PFI汽油車(chē)WLTC氣態(tài)排放物影響因素的分析研究

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

近年來(lái)，汽車(chē)工業(yè)在我國(guó)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，我國(guó)汽車(chē)保有量逐年增長(zhǎng)。但保有量持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)也帶來(lái)了污染程度的加大，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施。為了控制和解決污染問(wèn)題，我國(guó)從2001 年開(kāi)始實(shí)施國(guó)家第一階段機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)18 年的發(fā)展，于2020 年7 月1 日實(shí)施了GB 18352.6-2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（簡(jiǎn)稱國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)）。對(duì)于汽油車(chē)，相較于目前普遍執(zhí)行的國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)主要變更了Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)，加嚴(yán)了污染物排放限值，增加了汽油車(chē)排放顆粒物數(shù)量檢測(cè)要求，新增了RDE（實(shí)際行駛污染物排放）試驗(yàn)要求[1]?？梢钥闯?，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)的排放提出了更高的要求。

對(duì)于進(jìn)氣道噴射的汽油車(chē)，為了滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，需要充分分析國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求的Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)（WLTC）下的氣態(tài)排放物排放特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)排放物更優(yōu)的控制。

本文以滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的某PFI（進(jìn)氣道噴射）汽油車(chē)為研究對(duì)象，使用精密稀釋空氣系統(tǒng)、氣袋采樣分析單元、汽車(chē)排放測(cè)試系統(tǒng)等設(shè)備，分析研究了該汽油車(chē)在進(jìn)行WLTC 測(cè)試時(shí)的氣態(tài)排放物排放特性。

1 國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣態(tài)排放物的限值

汽車(chē)尾氣中的氣態(tài)污染物主要包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、總碳?xì)浠衔铮═HC）、非甲烷碳?xì)浠衔铮∟MHC）、氧化亞氮（N2O）[2]，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述氣態(tài)排放物的限值如表1 所示。

表1 國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)氣態(tài)排放物排放限值 mg/km

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣車(chē)為滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的某汽油車(chē)，搭載PFI 汽油機(jī)，增壓中冷，進(jìn)排氣雙VVT，進(jìn)氣道安裝雙噴油器。

試驗(yàn)環(huán)境及設(shè)備如圖1 所示。

試驗(yàn)樣車(chē)在排放試驗(yàn)環(huán)境艙中進(jìn)行預(yù)處理后，在+25 ℃的環(huán)境下浸車(chē)8 h，利用滾筒直徑為1 219 mm的底盤(pán)測(cè)功機(jī)模擬道路行駛阻力，尾氣先經(jīng)過(guò)精密稀釋空氣系統(tǒng)（CVSi60，總流量為7.5 m3/min）稀釋，再進(jìn)入定容取樣單元，借助氣袋采樣單元，最后通過(guò)氣體分析儀（AMAi60）分析，得出排放結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況為國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)WLTC（worldwide harmonized light duty vehicle test cycle），主要考核整車(chē)動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的排放水平。循環(huán)時(shí)間共計(jì)1 800 s，里程為23.27 km，最大車(chē)速為131.3 km/h，平均車(chē)速為46.5 km/h，最大加速度為1.67 m/s2，最大減速度為1.5 m/s2。相較于國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的NEDC（新歐洲駕駛循環(huán)）工況，WLTC 工況更加接近實(shí)際駕駛情況。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，該循環(huán)工況范圍更廣，所覆蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷區(qū)域更大[3-4]。

圖1 整車(chē)排放試驗(yàn)圖

WLTC 由低速段（包含冷起動(dòng)）、中速段、高速段及超高速段4 個(gè)特征工況組成[5]，如圖2 所示。樣車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在3 000 r/min、40%負(fù)荷以下的中低轉(zhuǎn)速、中低負(fù)荷區(qū)域。

圖2 WLTC 工況圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

該樣車(chē)排放試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表2 可以看出，該樣車(chē)排放完全滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 排放試驗(yàn)結(jié)果

3.2 氣態(tài)排放物排放特性分析

圖3 為該樣車(chē)進(jìn)行WLTC 各工況CO、THC、NOx的排放分布水平。

其中，低速段排放量占總排放量的比重較高，該工況CO 排放量占CO 總排放量的74%，NOx排放量占NOx總排放量的81%，THC 排放量占THC 總排放量的63%。由此可知，該P(yáng)FI 汽油車(chē)氣態(tài)排放物的主要來(lái)源是在低速段。

圖3 WLTC 各工況CO、THC、NOx 排放分布

WLTC 低速段主要包括冷機(jī)起動(dòng)、暖機(jī)、前氧過(guò)露點(diǎn)階段（由于排氣系統(tǒng)中存在水蒸氣，為了避免前氧傳感器中的陶瓷體開(kāi)裂，需要達(dá)到露點(diǎn)溫度后進(jìn)行前氧傳感器全功率加熱）、前氧閉環(huán)階段、催化器加熱完成等階段，如圖4 所示。

