吳春玲，崔瑩泉，趙亮，高章

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

輕型汽油車滿足國(guó)六排放法規(guī)的技術(shù)路徑

吳春玲，崔瑩泉，趙亮，高章

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

文章對(duì)國(guó)五和國(guó)六排放法規(guī)限值進(jìn)行了對(duì)比，分析了污染物CO、HC、NOx和PM/PN產(chǎn)生的原因，總結(jié)了為滿足國(guó)六排放限值可選的技術(shù)路徑。

汽油車；國(guó)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，環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)六”)[1]。自2020年7月1日起，所有銷售和注冊(cè)登記的輕型汽車應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。如表1所示，與國(guó)五相比較[2]，國(guó)六測(cè)試循環(huán)由新歐洲測(cè)試循環(huán)（NEDC）改變?yōu)槭澜巛p型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WLTC）。國(guó)六b階段要求的常規(guī)氣態(tài)物排放限值降低了約50%，增加了N2O 和顆粒物數(shù)量PN的限值要求。

表1 輕型汽油車國(guó)5、歐6d及國(guó)6a/b排放限值

國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步加嚴(yán)對(duì)汽車行業(yè)的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)步提出了更高的要求，各類新的技術(shù)路徑也必將成為汽車開(kāi)發(fā)者的選擇。

1 降低氣態(tài)污染物排放的技術(shù)路徑

1.1 降低CO排放的技術(shù)

CO是汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)不完全燃燒的產(chǎn)物[3]，CO的生成主要受混合氣濃度的影響。產(chǎn)生CO排放的根本原因是混合氣過(guò)濃，在過(guò)量空氣系數(shù)φa＜1時(shí)，混合氣由于缺氧汽油中的碳不能完全被氧化成CO2而生成CO，在過(guò)量空氣系數(shù)Φa＞1時(shí)，此時(shí)混合氣較稀，總體氧氣過(guò)量，但也會(huì)由于油氣混合不均勻而造成局部φa＜1而產(chǎn)生CO。

相比國(guó)五限值要求，國(guó)六a階段CO排放降低30%，國(guó)六b階段降低50%，因此，為了滿足國(guó)六階段的CO排放限值要求，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)要求盡可能減少混合氣加濃，并且盡可能優(yōu)化燃油霧化，改善油氣混合均勻度。而混合氣加濃主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)高速大負(fù)荷工況下，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷大，排氣溫度較高（高達(dá)1100℃），會(huì)超過(guò)三效催化器中載體和催化劑涂層的承受范圍，通過(guò)加濃混合氣降低排氣溫度保護(hù)催化器。而燃油霧化不良，主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)的暖機(jī)過(guò)程。

降低排氣溫度，避免加濃混合氣的技術(shù)選擇有：（1）采用排氣歧管集成冷卻水套；（2）采用低壓冷卻 EGR，抑制爆震；（3）噴水技術(shù)，抑制爆震；（4）采用混合動(dòng)力系統(tǒng)，避免內(nèi)燃機(jī)工作在高速大負(fù)荷區(qū)；

改善燃油霧化的技術(shù)選擇有：（1）優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)，對(duì)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；（2）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；（3）降低噴油油霧液滴直徑（如采用多孔噴油器，提高冷機(jī)階段的噴油壓力）。

1.2 降低HC排放的技術(shù)

汽車HC排放的成分非常復(fù)雜[4]，其中包括烷烴、烯烴、芳香烴和醛類，主要來(lái)自于燃油的不完全燃燒。在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速及大負(fù)荷工況時(shí)，混合氣濃度處于φa＜1的過(guò)濃狀態(tài)下，燃油不完全燃燒產(chǎn)生 HC；因發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面淬熄效應(yīng)而導(dǎo)致燃油不完全燃燒產(chǎn)生HC排放，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和怠速時(shí)，燃燒室壁面溫度較低，更易產(chǎn)生淬熄層。

國(guó)六a階段THC和NMHC排放限值保持與國(guó)五階段一致，到國(guó)六b階段，限值下降約50%。考慮到排放測(cè)試循環(huán)從以穩(wěn)態(tài)工況為主的 NEDC循環(huán)改變成完全瞬態(tài)工況的WLTC循環(huán)，減排難度更大。

降低HC排放的主要技術(shù)措施有：（1）優(yōu)化標(biāo)定，合理匹配多次噴射，優(yōu)化氣門重疊角；（2）優(yōu)化燃油霧化，改善混合氣形成，例如提高冷機(jī)狀態(tài)下噴油壓力，優(yōu)化噴射導(dǎo)向減少氣閥、缸壁及活塞頂濕壁，采用多孔噴油器，改善燃油霧化，也可以采用雙噴油器；（3）機(jī)外排放控制技術(shù)主要是采用催化器快速起燃，采用緊耦式催化器或增加催化器載體目數(shù)（減小壁厚）便于催化器快速升溫，從而實(shí)現(xiàn)快速起燃。

