轻型汽油车满足国六排放法规的技术路径

2018-01-09吴春玲崔莹泉赵亮高章

汽车实用技术 2017年12期

关键词：国五混合气限值

吴春玲，崔莹泉，赵亮，高章

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

轻型汽油车满足国六排放法规的技术路径

吴春玲，崔莹泉，赵亮，高章

（中国汽车技术研究中心，天津 300300）

文章对国五和国六排放法规限值进行了对比，分析了污染物CO、HC、NOx和PM/PN产生的原因，总结了为满足国六排放限值可选的技术路径。

汽油车；国六；排放

Technical path for light duty gasoline vehicle to meet China VI emission regualtion

Wu Chunling, Cui Yingquan, Zhao Liang, Gao Zhang
（China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

In this paper, the emission limits of China V and China VI are compared, the causes of pollutants CO, HC,NOx and PM/PN are analyzed, and the technical paths to meet the China VI emission regulation are summarized.

gasoline vehicle; China VI; emission

前言

2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局联合发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(以下简称“国六”)[1]。自2020年7月1日起，所有销售和注册登记的轻型汽车应符合该标准要求。如表1所示，与国五相比较[2]，国六测试循环由新欧洲测试循环（NEDC）改变为世界轻型车统一测试循环（WLTC）。国六b阶段要求的常规气态物排放限值降低了约50%，增加了N2O 和颗粒物数量PN的限值要求。

表1 轻型汽油车国5、欧6d及国6a/b排放限值

国六标准的进一步加严对汽车行业的节能减排技术进步提出了更高的要求，各类新的技术路径也必将成为汽车开发者的选择。

1 降低气态污染物排放的技术路径

1.1 降低CO排放的技术

CO是汽油在发动机缸内不完全燃烧的产物[3]，CO的生成主要受混合气浓度的影响。产生CO排放的根本原因是混合气过浓，在过量空气系数φa＜1时，混合气由于缺氧汽油中的碳不能完全被氧化成CO2而生成CO，在过量空气系数Φa＞1时，此时混合气较稀，总体氧气过量，但也会由于油气混合不均匀而造成局部φa＜1而产生CO。

相比国五限值要求，国六a阶段CO排放降低30%，国六b阶段降低50%，因此，为了满足国六阶段的CO排放限值要求，发动机开发要求尽可能减少混合气加浓，并且尽可能优化燃油雾化，改善油气混合均匀度。而混合气加浓主要发生在发动机高速大负荷工况下，此时的发动机热负荷大，排气温度较高（高达1100℃），会超过三效催化器中载体和催化剂涂层的承受范围，通过加浓混合气降低排气温度保护催化器。而燃油雾化不良，主要发生在发动机冷启动时的暖机过程。

降低排气温度，避免加浓混合气的技术选择有：（1）采用排气歧管集成冷却水套；（2）采用低压冷却 EGR，抑制爆震；（3）喷水技术，抑制爆震；（4）采用混合动力系统，避免内燃机工作在高速大负荷区；

改善燃油雾化的技术选择有：（1）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；（2）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；（3）降低喷油油雾液滴直径（如采用多孔喷油器，提高冷机阶段的喷油压力）。

1.2 降低HC排放的技术

汽车HC排放的成分非常复杂[4]，其中包括烷烃、烯烃、芳香烃和醛类，主要来自于燃油的不完全燃烧。在发动机怠速及大负荷工况时，混合气浓度处于φa＜1的过浓状态下，燃油不完全燃烧产生 HC；因发动机燃烧室壁面淬熄效应而导致燃油不完全燃烧产生HC排放，特别是在发动机冷启动和怠速时，燃烧室壁面温度较低，更易产生淬熄层。

国六a阶段THC和NMHC排放限值保持与国五阶段一致，到国六b阶段，限值下降约50%。考虑到排放测试循环从以稳态工况为主的 NEDC循环改变成完全瞬态工况的WLTC循环，减排难度更大。

降低HC排放的主要技术措施有：（1）优化标定，合理匹配多次喷射，优化气门重叠角；（2）优化燃油雾化，改善混合气形成，例如提高冷机状态下喷油压力，优化喷射导向减少气阀、缸壁及活塞顶湿壁，采用多孔喷油器，改善燃油雾化，也可以采用双喷油器；（3）机外排放控制技术主要是采用催化器快速起燃，采用紧耦式催化器或增加催化器载体目数（减小壁厚）便于催化器快速升温，从而实现快速起燃。

1.3 降低NOx排放的技术

汽油机燃烧过程主要生成 NO，另有少量NO2，统称作NOx，其中NO占NOx总排放量的95%。NO产生途径包括高温NO、激发NO和燃料NO，其中高温富氧是NO产生的主要原因。国六a阶段限值保持与国五一致，在国六b阶段NOx限值收紧了42%。

参考了美国温室气体排放标准和限值，国六阶段引入了N2O限值要求，而欧六b对此无限值要求。N2O是温室气体，其温室效应潜势是CO2的298倍，也是我国《大气污染防治法》规定要求管控的温室气体。

降低NOx排放的技术主要有：（1）采用废气再循环技术EGR，将废气冷却后引入进气系统中，能有效降低燃烧最高温度，抑制或者减少NOx的生成；（2）对富氧稀燃发动机，可以采用NOx吸附还原催化剂进行后处理。

2 降低颗粒物（PM/PN）排放物的技术

尾气中颗粒物主要由碳烟、可溶性有机物（未燃或燃烧不完全的燃油或润滑油）、硫酸盐等组成[5]。颗粒物排放主要是由于混合气不均匀，导致燃烧不完全，在高温缺氧条件下氧化裂解而成。传统气道喷射汽油机油气混合时间较长，颗粒物排放较少。直喷汽油机因燃料直接喷入缸内，混合气形成的时间较短，混合难以均匀，燃烧更易形成颗粒物。

国五阶段仅对缸内直喷汽油机PM排放有限值要求，而对PN无限值要求；到国六阶段，对气道喷射和缸内直喷汽油机都提出了PM和PN排放限值要求，并且国六b阶段限值从4.5mg/km收紧到3mg/km，加严33%。

降低颗粒物（PM/PN）排放的技术主要有：（1）燃烧系统优化改进，优化进气道、燃烧室、喷油器及火花塞结构和布置，从而实现合理组织进气气流，提高缸内混合气均匀度，提高喷油压力，优化喷雾贯穿距离、喷雾锥角、减小喷雾粒径，从而减小喷雾撞壁发生，特别是要减小活塞顶部和缸壁油膜形成；（2）标定及控制策略优化，可以多次喷射燃油，优化喷油时刻；（3）提升燃油油品，合理控制蒸汽压力，降低苯含量，禁止加入MMT；（4）优化曲轴箱通风系统，提高油气回收效率，降低润滑油燃烧消耗；（5）快速暖机，如汽缸盖加热（缸盖和缸套双水道）；（6）后处理技术，加装颗粒物捕集器（GPF）。