PFI發(fā)動機降低PN排放的措施有哪些

嚴格的國六排放法規(guī)即將實施，其中增加了在WLTC循環(huán)工況下的PN（顆粒排放物數(shù)量）排放限值，這不僅對直噴發(fā)動機（以下稱GDI發(fā)動機），也對傳統(tǒng)的進氣道噴射發(fā)動機（以下稱PFI發(fā)動機）提出了比較大的挑戰(zhàn)。目前，大家的目光主要集中在GDI發(fā)動機的PN排放的優(yōu)化，可是在我國市場上PFI發(fā)動機仍然占主導地位，2018年PFI發(fā)動機的市場占有率超過60%，并且很多的PFI發(fā)動機已經(jīng)出現(xiàn)PN排放超標的問題，因此PFI發(fā)動機采取何種技術措施有效應對國六排放，特別是如何降低PN排放變得越來越重要。

PFI發(fā)動機PN排放的來源

不同于GDI發(fā)動機，PFI發(fā)動機PN排放的來源主要有以下三個方面，如圖1所示。

圖1 PFI發(fā)動機PN排放來源

進氣氣閥內(nèi)表面及其閥座和燃燒室頂部油膜（圖中位置⑤）。PFI發(fā)動機中，通常燃油被噴油器噴入進氣道，在進氣道內(nèi)同進氣充量進行混合。當出現(xiàn)一些不利因素如噴油量較大，溫度較低時，燃油和空氣混合不充分，容易在進氣閥附近的進氣道壁面形成較多的液態(tài)油膜堆積。當進氣閥打開時，部分液態(tài)燃油隨進氣氣流進入氣缸內(nèi)，分布在進氣氣閥內(nèi)表面、進氣氣閥閥座以及燃燒室頂部區(qū)域，當燃燒發(fā)生時，這些區(qū)域的液態(tài)燃油油膜不完全燃燒，是形成PN的主要來源之一。

排氣側(cè)氣缸缸壁油膜（圖中位置②）。在某些工況下開閥噴射，燃油噴霧和空氣氣流混合不充分，部分液態(tài)燃油顆粒被進氣氣流帶到排氣側(cè)的氣缸缸壁積聚，形成液態(tài)油膜，后續(xù)不完全燃燒，形成顆粒排放物。

液態(tài)油滴在缸內(nèi)空間的不均勻分布（圖中位置⑥）。當進氣氣流較弱時，燃油和進氣充量混合不均勻，容易在缸內(nèi)空間產(chǎn)生液態(tài)的油滴。后續(xù)燃燒時，這些油滴不完全燃燒，成為PN的來源之一。

PFI發(fā)動機降低PN排放的措施

和國五的氣體排放相比，國六的PN排放優(yōu)化更加強調(diào)系統(tǒng)性的優(yōu)化，必須從噴油器噴霧設計、燃油噴射和進氣充量的混合、發(fā)動機試驗標定以及整車性能優(yōu)化方面通盤考慮，而不是單單強調(diào)其中的一個環(huán)節(jié)。本文主要針對PFI發(fā)動機，從噴油器噴霧設計優(yōu)化、進氣氣流、VVT優(yōu)化及發(fā)動機噴油控制參數(shù)優(yōu)化、后處理等方面來介紹PFI發(fā)動機中降低PN排放的一些措施。

2.1 噴油器噴霧設計優(yōu)化

當PFI發(fā)動機中燃油被噴入發(fā)動機進氣道時，同進氣道中的空氣充分混合，隨后混合氣被吸入氣缸中參與后續(xù)的燃燒過程。中小負荷下，較少的噴油量被噴入進氣道，在進氣道內(nèi)有足夠的時間進行蒸發(fā)，能夠和空氣充分混合，進氣過程中較易形成混合充分均勻的混合氣，在后續(xù)燃燒中充分燃燒，產(chǎn)生的PN排放水平較低。這是PFI發(fā)動機在中小負荷條件下PN排放通常優(yōu)于GDI發(fā)動機的主要原因。

但當處于大負荷區(qū)域時，隨著噴油量的增加，燃油在進氣門附近形成越來越多的液態(tài)油膜，被帶入氣缸內(nèi)造成較高的PN排放。此時，如何優(yōu)化噴油器噴霧形狀，促進燃油噴霧和進氣道空氣充分混合，就變得十分重要。實驗證明（如圖2），采用較大噴霧錐角（β角）的噴油器，能使噴霧液滴的SMD（紹特平均直徑）有效減小，同時增加燃油噴霧和空氣的混合區(qū)域，改善燃油噴霧和空氣的混合過程，獲得較低的PN排放。

