如何應(yīng)對汽油機(jī)國六排放標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)

根據(jù)環(huán)保部最新發(fā)布的國六。第六階段排放要求的主要挑戰(zhàn)是常規(guī)氣體排放限值加嚴(yán)且更新了測試循環(huán)并引入了RDE，針對缸內(nèi)直噴以及氣道噴射汽油機(jī)都提出了PN以及PM的排放要求，蒸發(fā)排放限值加嚴(yán)，OBD診斷要求加嚴(yán)。如圖1所示，與國五相比較，國六的b階段要求的常規(guī)氣體排放限值降低了約50%。應(yīng)對國六b階段的氣體排放最大的挑戰(zhàn)就是CO，其次是NMHC。本文將分別針對常規(guī)氣體排放，顆粒物排放，蒸發(fā)排放探討相關(guān)的系統(tǒng)應(yīng)對策略。

圖1 中國輕型車排放法規(guī)路線圖（汽油機(jī)）

降低氣體排放的應(yīng)對措施

1.1

降低CO的措施

產(chǎn)生CO的根本原因是混合氣過濃，因此為了滿足國六的CO排放要求，電噴系統(tǒng)必須盡可能的減少混合氣加濃，比如高速大負(fù)荷區(qū)的加濃保護(hù)，瞬態(tài)加濃，起動(dòng)及暖機(jī)過程的加濃。如圖2所示，為某1.4T進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)（原機(jī)滿足國五排放）的CO排放曲線（WLTC循環(huán)），尤其是在高速大負(fù)荷區(qū)，由于排氣溫度過高為了保護(hù)催化器，往往會通過加濃混合氣來降低排氣溫度，這種加濃操作會導(dǎo)致CO排放顯著增加。

圖2某1.4T進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的CO排放曲線（WLTC循環(huán)）

為了避免高速大負(fù)荷區(qū)域混合氣加濃，可能的解決措施有：

排氣歧管集成冷卻水套→降低排氣溫度

低壓冷卻EGR→抑制爆震，降低排氣溫度

噴水技術(shù)→抑制爆震，降低排氣溫度

48V系統(tǒng)→避免內(nèi)燃機(jī)工作在高速大負(fù)荷區(qū)

降低起動(dòng)和暖機(jī)過程的混合氣加濃程度，則需要通過改善混合氣制備，使燃油與空氣更好地混合，相應(yīng)的措施有：

優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)，對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可以改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)增大滾流比

增大氣門重疊角，利用內(nèi)部EGR加熱混合氣改善冷機(jī)階段的燃油霧化條件

降低噴油器的SMD：提高冷機(jī)階段的系統(tǒng)壓力，采用多孔噴油器

優(yōu)化噴射導(dǎo)向

1.2

降低HC的措施

碳?xì)渑欧泡^高的原因通常是催化器起燃時(shí)間太長以及部分燃油未參與燃燒所導(dǎo)致的。通常碳?xì)渑欧胖饕獊碜杂诶錂C(jī)階段，如圖3所示，為某1.5L 自然吸氣進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)（原機(jī)滿足國五排放）的非甲烷碳?xì)渑欧徘€（WLTC循環(huán)）。

圖3某1.5L自然吸氣進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的NMHC排放曲線（WLTC循環(huán)）

降低碳?xì)渑欧诺拇胧┩ǔＪ菑膬?yōu)化催化器起燃以及改善燃油霧化著手，常見的降低HC的措施為：

優(yōu)化催化器

提高貴金屬含量

優(yōu)化催化器的布置位置，采用緊耦合催化器

增加催化器目數(shù)（比如600目或750目）

對于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，采用電子廢氣門或負(fù)壓控制廢氣門

優(yōu)化燃油系統(tǒng)，改善燃油霧化

-采用DECOS系統(tǒng)，冷機(jī)狀態(tài)下

提高系統(tǒng)油壓，改善燃油霧化

-優(yōu)化噴射導(dǎo)向

-采用多孔噴油器

-采用雙噴油器也是可選方案之一

-提高最大系統(tǒng)油壓

-優(yōu)化噴射導(dǎo)向

對于PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)

對于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)

優(yōu)化空氣系統(tǒng)

對于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，增大發(fā)動(dòng)機(jī)滾流比，并合理選擇增壓器

采用雙VVT，在冷機(jī)狀態(tài)下采用較大的氣門重疊角獲得更大的內(nèi)部EGR率，有效加熱混合氣，改善燃油霧化

優(yōu)化匹配

對于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，合理匹配多次噴射，最大程度做好推遲點(diǎn)火角與怠速穩(wěn)定性的平衡，以加速催化器起燃

對于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)，提高冷機(jī)階段的系統(tǒng)油壓，改善燃油霧化

