介绍一种RDE发动机控制减排新功能

目前，节能减排的政策力度不断加大，为了控制内燃机车辆实际行驶过程的排放，国六法规引入了实际行驶污染物排放（Real Drive Emission）试验，简称RDE，RDE限值NTE（Not To Exceed）将于2023年7月1日开始实施。

根据市场机构预测，到2030年，国内乘用车市场内燃机汽车当年的销量占比仍然会在60%以上。低排放内燃机与新能源动力在很长一段时间内都将是汽车市场发展共同的主旋律。因此，联合电子在积极跟进新能源发展趋势的同时，在传统内燃机领域也在不断创新研发，为客户提供满足RDE法规要求的系统解决方案。

RDE系统解决方案包括系统零部件方案、减排软件功能及排放标定参数优化等。其中软件功能作为一项高性价比解决方案，可以在不额外增加硬件成本的基础上实现排放性能优化。因此，本文将结合RDE带来的难点与挑战，介绍一系列发动机控制减排新功能。

1. RDE简介

现行的国六Ⅰ型试验测试循环采用全球统一轻型车辆测试循环（WLTC），在恒温、恒湿的实验室环境中跟随固定的车速曲线行驶。而RDE试验时，车辆应该在实际道路上按正常的驾驶模式、状态和载荷行驶。但是，实际道路行驶也并不意味着任意行驶。如表1所示，国六法规规定了各种试验边界条件，包括温度、海拔等环境条件，以及市区、市郊和高速段的行驶路线要求等。

表1 国六法规RDE试验边界条件

关于RDE限值要求，国六法规规定，市区行程和总行程污染物排放均应小于Ⅰ型试验排放限值与下表2中规定的符合性因子（conformity factor，CF）的乘积，计算过程中不得进行修约。

表2 符合性因子

2. RDE带来的挑战

2.1 环境条件扩展带来的挑战

从表1可以看出，不同于Ⅰ型试验恒定的环境条件，RDE试验规定了比较宽泛的试验边界条件，其中环境温度扩展到-7~35℃，而发动机排放对于温度条件比较敏感，低温环境不利于均质混合气的形成，排放也会因此恶化。图1是RDE激进驾驶循环下不同环境温度的PN排放结果对比，可以看到随着环境温度的降低PN排放显著增加。

图1 某车型不同环境温度下RDE激进驾驶循环PN排放对比

2.2 驾驶风格不确定性带来的挑战

RDE没有固定的车速曲线，不同的驾驶风格对整车排放会产生很大的影响，图2是联合电子经过多次试验后定义的激进RDE测试循环与WLTC循环的对比。从图中可以看出，激进RDE驾驶覆盖更广的整车运行工况及更多的瞬态工况，这也将带来更高的排放。

图2 WLTC测试循环与联合电子激进RDE测试循环

2.3 生产一致性和在用符合性要求带来的挑战

法规对于生产一致性和在用符合性都提出了明确的要求，叠加上文提到的多种影响因素，对车辆排放的一致性和鲁棒性要求都更加苛刻。

综上所述，环境条件的扩展，驾驶风格的不确定性以及生产一致性和在用符合性的要求，对于RDE项目开发都带来了巨大的挑战。对于参与整车开发的各方，都要努力使整车原始排放的优化达到最优，提高整车排放的鲁棒性与一致性，避免因为以上诸多因素的干扰导致RDE试验超出限值。接下来将简要介绍为应对以上挑战，结合各种先进控制算法开发的一系列减排新功能。由于RDE没有固定的驾驶循环，项目排放优化第一步还是基于典型的WLTC进行，再基于各种自定义的RDE循环进行排放结果检查，因此为了排放结果验证的普适性及可重复性，本文中介绍的排放对比都是基于WLTC循环进行。

3. 面向RDE的发动机控制减排功能

3.1 面向环境条件扩展的优化功能

试验表明低温下-7/0℃的PN排放相比20℃成倍增加，法规中对-7℃排放结果除以1.6的扩展因子进行修正，而0℃结果则没有扩展因子修正，因此联合电子项目开发时将以0℃作为温度的最恶劣边界条件，关注该温度下各污染物排放结果。

多次喷射策略

开发背景

低温条件下缸内壁面的燃油湿壁是PN排放的主要来源，多次喷射技术，可以有效缩短油束贯穿距，减少冷机状态下的燃油湿壁，从而降低PN排放。目前，3次喷射技术已经得到较为广泛的应用，但是随着RDE法规对于低温环境的扩展以及低温大负荷激进驾驶的可能性，3次已经无法全面满足低温减排的要求。

功能描述

最多可支持7次喷射，有效缩短油束贯穿距；

各次喷射在进气、压缩冲程自由、灵活配置，满足起动、催化器加热、暖机等不同工况的应用要求；

实时监测喷射脉宽、喷射间隔时间等参数，出现异常情况进行喷射次数自动降级处理，提升功能鲁棒性。

从图3 某车型WLTC循环暖机阶段的排放结果对比中可以看到，相比单次喷射策略使用4次喷射后暖机阶段PN排放出现显著降低。

图3 多次喷射功能示意

及排放结果对比

3.2 面向驾驶风格不确定性的优化功能

国六法规对RDE试验的市区、市郊及高速段行驶路线做了基本要求，理论上满足该要求的行驶路线都可作为有效路线，但是不同驾驶员的驾驶风格存在较大差异，激进的驾驶风格将会带来更多的瞬态工况，而瞬态工况的增多也意味着更多的污染物排放。

