關于某輕型商用車搭載1.5L自然吸氣發(fā)動機降低顆粒物（PN、PM）排放的控制方法

彭李 黃德高 杜松

摘? 要：國6法規(guī)中首次提出對PFI發(fā)動機排放污染物中的PM進行控制，且其限值與GDI發(fā)動機保持一致。當前國內(nèi)輕型商用車主要搭載PFI汽油發(fā)動機，對PM的排放控制尚屬世界范圍內(nèi)首次。文中提出對輕型商用車搭載的PFI汽油機PM污染物排放影響要素，并從中找到的控制的方法，有效降低了WLTC中的PM污染物排放。

關鍵詞：輕型商用車;污染物控制;PM

中圖分類號：U467.1+9? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0054-05

Abstract： The control of PM in PFI engine emission pollutants is proposed for the first time in the national 6 regulations， and its limit value is consistent with that of GDI engine. At present， domestic light commercial vehicles mainly carry PFI gasoline engine， and the emission control of PM is the first time in the world. In this paper， the influencing factors of PM pollutant emission from PFI gasoline engine carried by light commercial vehicles are put forward， and the control methods are found out to effectively reduce the emission of PM pollutants in WLTC.

Key Words：? light commercial vehicles; pollutant control; PM

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平得到質(zhì)的提升，同時人類對生存環(huán)境尤其是大氣環(huán)境的要求也越來越高。伴隨經(jīng)濟發(fā)展而來的空氣污染與人類對優(yōu)質(zhì)大氣環(huán)境需求之間的矛盾越來越突出。汽車尾氣中有害物質(zhì)對大氣環(huán)境的不利影響也越來越受到關注，為此環(huán)境保護部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合頒發(fā)了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱：國6法規(guī)）[1-2]。國6法規(guī)中首次對自然吸氣汽油發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的PM納入監(jiān)控且限值與GDI發(fā)動機保持一致。這在世界范圍內(nèi)屬于首創(chuàng)，對當前已量產(chǎn)的PFI發(fā)動機排放污染物控制提出了更高的要求。

綜上，基于某輕型商用車搭載1.5? L PFI發(fā)動機開展國6b法規(guī)測試，采取多種方法，使車輛降低排放污染物中的顆粒物PM含量，滿足法規(guī)要求。

1? ? 國6法規(guī)與國5法規(guī)的差異性分析

國5法規(guī)中，對于排放測試循環(huán)采用NEDC排放循環(huán)，國6法規(guī)則采用WLTC循環(huán)，測試循環(huán)有較大差異。

WLTC循環(huán)工況測試時間為1800? s，NEDC循環(huán)測試時間為1108? s，且WLTC循環(huán)測試工況以急加速、急減速為主，相對NEDC循環(huán)，發(fā)動機運行工況變化劇烈，對發(fā)動機電噴控制系統(tǒng)（簡稱：EMS）的瞬態(tài)控制和過渡工況控制提出了更高的要求。

通過對1.5L PFI發(fā)動機在WLTC循環(huán)中的運行工況分析，相對NEDC循環(huán)，發(fā)動機將長期處于大負荷工況運行。在工況下，發(fā)動機燃燒室中溫度較高，產(chǎn)生PM數(shù)量將高于NEDC循環(huán)。

2? ? PFI發(fā)動機PM污染物的控制方法

2.1? ?優(yōu)化噴油器的霧化效果

在某輕型商用車上搭載1.5? L PFI發(fā)動機采用4孔噴油器按照WLTC循環(huán)工況進行測試，其測得的排放結(jié)果見表1：

根據(jù)排放測試結(jié)果，NOx和PM結(jié)果嚴重超出法規(guī)限值，可通過污染物的結(jié)果分析其超標原因為：在WLTC工況中，由于發(fā)動機負荷較大，燃燒室內(nèi)溫度較高所致。

在WLTC循環(huán)的超高速段產(chǎn)生，此時發(fā)動機負荷較大，在不進行動力加濃的情況下，空燃比為14.7，排氣歧管模型預估溫度為1109℃，NOx和PM均在此工況下產(chǎn)生。