優(yōu)化氣門重疊角

降低顆粒排放物的措施

值得關(guān)注的是，國六對GDI發(fā)動(dòng)機(jī)和PFI發(fā)動(dòng)機(jī)都提出了顆粒排放物的限值要求，而且實(shí)際測試也發(fā)現(xiàn)有些PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的PN排放較高（高于國六排放限值）。如圖4所示，為某1.4T 進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)（原機(jī)滿足國五排放）的顆粒排放物曲線（WLTC循環(huán)）；如圖5所示,為某2.0T 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)（原機(jī)滿足國五排放）的顆粒排放物曲線（WLTC循環(huán)）。

圖4 某1.4T進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放物曲線

圖5 某2.0T 缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放物曲線（WLTC循環(huán)）

2.1

GDI 降低顆粒排放物的措施

顆粒排放物形成的原因是，缸內(nèi)存在液態(tài)油膜或局部較濃區(qū)域。通常GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的PN來源為：

氣閥（進(jìn)氣閥）濕壁

活塞濕壁

氣缸濕壁

噴油器頭部濕壁

火力岸堆積的液態(tài)燃油

混合氣局部過濃

降低GDI顆粒排放物的系統(tǒng)應(yīng)對策略通常有三類：

改進(jìn)高壓噴射系統(tǒng)

P-DI（氣道及缸內(nèi)雙噴系統(tǒng)）

GPF（顆粒捕集器）

改進(jìn)高壓噴射系統(tǒng)，具體的措施包括提高系統(tǒng)油壓，改進(jìn)噴油器噴孔設(shè)計(jì)減少噴油器頭部濕壁，優(yōu)化噴射導(dǎo)向減少氣閥、缸壁及活塞頂濕壁；而P-DI 雙噴系統(tǒng)，在中低負(fù)荷中小區(qū)域時(shí)使用氣道噴射或組合噴射模式，減少缸內(nèi)濕壁現(xiàn)象，從而達(dá)到減少顆粒排放物的目的；排氣系統(tǒng)添加GPF，對發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)較小，相對容易實(shí)現(xiàn)，但是目前GPF價(jià)格較貴，而且新鮮GPF的過濾效率大至為65~80%左右，如果原機(jī)的PN原始排放太高，那么添加GPF之后很可能仍然無法滿足國六的PN排放要求；此外GPF的再生要求其入口溫度達(dá)到600攝氏度左右，因此需要將GPF的布置位置盡量靠近前催。當(dāng)然改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣運(yùn)動(dòng)，使進(jìn)氣與燃油更好的混合，也可以改進(jìn)PN排放；此外合理標(biāo)定VVT位置以及燃油噴射策略，對于降低PN也有一定的效果。

2.2

PFI 降低顆粒排放物措施

研究表明，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的PN來源主要為：

進(jìn)氣閥濕壁

氣缸濕壁

混合氣局部過濃

而對于PFI降低PN的措施通常為：

改進(jìn)噴油器、改善噴射導(dǎo)向

提高冷機(jī)起動(dòng)噴射油壓

優(yōu)化匹配

優(yōu)化冷機(jī)階段VVT位置

優(yōu)化噴油相位

優(yōu)化混合氣控制，盡量避免混合氣過濃

值得一提的是，為了深入分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生顆粒排放物的根本原因，最有效的手段基于光學(xué)測量進(jìn)行分析，比如利用缸內(nèi)內(nèi)窺鏡進(jìn)行高速拍照。

降低蒸發(fā)排放的措施

由于國六規(guī)定的蒸發(fā)排放限值更低，測試條件更加惡劣，因此必須改進(jìn)蒸發(fā)排放系統(tǒng)以提高駕駛循環(huán)下的沖洗流量。如下圖所示，列舉了4種蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)方案。

對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通常采用單回路的沖洗方案，如果想進(jìn)一步提高碳罐沖洗流量，可以通過增大碳罐控制閥流量、增大碳罐沖洗回路的氣管內(nèi)徑以及優(yōu)化碳罐沖洗匹配數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

而對于增壓小型化發(fā)動(dòng)機(jī)，首先應(yīng)當(dāng)考慮的方案就是雙回路+文丘里管，該方案與單沖洗回路相比，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)在中大負(fù)荷時(shí)仍然能夠進(jìn)行沖洗；如果雙回路+文丘里管仍然無法滿足沖洗流量的要求，則需要考慮采取其他方案，如沖洗泵方案或壓力油箱方案；沖洗泵的作用是強(qiáng)制建立外界環(huán)境與沖洗管路之間的壓差，增大沖洗流量；而壓力油箱通常應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，通過截止閥強(qiáng)制切斷油箱與碳罐之間的管路，將燃油蒸氣憋在油箱內(nèi)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)再打開截止閥，使油箱內(nèi)的燃油蒸氣進(jìn)入碳罐，并激活碳罐沖洗控制，將燃油蒸氣引入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)參與燃燒。

圖6 蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)方案

本文僅僅是針對國六的挑戰(zhàn)提出了一些可能的應(yīng)對策略，而各車企不同發(fā)動(dòng)機(jī)、不同車型所面對的問題各不相同，如何在這些可能的應(yīng)對策略中找出合適的方案，才是更大的挑戰(zhàn)。