圖2 不同β角噴油器的PN對比

2.2 噴油時刻的優(yōu)化

在大負荷工況下，還可以通過對噴油器噴油時刻的優(yōu)化降低PN排放。通常PFI發(fā)動機的噴油時刻被控制在進氣閥打開之前，燃油在進氣道被噴射并和空氣混合，即所謂的閉閥噴射（CVI）。在大負荷工況下，可以嘗試開閥噴射的噴射策略（OVI），即當進氣閥打開開始進氣過程時，燃油同時噴入氣缸內(nèi)。這樣，可以利用燃油噴霧和進氣氣流運動的配合達到混合氣良好混合的目的，以降低PN排放。如圖3所示，安裝噴油器A和B的PFI發(fā)動機，當進入開閥噴射后，噴油結束角EOI達到30°CA附近時，PN大幅度降低。

圖3 不同噴油時刻下的PN對比

這種策略的利用，需要在特定工況對目標發(fā)動機的噴油時刻進行掃描實驗，找出PN排放較低的點，同時還要考慮發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性、油耗、扭矩和其他氣體排放等沒有惡化，綜合考慮得到優(yōu)化的噴油時刻。

2.3 VVT控制的優(yōu)化

PFI發(fā)動機的PN排放很大一部分來自于起動和暖機過程，此過程中發(fā)動機進氣道壁面溫度較低，噴油器噴霧霧化條件較差，在冷的進氣閥附近壁面產(chǎn)生較多的液態(tài)油膜積聚，成為大量顆粒排放物的來源。此時，控制VVT產(chǎn)生較大的氣門重疊角，由于壓差的作用產(chǎn)生內(nèi)部EGR（廢氣再循環(huán)）效應，反流的EGR氣體會沖刷進氣閥上的液體油膜，使之蒸發(fā)和進氣充量再次混合，達到減少油膜促進混合氣混合的目的，最終降低PN排放。需要注意的是，加大氣門重疊角和內(nèi)部EGR，往往會造成燃燒的惡化，燃燒穩(wěn)定性降低。所以，采取此措施需要同時評估對燃燒穩(wěn)定性的影響，找到VVT控制的優(yōu)化點，有效降低PN排放，同時也保證對燃燒的負面影響較小。

2.4 提高系統(tǒng)噴油壓力

提高系統(tǒng)噴油壓力，被有些PFI發(fā)動機實驗證實，可以降低起動和暖機時的PN排放。其機理是，提高系統(tǒng)噴油壓力，可以降低噴油噴霧油滴SMD，促進混合氣的均勻混合過程，從而改善起動和暖機過程中的PN排放。由于生產(chǎn)和測試條件的限制以及燃油系統(tǒng)耐壓能力的限制，系統(tǒng)壓力只能提高到一定限度，對排放的改善有限。另外，該措施對PN排放的改善程度因不同PFI發(fā)動機而異。

2.5大進氣滾流比的進氣道設計

研究發(fā)現(xiàn)，PFI發(fā)動機采用大滾流比的進氣道設計，能夠強化進氣氣流運動，增強燃油和進氣充量的均勻充分混合，減少缸內(nèi)液態(tài)油膜的產(chǎn)生，從而降低PN排放。需要指出的是，對于自然吸氣的PFI發(fā)動機，進氣道采用大滾流比設計，可能降低全負荷工況下的進氣效率，影響到最大扭矩的發(fā)揮，需要對兩個影響因素進行綜合考慮。對于增壓PFI發(fā)動機，由于增壓系統(tǒng)的幫助，對最大扭矩往往影響較小。

2.6 排氣后處理技術GPF(汽油機顆粒捕捉器)

和GDI發(fā)動機類似，對于降低PN排放的后處理技術，PFI發(fā)動機也可以應用GPF技術，如圖4所示。GPF可以有效捕捉發(fā)動機排氣中的顆粒物，從而降低PN排放。采用GPF需要解決兩個主要問題，一是GPF的再生，GPF在工作一段時間后，顆粒物會接近充滿，GPF對顆粒的捕捉能力大幅下降。此時需要利用高溫的排氣將GPF中的顆粒物燒掉，此過程稱為再生。GPF在整車布置時就考慮其位置的優(yōu)化，應盡量在靠近發(fā)動機排氣管出口的位置，例如GPF和前級三元催化器緊耦合，以充分利用發(fā)動機廢氣的高溫，保證再生過程的順利進行。另一個問題是，OBD法規(guī)要求對GPF進行相關診斷，目前典型的配置是在GPF上安裝壓差傳感器以及溫度傳感器，EMS系統(tǒng)配合采用相應的診斷策略完成診斷。

圖4 典型的GPF系統(tǒng)布置圖