經(jīng)分析，認為NEDC循環(huán)中，采用4孔噴油器在不考慮PM控制的情況下，能滿足污染物排放的要求。但因WLTC循環(huán)，發(fā)動機運行工況發(fā)生變化，在大負荷工況下，由于燃燒溫度過高，需進一步優(yōu)化噴油器的霧化效果，降低PM的產(chǎn)生。采用6孔噴油器方案進行驗證。

采用6孔噴油器后，該車再次進行WLTC排放測試，測試結(jié)果見表3：

通過表3測試結(jié)果可知，采用霧化效果更佳的6孔噴油器后，該1.5L PFI發(fā)動機在WLTC中NOx和PM的排放水平得到了明顯的控制，但仍具滿足法規(guī)有一定距離，需要進一步降低PM的排放水平。

2.2? ?WLTC循環(huán)超高速段的影響

通過在WLTC測試循環(huán)中，發(fā)現(xiàn)PM污染物主要出現(xiàn)在超高速段。而按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》附件CA《I型試驗用測試循環(huán)及分解》和CB《手動檔汽車的換檔選擇及換檔點的計算方法》的要求，在超高速段時若車輛的額定功率不能滿足超高速段的最大需求功率，可對標準測試循環(huán)進行修正。

因該貨車最高設計車速為120? km/h，通過對該車搭載1.5? L PFI發(fā)動機在超高速段的需求功率和實際發(fā)出的可用功率進行對比。按照該車最高車速進行的實際可用功率與需求功率對比見圖5：

通過圖5可以分析，在超高速段，按照車輛最高車速120? km/h，有部分區(qū)域的需求功率>實際功率，在該區(qū)域內(nèi)，一旦實際車速無法跟隨WLTC的要求車速，則需要踩全油門。該操作將導致排放惡化甚至超標。

按照GB18352.6-2016中附件CA《I型試驗用測試循環(huán)及分解》中CA.4循環(huán)修正的要求，對該車最高車速進行限制，以滿足車輛排放達標的需求。修正后的功率對比見圖6：

通過將車輛最高車速鎖定在100km/h，在WLTC中超高速段的功率需求滿足法規(guī)要求，同時無全油門加速的風險，有利于排放污染物的控制。

2.3? ?排氣采樣尾管的影響

在采取了超高速段車速修正和6孔噴油器后，車輛排放污染物中的氣態(tài)污染物趨于穩(wěn)定，但顆粒污染物，尤其是PM的排放物呈不規(guī)律態(tài)分布。通過對車輛使用不同的測試質(zhì)量進行試驗，其數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4：

通過用濾紙分段采集WLTC中低速、中速、高速、超高速等四種工況的尾氣PM，發(fā)現(xiàn)高速和超高速PM占整個WLTC循環(huán)的80%以上。數(shù)據(jù)見表5：

為分析高速及超高速段PM產(chǎn)生的具體工況，通過采用AVL 483煙度計對WLTC中的顆粒物產(chǎn)生情況進行分析。數(shù)據(jù)采集結(jié)果見圖7：

通過對AVL 483煙度計的采集數(shù)據(jù)分析，發(fā)動機排放污染物中的顆粒物在高速段和超高速段并沒有出現(xiàn)明顯的增加。故對濾紙中采集的成分進行分析。分析結(jié)果見圖8：

通過對濾紙中對成分分析，如上圖9所示，發(fā)現(xiàn)F元素占比最大，而該元素并未存在與發(fā)動機和三元催化器中，懷疑為排放試驗室所用的橡膠密封管因高溫炙烤導致F元素揮發(fā)，進而影響了試驗測試結(jié)果，下圖10所示：

為驗證該判斷，將排放實驗室的氣體采集由橡膠改為金屬管件密封（見圖11），然后進行排放試驗。

通過連續(xù)8次對該車以最大TM=2100kg進行測試，其PM的結(jié)果均低于國家限值，結(jié)果見表6：

3? ? 結(jié)論

可知，采取以上的控制方法后，該車搭載1.5? L PFI發(fā)動機的污染物已得到有效控制，滿足國6法規(guī)的要求，且排放測試結(jié)果得到多次連續(xù)驗證，具有較好的可重復性，方案有效?？捎行Ы档蛙囕vPM的污染物排放。

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