圖4 WLTC 低速段重要標(biāo)志位置位時(shí)間

為了更好地適應(yīng)不同油品，保證車(chē)輛的起動(dòng)能力，冷機(jī)起動(dòng)階段噴油量較大；暖機(jī)階段，為了催化器盡快起燃，提高怠速轉(zhuǎn)速。為了取得比較好的排放效果，此階段的空燃比不宜偏濃，因此缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化效果較差，導(dǎo)致相對(duì)空燃比較低，且車(chē)輛起動(dòng)后，有22.9 s 的時(shí)間處于開(kāi)環(huán)控制，導(dǎo)致相對(duì)空燃比不準(zhǔn)確；同時(shí)，車(chē)輛起動(dòng)后的68.2 s 內(nèi)，催化器未起燃，三元催化器對(duì)氣態(tài)排放物的轉(zhuǎn)化效率低。轉(zhuǎn)化效率如圖5 所示。

圖5 三催轉(zhuǎn)化效率圖

上述各因素是導(dǎo)致低速段排放過(guò)高的主要原因。

WLTC 中速段、高速段及超高速段，影響排放的因素主要有過(guò)渡工況、換擋工況、斷油清氧工況等。

在過(guò)渡工況，歧管?chē)娚涫共糠秩加蛧娚涞狡绻苌闲纬捎湍?。按照油膜特點(diǎn)，分為長(zhǎng)油膜和短油膜兩類，如圖6 所示。

圖6 過(guò)渡工況油膜分類圖

油膜的積累及釋放與歧管壓力相關(guān)，加速工況歧管壓力加大，附著的油膜容易吸附，實(shí)際噴入缸內(nèi)的燃油少，相對(duì)空燃比較大，因此要額外增加噴油；減速工況歧管壓力減小，附著的油膜蒸發(fā)充分，實(shí)際噴入缸內(nèi)的燃油多，相對(duì)空燃比較小，因此要額外減少噴油。

在中速段、高速段、超高速段的氣態(tài)排放物排放主要來(lái)自過(guò)渡工況的油膜補(bǔ)償，如果補(bǔ)償不當(dāng)，會(huì)使過(guò)多的燃油進(jìn)入缸內(nèi)，導(dǎo)致排放偏高。

在瞬態(tài)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)從中高速大負(fù)荷直接降到低速小負(fù)荷時(shí)，會(huì)有一定流量的空氣通過(guò)空氣濾清器補(bǔ)氣管進(jìn)入曲軸箱（如圖7 所示），再通過(guò)曲軸箱通風(fēng)管的單向閥（流量限制）進(jìn)入進(jìn)氣歧管。曲軸箱通風(fēng)管路中的氣體含有曲軸箱內(nèi)油氣混合氣，如果油氣分離效果不好，就會(huì)使混合氣偏濃，導(dǎo)致排氣中的CO 量偏高。

圖7 非增壓區(qū)補(bǔ)氣流量圖

在換擋工況，換擋發(fā)生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突然變小，管壁上的油膜直接進(jìn)入燃燒室中參與燃燒，導(dǎo)致相對(duì)空燃比降低，使CO 排放量過(guò)高，如圖8 所示。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷小于軟件設(shè)定的最小負(fù)荷，會(huì)破壞噴油閉環(huán)條件而進(jìn)入開(kāi)環(huán)噴射，高頻的開(kāi)環(huán)閉環(huán)交替同樣會(huì)造成CO 和THC 的排放異常。此外，如果發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前負(fù)荷需要的噴油脈寬小于噴油器流量特性的最小噴油脈寬，就會(huì)使噴油器進(jìn)入非線性區(qū)噴射，使得噴油特性不受控制，使CO 排放升高，因此要避免噴油器進(jìn)入非線性區(qū)噴射。另外，還要注意避免在進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)噴射，開(kāi)閥噴射同樣會(huì)使THC 排放量升高。

斷油清氧工況排放如圖9 所示。

為了實(shí)現(xiàn)降低油耗的目的，標(biāo)定策略中規(guī)定，收油門(mén)帶擋滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，這時(shí)三元催化器內(nèi)的氧氣增加；恢復(fù)供油時(shí)，催化器內(nèi)混合氣成分偏稀，導(dǎo)致NOx排放增加。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)主動(dòng)減小目標(biāo)空燃比來(lái)消耗三元催化器內(nèi)的氧氣，這會(huì)使CO 排放量增加。

圖8 換擋工況排放圖

圖9 斷油清氧排放圖

4 結(jié)論

整車(chē)進(jìn)行WLTC 排放測(cè)試時(shí)，氣態(tài)排放物排放量主要集中在低速段。這是因?yàn)榈退俣伟ɡ錂C(jī)起動(dòng)混合氣加濃、空燃比開(kāi)環(huán)控制和催化器未起燃，這些因素導(dǎo)致排放不可控，從而使排放升高。因此，未來(lái)進(jìn)行排放標(biāo)定時(shí)，應(yīng)著重采取冷機(jī)起動(dòng)混合氣加濃、暖機(jī)階段空燃比控制、縮短開(kāi)環(huán)時(shí)間、縮短催化器起燃時(shí)間以及避開(kāi)噴油器最小噴油脈寬等方面的控制策略。

對(duì)于WLTC 的中速、高速及超高速段，排放升高基本發(fā)生在過(guò)渡工況、換擋工況以及斷油清氧工況。主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的突變使相對(duì)空燃比偏離目標(biāo)值。因而對(duì)于中高速的排放控制應(yīng)著重關(guān)注上述幾個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化工況的噴油控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)空燃比的精確控制。