瞬态喷油相位自适应

开发背景

试验研究表明，活塞顶部的燃油湿壁是瞬态工况PN排放的主要来源之一，传统的喷油相位标定在发动机台架稳态工况下根据转速、负荷等工况条件选择最优的喷射相位，而台架稳态工况下活塞表面处于较高温度，此时燃油喷射到活塞表明会很快蒸发不会产生湿壁。但是在实车瞬态工况特别是加速过程中，发动机从小负荷运行到大负荷工况，此时产生负荷阶跃，而活塞表面温度上升是一个缓变过程，此时如果喷油相位根据稳态标定的负荷阶跃到较提前的位置，就会产生活塞顶部燃油湿壁，带来PN排放。

功能描述

利用传热学原理建立活塞顶部温度模型，根据当前工况下的发动机转速、负荷、点火角等参数计算得到实时的活塞顶部模型温度；

根据活塞顶部温度，选择最优的喷油相位，据此对基础喷射相位进行实时调整，减少活塞顶部湿壁，从而降低PN排放。

图4某车型WLTC循环排放对比结果可以看出，使用瞬态喷油相位自适应功能后，PN排放结果出现明显的改善。

图4 瞬态喷油相位自适应功能原理

及排放结果对比

基于储氧量模型的催化器控制

开发背景

常规的催化器控制功能将后氧LSF传感器电压作为控制目标，但后氧电压只是催化器外部的表现，不能完全反应催化器内部储氧量等工作状态，无法保证催化器工作在最佳转换效率下，在混合气浓稀变化比较剧烈的瞬态工况，可能会导致排气在浓端或者稀端击穿，出现气态排放物的浓度尖峰。

功能描述

建立了催化器机理的数学模型，实时观测得到催化器内部储氧量状态；

将储氧量作为催化器闭环控制的目标，保证催化器工作在最佳转换效率，避免排气在浓端或者稀端击穿，从而降低排放。

图5 基于储氧量模型的催化器控制原理及效果示意

3.3 面向生产一致性和在用符合性的优化功能

国六法规对RDE试验的生产一致性和在用符合性都提出了要求，但是由于RDE试验本身存在的诸多不确定性因素，叠加各种零部件制造及老化带来的散差，对排放一致性和在用符合性都将带来极大的挑战。

基于神经网络的混合气分区自学习

开发背景

缸内混合气当量状态对污染物排放有着直接的影响，而发动机进气系统、喷油系统、排气后处理系统等多个子系统的传感器、执行器散差都会对混合气控制产生影响。混合气自学习功能就是为了学习上述散差带来的混合气预控偏差，然而传统的斜率、截距式的线性自学习模型已经很难描述当前因各种复杂零部件散差带来的非线性特征。

功能描述

利用神经网络算法，将发动机的整个运行工况优化为多个区域，分别对各区域的预控偏差进行学习；

可以将发动机转速、负荷及水温等多种因素作为网络的输入，满足不同工况、环境条件的分区修正需求。

从图6可以看到，在演示项目中使用基于神经网络的混合气自学习策略相比传统策略碳氢等污染物排放出现明显降低。

图6 基于神经网络的混合气分区自学习原理

及排放结果对比

喷油器静态流量自学习

开发背景

喷油精确控制一直是直喷汽油机减排的关键技术之一，喷油器静态流量作为喷油器的一项重要特性参数，在生产制造及积碳等老化情况下带来的散差，不仅影响不同车辆间的一致性，对单车的各缸不均匀性也会带来影响。传统策略使用单一的名义值作为所有喷油器静态流量标定值，无法识别各喷油器之间的静态流量偏差，带来喷油精度计算偏差。

功能描述

利用胡克定律建立了喷油器静态流量的数学机理模型；

通过对油轨压力变化、喷油脉宽的高频检测，计算得到各缸喷油器的静态流量相对值；

利用数值分析计算得到各缸喷油器静态流量与名义值之间的偏差，修正各喷油器间的偏差，实现更精确的喷油量控制。

图7中演示项目发动机四缸喷油器的真实静态流量与等效自学习流量的对比，可以看到，本功能很好的学习到了各缸喷油器静态流量的偏差。

图7 喷油器静态流量自学习功能原理

及学习结果对比

空燃比自适应控制

开发背景

前氧传感器闭环控制作为混合气控制的基础，对混合气的形成起着至关重要的作用，氧传感器自身特性决定了其信号处理过程是一个一阶惯性延迟环节，通常其特性参数在标定样车上通过标定方法得到，然而由于零部件散差及氧传感器自然老化/中毒等因素，该参数在车辆使用中会产生变化。

功能描述

利用随机梯度下降算法对前氧传感器特性参数进行在线辨识；

实时修正因车辆散差及传感器特性变化对氧传特性带来的影响，增强空燃比控制的鲁棒性。

图8排放结果对比了制造氧传感器延迟故障后，原策略和自适应控制策略的差异，可以看到经过两次排放循环的学习，自适应控制策略使一氧化碳的排放显著降低。

图8 空燃比自适应控制功能原理

及排放结果对比

结语

联合电子秉承“Software as a Service”的软件设计理念，采用基于模型的建模方法、神经网络算法、数值分析算法等先进控制算法，在不额外增加硬件成本的前提下，提供更加有效的减排功能，为客户提供满足RDE排放法规要求的解决方案。我们还在不断创新研发各种新功能、新软件，为客户创造价值，为节能环保贡献我们的力量。

责任编辑：lq6