污染物主要产生在车辆冷起动后的40 s内.主要原因为车辆处于暖机状态, 催化器起燃需要一定时间.催化器起燃前氧化还原能力较弱, 导致车辆排放污染物较高.因此, 降低车辆冷起动后的排放污染物可以显著提高车辆排放性能.

自动挡车辆降排放控制策略主要内容为:车辆起动后发动机控制器判断发动机是否处于暖机状态.如果发动机处于暖机状态, 发动机控制器发出warm_up信号.变速箱控制器收到warm_up信号后, 判断变速器是否满足空挡控制条件.如果满足条件, 在换挡杆处于前进挡位置车速为0时, 控制变速箱实际挡位为空挡.在车辆加速时, 判断变速器是否满足一挡保持条件.如果满足条件, 在车辆加速时变速器保持一挡.控制原理模型如图1所示.

图1 控制原理模型Fig.1 Control diagram model

1.2 原理分析

针对市区运转循环单元第一个加减速工况, 前11 s内换挡杆置于D挡, 车辆处于怠速制动状态.此时, 液力变矩器工作, 但其输出转速为0, 变矩器工作效率为0.此工况下车辆的排放及油耗均不好.因此, 执行空挡控制可提高车辆排放及经济性.

自动挡车辆4 s内车速从0加速到15 km/h, 变速箱会升至二挡.变速箱二挡相对于一挡状态, 发动机转速低, 节气门开度小, 进气量少, 喷油量少, 燃烧热量少, 不利于催化器起燃.因此, 加速工况变速箱保持一挡可以加快催化器起燃, 降低车辆冷起动后的排放污染物.

2 控制策略设计
2.1 发动机暖机状态识别策略设计

发动机控制单元读取发动机水温, 车速, 发动机起动时间等信号, 根据发动机暖机状态识别策略, ECU判断是否发出发动机暖机warm_up信号.

发动机暖机状态激活条件为:当-10 ℃ < 发动机水温< 30 ℃ 时, 发动机控制单元发出暖机信号warm_up=1, 如图2所示.

图2 发动机暖机状态激活条件Fig.2 Engine warm up activation conditions

发动机暖机状态退出条件为:当发动机水温> 30 ℃ ; 车速> 18 km/h; 车速第一次大于3 km/h, 并且时间超过19 s; 发动机起动时间超过30 s; 发动机控制单元出现故障等条件有一个满足时, 发动机控制单元发出暖机信号warm_up=0, 如图3所示.

图3 发动机暖机状态退出条件Fig.3 Engine warm up deactivation conditions

2.2 自动变速箱换挡控制策略设计

自动变速箱控制单元读取变速箱油温, 换挡杆位置, 节流阀体开度, 发动机转速, 制动信号, 发动机暖机warm_up信号及变速箱输出轴转速等信号, 根据变速箱空挡控制条件及一挡保持条件, 对变速箱执行换挡控制.

空挡控制功能激活条件为:-10 ℃ < 变速箱油温< 40 ℃ ; 换挡杆置于"D"或"S"挡; 节流阀体开度≤ 3%; 发动机转速≤ 1500 r/min; 踩下制动踏板; 发动机暖机信号warm_up=1; 空挡控制标志位为"1"(发动机启动, 该标志位为"1"; 空挡控制功能激活, 该标志位为"0")等条件都满足时, 变速箱执行空挡控制, 如图4所示.

图4 变速箱空挡控制激活条件Fig.4 Transmission neutral control activation conditions

空挡控制功能退出条件为:节气门开度> 4%; 换挡杆置于"M"挡; 松开制动踏板; 变速箱输出轴转速> 0 r/min; 发动机暖机信号warm_up=0; 变速箱处于紧急模式等条件中任一个条件满足时, 退出空挡控制功能, 如图5所示.

图5 变速箱空挡控制退出条件Fig.5 Transmission neutral control deactivation conditions

变速箱退出空挡控制后, 车辆进入加速工况.车速在4 s内从0加速到15 km/h.为保证车辆在加速过程中多喷油加快催化器起燃, 因此设计在市区运转循环单元第一个加速工况下变速箱一挡保持控制策略.

一挡保持功能激活条件为:发动机暖机信号warm_up=1, 变速箱实际挡位为1挡的条件满足时, 变速箱执行一挡保持功能, 如图6所示.

图6 变速箱一挡保持激活条件Fig.6 Tramsmission first gear keep activation conditions

一挡保持功能退出条件为:发动机暖机信号warm_up值从1变为0时, 发动机控制单元判断车辆已退出市区运转循环单元第一个加减速工况.变速箱退出一挡保持功能执行正常换挡, 如图7所示.

图7 变速箱一挡保持退出条件Fig.7 Tramsmission first gear keep deactivation conditions

3 试验验证与分析
3.1 试验设备及方案

车辆在转毂试验台按照排放法规规定的NEDC循环进行排放测试, 如图8所示.NEDC循环工况包括4个市区运转循环和1个市郊运转循环.规定第1个市区运转循环为阶段1, 第2~4个市区运转循环为阶段2, 市郊运转循环为阶段3.

图8 汽车转毂试验台装置系统图Fig.8 Vehicle roler bench device system diagram

3.2 催化器温度测试与分析

对车辆进行两次应用策略与未应用策略的对比I型排放测试.图9为两种状态的催化器温度及挡位对比曲线.应用换挡策略的变速箱在0~15 km/h加减速工况保持一挡, 未应用换挡策略的变速箱升至二档.应用策略的催化器温度在24 s时达到300 ℃ , 未应用策略的催化器温度在29 s时达到300 ℃ .300 ℃ 为催化器起燃温度, 转化效率较高.两种状态的催化器温度差在24 s时达到最大为43 ℃ .在87 s时两种状态催化器温度达到一致, 之后催化器温度基本相同.

图9 催化器温度及挡位对比Fig.9 Catalyst temperature and gear contrast

3.3 排放测试结果与分析

图10为车辆冷起动后的各排放污染物秒采数据对比曲线.在车辆冷起动后的40 s内, 应用降排放策略的车辆排放污染物秒采值均明显优于未应用该策略的车辆污染物秒采值.

图10 排放污染物秒采数据对比Fig.10 Emission second collection data contrast

表1为不同阶段排放污染物测试结果.从数据可以看出, 阶段1排放污染物占比为70%~90%.以CH为例, 阶段1增加换挡控制策略后CH降低21%, 排放总量降低21%.因此, 降低冷起动排放对整车降排放效果显著.

表1 各阶段排放污染物测试结果 Table 1 Phase emission test results
4 结束语

通过对自动挡车辆冷起动状态下排放污染物较高问题的研究, 制定了发动机暖机识别策略判断车辆冷起动工况, 怠速制动工况空挡控制策略降低怠速排放, 起步加速工况一挡保持策略增加进气量及喷油量, 从而加快催化器起燃.应用该策略对实车在转毂试验台上按照排放法规的NEDC循环工况进行排放测试.结果表明, 本文研究的控制策略可加速催化器起燃, 并显著降低了车辆冷起动后的排放污染物.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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