4GFA汽油机国V排放技术研究

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随着汽车技术的迅速发展,每家一车不再是梦想。近年来,汽车的产销量在我国迅速增长,2009年,我国乘用车产量为1038.38万辆,同比增长了54.11%,销量为1033.13万辆,同比增长了52.93%。随着汽车保有量的激增,国家越来越关注起汽车排放造成的环境问题。自2007年7月1日起,轻型汽车国III排放标准在全国实施,从2008年3月1日,国IV排放标准在北京市率先得到实施,与此同时,由于排放标准变得越来越严格,各种控制发动机排放的方案如雨后春笋般应运而生,发动机先进技术发展迅速。目前国内的车型,如:天津一汽的威志和N5、东风悦达起亚赛拉图、奇瑞瑞麟、一汽丰田锐志和皇冠、一汽大众迈腾、克莱斯勒300C、东风日产颐达和骐达、广汽丰田凯美瑞、北京本田CRV、北京奔驰E230、奥迪A6L等车型已经达到国IV标准。但是,国内的汽车产品与发达国家相比,在动力性能和排放水平上差距还是很大,排放的标准也一直是追随欧洲的脚步,目前欧洲已经实行了欧V排放标准,很多企业甚至已经研制出对应欧VI的产品,而国内还是国III和国IV的水平,因此国内的汽车产品要想走向世界,任重而道远。为实施贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》,切实实行环境保护,保证人们的身体健康,也为使国内车辆尾气污染物的管理和控制强度与世界接轨,国家环境保护部决定制定《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》这一新的环保标准。目前,编制单位已完成标准的征求意见稿,向国内汽车行业征求意见。在2013年北京首先实施国V标准,而到2016年全国都要达到国V标准。为满足国家逐渐严格的排放法规要求,本课题决定采用微型汽车上比较典型的4GFA型发动机作为研究对象,探讨并试验出汽油机达国V的方案策略。4GFA发动机是由中国第一汽车集团公司技术中心研发的直列四缸、四冲程、水冷、双顶置凸轮轴、16气门、进气VCT、电控多点喷射式汽油机,目前搭载在天津一汽的主力车型N5和威志上。这款发动机应用了链传动、VCT等先进技术,目前排放已经达到国IV水平,要达到国V有相当大的潜力,在对催化器配方、标定策略进行优化后,对发动机进行性能试验、整车标定试验和整车OBD耐久试验,在试验中进一步改进方案,寻求一种最经济条件下达到法规要求的最优化方法。本文开展的试验研究工作主要包括:1.研究4GFA汽油机的基本性能参数及国IV排放的试验数据,对比国V法规,找出差距。2.研究催化器的组成成分及工作原理,通过改良催化器成分降低排放水平。3.研究电控系统的控制策略,通过标定的办法进一步降低排放,使排放达到国V的水平。4.进行发动机性能、标定、整车OBD耐久等试验,使此发动机的排放水平达到国V乃至国V+的标准。上述试验研究结果表明:1.通过以前的试验数据得知,目前状态的4GFA发动机的HC、NOX和CO的排放值已经进入了国V的限制范围,这证明此款发动机有达国V的潜力,但是考虑到国V对耐久性和一致性的要求,目前的数值还远远不够,必须通过有效的手段进一步降低排放。2.4GFA发动机达国IV的时候采用的是国IV催化剂,具有975摄氏度稀燃尖峰80小时台架老化的特点。对应国V,又新研制了A和B配方,新配方的测试需要经过空燃比扫描试验,动态起燃温度试验、发动机台架试验和整车试验来验证,采用的发动机分别为1.4T气道喷射发动机、1.2L8V发动机、1.6L欧IV发动机;这三种发动机每种都要搭载三种配方进行对比,得出的结论为B配方无论在动态起燃温度性能、HC空燃比扫描特性还是整车排放方面都比其他两种方案更加优秀,因此4GFA发动机决定采取B方案进行国V的标定,达到了国V排放标准。3.标定策略研究中,通过改变触媒暖机迟角、起动相关补正、空燃比反馈补正和断油恢复补正达到改善排放的目的;在OBD标定中,通过改善触媒劣化、O2劣化和FTP失火等参数,来满足国V+和OBD的相关要求。a)通过某标定软件和发动机ECU建立通讯,采集车辆在NEDC循环中各工况的情况。通过对起动、过度工况(加速、减速)进行适当调整,使排放结果达到预期值(标定流程图);b)加浓增量标定,排温模型确认:为了达到排放标准,在NEDC循环中当车辆大负荷时不进行加浓喷射(延迟加浓喷射),同时确认排气温度是否在合理范围内。c)OBD标定:需要临界催化器(失效的临界状态),失火、触媒劣化、前氧传感器失效标定。d)OBD标定完成后再进行老化、新鲜催化器验证,符合标准进行数据冻结。4.要达到国V标准,就必须进行以下10项型式核准试验,数据合格才可以通过。它们是:I型气态污染物试验(常温下冷启动后排气污染物排放试验)、I型颗粒物质量试验、III型试验(曲轴箱污染物排放试验)、IV型试验(蒸发污染物排放试验)、V型试验(污染控制装置耐久性试验)、VI型试验(低温下冷启动后排气中的CO和HC的排放试验)、双怠速试验(指测定双怠速的CO、HC的值和高怠速下的λ值)、OBD系统试验、生产一致性试验、在用车符合性试验。经过国家机构的认定,本文的试验用车均通过以上试验验证,结果理想(文中附检测结果),满足国V要求,可以量产。