1.3 降低NOx排放的技術(shù)

汽油機(jī)燃燒過(guò)程主要生成 NO，另有少量NO2，統(tǒng)稱作NOx，其中NO占NOx總排放量的95%。NO產(chǎn)生途徑包括高溫NO、激發(fā)NO和燃料NO，其中高溫富氧是NO產(chǎn)生的主要原因。國(guó)六a階段限值保持與國(guó)五一致，在國(guó)六b階段NOx限值收緊了42%。

參考了美國(guó)溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)和限值，國(guó)六階段引入了N2O限值要求，而歐六b對(duì)此無(wú)限值要求。N2O是溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛勢(shì)是CO2的298倍，也是我國(guó)《大氣污染防治法》規(guī)定要求管控的溫室氣體。

降低NOx排放的技術(shù)主要有：（1）采用廢氣再循環(huán)技術(shù)EGR，將廢氣冷卻后引入進(jìn)氣系統(tǒng)中，能有效降低燃燒最高溫度，抑制或者減少NOx的生成；（2）對(duì)富氧稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)，可以采用NOx吸附還原催化劑進(jìn)行后處理。

2 降低顆粒物（PM/PN）排放物的技術(shù)

尾氣中顆粒物主要由碳煙、可溶性有機(jī)物（未燃或燃燒不完全的燃油或潤(rùn)滑油）、硫酸鹽等組成[5]。顆粒物排放主要是由于混合氣不均勻，導(dǎo)致燃燒不完全，在高溫缺氧條件下氧化裂解而成。傳統(tǒng)氣道噴射汽油機(jī)油氣混合時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒物排放較少。直噴汽油機(jī)因燃料直接噴入缸內(nèi)，混合氣形成的時(shí)間較短，混合難以均勻，燃燒更易形成顆粒物。

國(guó)五階段僅對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)PM排放有限值要求，而對(duì)PN無(wú)限值要求；到國(guó)六階段，對(duì)氣道噴射和缸內(nèi)直噴汽油機(jī)都提出了PM和PN排放限值要求，并且國(guó)六b階段限值從4.5mg/km收緊到3mg/km，加嚴(yán)33%。

降低顆粒物（PM/PN）排放的技術(shù)主要有：（1）燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)，優(yōu)化進(jìn)氣道、燃燒室、噴油器及火花塞結(jié)構(gòu)和布置，從而實(shí)現(xiàn)合理組織進(jìn)氣氣流，提高缸內(nèi)混合氣均勻度，提高噴油壓力，優(yōu)化噴霧貫穿距離、噴霧錐角、減小噴霧粒徑，從而減小噴霧撞壁發(fā)生，特別是要減小活塞頂部和缸壁油膜形成；（2）標(biāo)定及控制策略優(yōu)化，可以多次噴射燃油，優(yōu)化噴油時(shí)刻；（3）提升燃油油品，合理控制蒸汽壓力，降低苯含量，禁止加入MMT；（4）優(yōu)化曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，提高油氣回收效率，降低潤(rùn)滑油燃燒消耗；（5）快速暖機(jī)，如汽缸蓋加熱（缸蓋和缸套雙水道）；（6）后處理技術(shù)，加裝顆粒物捕集器（GPF）。

3 結(jié)論

國(guó)六排放法規(guī)從測(cè)試循環(huán)到污染物排放限值全面加嚴(yán)，新增加了對(duì)N2O和PN的限值，為了應(yīng)對(duì)法規(guī)升級(jí)的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)應(yīng)做好從發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)排放控制到機(jī)外排放凈化技術(shù)的技術(shù)儲(chǔ)備。

[1] GB 18352.6-2016 輕型車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）.

[2] GB 18352.5-2013輕型車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）.

[3] 馬學(xué)紅.小型汽油機(jī)排放污染物的生成機(jī)理及凈化措施，[J]內(nèi)燃機(jī).2003年第6期：26-27.

[4] 李岳林,張志永.車用汽油機(jī)HC生成機(jī)理及排放控制技術(shù).[J]上海汽車 2006年1月.

[5] 范錢旺,尹琪.直噴汽油機(jī)顆粒物成因及滿足 EURO-VI排放限值技術(shù)路線.[J]上海汽車，2013年6月.

U461.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-103-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.034

CLC NO.: U461.9 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)12-103-02

吳春玲（1984.02--）碩士，中級(jí)工程師，就職于中國(guó)汽車技術(shù)研究中心。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)排放與測(cè)試。