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如何应对汽油机国六排放标准的系统

2019-08-10 09:36:00

根据环保部最新发布的国六。第六阶段排放要求的主要挑战是常规气体排放限值加严且更新了测试循环并引入了RDE，针对缸内直喷以及气道喷射汽油机都提出了PN以及PM的排放要求，蒸发排放限值加严，OBD诊断要求加严。如图1所示，与国五相比较，国六的b阶段要求的常规气体排放限值降低了约50%。应对国六b阶段的气体排放最大的挑战就是CO，其次是NMHC。本文将分别针对常规气体排放，颗粒物排放，蒸发排放探讨相关的系统应对策略。

图1 中国轻型车排放法规路线图（汽油机）

降低气体排放的应对措施

1.1

降低CO的措施

产生CO的根本原因是混合气过浓，因此为了满足国六的CO排放要求，电喷系统必须尽可能的减少混合气加浓，比如高速大负荷区的加浓保护，瞬态加浓，起动及暖机过程的加浓。如图2所示，为某1.4T进气道喷射发动机（原机满足国五排放）的CO排放曲线（WLTC循环），尤其是在高速大负荷区，由于排气温度过高为了保护催化器，往往会通过加浓混合气来降低排气温度，这种加浓操作会导致CO排放显著增加。

图2某1.4T进气道喷射发动机的CO排放曲线（WLTC循环）

为了避免高速大负荷区域混合气加浓，可能的解决措施有：

排气歧管集成冷却水套→降低排气温度

低压冷却EGR→抑制爆震，降低排气温度

喷水技术→抑制爆震，降低排气温度

48V系统→避免内燃机工作在高速大负荷区

降低起动和暖机过程的混合气加浓程度，则需要通过改善混合气制备，使燃油与空气更好地混合，相应的措施有：

优化进气系统，对于增压发动机可以改进进气系统增大滚流比

增大气门重叠角，利用内部EGR加热混合气改善冷机阶段的燃油雾化条件

降低喷油器的SMD：提高冷机阶段的系统压力，采用多孔喷油器

优化喷射导向

1.2

降低HC的措施

碳氢排放较高的原因通常是催化器起燃时间太长以及部分燃油未参与燃烧所导致的。通常碳氢排放主要来自于冷机阶段，如图3所示，为某1.5L 自然吸气进气道喷射发动机（原机满足国五排放）的非甲烷碳氢排放曲线（WLTC循环）。

图3某1.5L自然吸气进气道喷射发动机的NMHC排放曲线（WLTC循环）

降低碳氢排放的措施通常是从优化催化器起燃以及改善燃油雾化着手，常见的降低HC的措施为：

优化催化器

提高贵金属含量

优化催化器的布置位置，采用紧耦合催化器

增加催化器目数（比如600目或750目）

对于涡轮增压发动机，采用电子废气门或负压控制废气门

优化燃油系统，改善燃油雾化

-采用DECOS系统，冷机状态下

提高系统油压，改善燃油雾化

-优化喷射导向

-采用多孔喷油器

-采用双喷油器也是可选方案之一

-提高最大系统油压

-优化喷射导向

对于PFI 发动机

对于GDI发动机

优化空气系统

对于增压发动机，增大发动机滚流比，并合理选择增压器

采用双VVT，在冷机状态下采用较大的气门重叠角获得更大的内部EGR率，有效加热混合气，改善燃油雾化

优化匹配

对于GDI发动机，合理匹配多次喷射，最大程度做好推迟点火角与怠速稳定性的平衡，以加速催化器起燃

对于GDI发动机，提高冷机阶段的系统油压，改善燃油雾化

优化气门重叠角

降低颗粒排放物的措施

值得关注的是，国六对GDI发动机和PFI发动机都提出了颗粒排放物的限值要求，而且实际测试也发现有些PFI发动机的PN排放较高（高于国六排放限值）。如图4所示，为某1.4T 进气道喷射发动机（原机满足国五排放）的颗粒排放物曲线（WLTC循环）；如图5所示,为某2.0T 缸内直喷发动机（原机满足国五排放）的颗粒排放物曲线（WLTC循环）。

图4 某1.4T进气道喷射发动机的颗粒排放物曲线

图5 某2.0T 缸内直喷发动机的颗粒排放物曲线（WLTC循环）

2.1

GDI 降低颗粒排放物的措施

颗粒排放物形成的原因是，缸内存在液态油膜或局部较浓区域。通常GDI发动机的PN来源为：

气阀（进气阀）湿壁

活塞湿壁

气缸湿壁

喷油器头部湿壁

火力岸堆积的液态燃油

混合气局部过浓

降低GDI颗粒排放物的系统应对策略通常有三类：

改进高压喷射系统

P-DI（气道及缸内双喷系统）

GPF（颗粒捕集器）

改进高压喷射系统，具体的措施包括提高系统油压，改进喷油器喷孔设计减少喷油器头部湿壁，优化喷射导向减少气阀、缸壁及活塞顶湿壁；而P-DI 双喷系统，在中低负荷中小区域时使用气道喷射或组合喷射模式，减少缸内湿壁现象，从而达到减少颗粒排放物的目的；排气系统添加GPF，对发动机改动较小，相对容易实现，但是目前GPF价格较贵，而且新鲜GPF的过滤效率大至为65~80%左右，如果原机的PN原始排放太高，那么添加GPF之后很可能仍然无法满足国六的PN排放要求；此外GPF的再生要求其入口温度达到600摄氏度左右，因此需要将GPF的布置位置尽量靠近前催。当然改进发动机充气运动，使进气与燃油更好的混合，也可以改进PN排放；此外合理标定VVT位置以及燃油喷射策略，对于降低PN也有一定的效果。

2.2

PFI 降低颗粒排放物措施

研究表明，PFI发动机的PN来源主要为：

进气阀湿壁

气缸湿壁

混合气局部过浓

而对于PFI降低PN的措施通常为：

改进喷油器、改善喷射导向

提高冷机起动喷射油压

优化匹配

优化冷机阶段VVT位置

优化喷油相位

优化混合气控制，尽量避免混合气过浓

值得一提的是，为了深入分析不同发动机产生颗粒排放物的根本原因，最有效的手段基于光学测量进行分析，比如利用缸内内窥镜进行高速拍照。

降低蒸发排放的措施

由于国六规定的蒸发排放限值更低，测试条件更加恶劣，因此必须改进蒸发排放系统以提高驾驶循环下的冲洗流量。如下图所示，列举了4种蒸发排放控制系统方案。

对于自然吸气发动机，通常采用单回路的冲洗方案，如果想进一步提高碳罐冲洗流量，可以通过增大碳罐控制阀流量、增大碳罐冲洗回路的气管内径以及优化碳罐冲洗匹配数据来实现。

而对于增压小型化发动机，首先应当考虑的方案就是双回路+文丘里管，该方案与单冲洗回路相比，可以让发动机在中大负荷时仍然能够进行冲洗；如果双回路+文丘里管仍然无法满足冲洗流量的要求，则需要考虑采取其他方案，如冲洗泵方案或压力油箱方案；冲洗泵的作用是强制建立外界环境与冲洗管路之间的压差，增大冲洗流量；而压力油箱通常应用于混合动力车辆，当发动机停机时，通过截止阀强制切断油箱与碳罐之间的管路，将燃油蒸气憋在油箱内，当发动机重新运转时再打开截止阀，使油箱内的燃油蒸气进入碳罐，并激活碳罐冲洗控制，将燃油蒸气引入发动机气缸内参与燃烧。