摘要第4-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第12-20页
    1.1 引言第12-14页
    1.2 发动机国V排放技术研究第14-17页
        1.2.1 国V排放法规第14-16页
        1.2.2 国内汽油机排放技术现状第16-17页
    1.3 课题研究背景及意义第17-18页
    1.4 本文的主要工作第18-20页
第二章 4GFA发动机排放现状分析第20-26页
    2.1 4GFA发动机的主要特点第20-22页
        2.1.1 4GFA发动机先进技术第20-22页
        2.1.2 4GFA发动机主要技术参数第22页
    2.2 4GFA发动机排放现状第22-24页
    2.3 汽油机排放达国V的控制策略第24-25页
    2.4 本章小结第25-26页
第三章 三元催化转换器的配方选型第26-42页
    3.1 三元催化转化器的工作原理第26-30页
        3.1.1 载体第26-27页
        3.1.2 催化剂涂层第27-28页
        3.1.3 三元催化剂的工作原理第28页
        3.1.4 三元催化剂的特点第28-30页
    3.2 催化剂芯体方案选型第30-39页
        3.2.1 催化剂芯体方案第30页
        3.2.2 催化剂芯体对比试验第30-39页
    3.3 新催化剂方案的验证第39-40页
        3.3.1 催化剂芯体的封装及整车搭载第39页
        3.3.2 传感器的安装第39-40页
        3.3.3 催化剂方案的验证结果第40页
    3.4 本章小结第40-42页
第四章 N5整车国V排放标定试验第42-56页
    4.1 试验系统第42-43页
        4.1.1 试验工具第42-43页
        4.1.2 试验软件第43页
    4.2 国V车型整车排放标定试验第43-53页
        4.2.1 排放标定流程第43-44页
        4.2.2 空燃比λ补正第44-46页
        4.2.3 触媒暖机补正第46-47页
        4.2.4 触媒暖机进角第47-48页
        4.2.5 断油恢复时补正第48-50页
        4.2.6 加速增量补正第50-52页
        4.2.7 暖机增量补正第52-53页
    4.3 国V整车排放试验标定结果第53-54页
    4.4 本章小结第54-56页
第五章 国V车型OBD试验第56-80页
    5.1 故障指示器(MI)第56-57页
        5.1.1 故障指示器(MI)工作原理第56页
        5.1.2 故障指示器激活原则第56-57页
    5.2 OBD系统监督的所有零部件第57页
    5.3 主要监督项目的工作原理第57-71页
        5.3.1 催化剂老化第57-62页
        5.3.2 催化剂上游氧传感器老化监测工作原理第62-64页
        5.3.3 失火检测工作原理的详细说明第64-68页
        5.3.4 燃油系第68-71页
    5.4 其它声明第71-76页
        5.4.1 防止损坏和更改排放控制计算机的各项措施第71页
        5.4.2 OBD功能试验用电子模拟装置相关材料第71-76页
    5.5 OBD试验标定结果第76-78页
        5.5.1 国V要求第76页
        5.5.2 极限催化器的选择第76页
        5.5.3 国V整车OBD标定结果第76-78页
    5.6 本章小结第78-80页
第六章 N5整车上公告检测结果第80-84页
    6.1 上公告检测结果第80-83页
        6.1.1 轻型汽车双怠速污染物排放试验第80页
        6.1.2 常温下冷启动后排气污染物排放试验第80-81页
        6.1.3 轻型汽车曲轴箱污染物排放试验第81-82页
        6.1.4 轻型汽车蒸发污染物排放试验第82页
        6.1.5 轻型汽车污染物控制装置耐久性第82-83页
        6.1.6 低温下冷启动后排放中CO和THC排放第83页
        6.1.7 轻型汽车车载诊断(OBD)系统验证试验第83页
    6.2 本章小结第83-84页
第七章 全文工作总结第84-86页
参考文献第86-90页
作者简介第90-92页
致谢第92页
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