PFI發(fā)動機(jī)起動階段THC、NOx的排放控制研究

崔有利

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車行業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)《GB 18352.6—2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》加嚴(yán)了對CO、HC及NOx的要求。而PFI發(fā)動機(jī)排放的控制中難點普遍在于催化器未激活之前THC及NOx的控制，CO相對容易，故本文研究的是起動階段THC、NOx的排放控制。

1 污染物產(chǎn)生原理

1.1 PFI發(fā)動機(jī)THC產(chǎn)生的原理及難控制的原因簡介

THC產(chǎn)生的原理簡而言之就是汽油沒有得到充分燃燒。而PFI發(fā)動機(jī)相較GDI發(fā)動機(jī)，因不是在燃燒室內(nèi)進(jìn)行噴油，而是在進(jìn)氣道噴射，此情況形成油膜和沉積物的吸附效應(yīng)，進(jìn)而加大了THC原始排放的產(chǎn)生。另外，GDI發(fā)動機(jī)還可以利用高壓油泵、多次噴射等手段，充分霧化燃油，進(jìn)一步遏制THC的原始排放。

1.2 PFI發(fā)動機(jī)NOx產(chǎn)生的原理及難控制的原因簡介

NOx產(chǎn)生的原理簡單來講即是高溫富氧。因GDI發(fā)動機(jī)的燃油在缸內(nèi)蒸發(fā)霧化，而PFI發(fā)動機(jī)是在進(jìn)氣道霧化，缸內(nèi)霧化能夠降低缸內(nèi)溫度，進(jìn)而遏制高溫條件，所以PFI發(fā)動機(jī)相較于GDI發(fā)動機(jī)NOx控制難度也得以加大。具體的反應(yīng)式如圖1所示。

圖1 反應(yīng)式

2 排放污染物的分布

一個排放優(yōu)化好的車輛排放污染物的秒采，一般情況如圖2、圖3所示。

圖2 NOx污染物分布

圖3 THC污染物分布

從圖2、圖3中的秒采可以看出，NOx和THC的污染物主要集中在起動階段。起動階段催化器未激活，無法完成轉(zhuǎn)化反應(yīng)，所以對排放標(biāo)定而言，起動階段的標(biāo)定為精細(xì)化標(biāo)定的過程，本文研究的是通過理論及試驗確認(rèn)空燃比、點火角對相關(guān)污染物的影響。

3 車輛的選取

本課題的研究是選取江淮的某一款5座、動力總成為1.5T+6DCT的SUV車型，此車在發(fā)動機(jī)、催化器、GPF等完全固化后進(jìn)行的測試。

4 污染物影響因素的研究

4.1 空燃比

理論上，THC隨空燃比的減小而增加，NOx隨空燃比的減小而增多，但具體空燃比影響如何需做試驗進(jìn)行研究確認(rèn)。

圖4為測試車輛起動怠速過程中，點火角、轉(zhuǎn)速控制基本相同的情況下，不同空燃比控制下具體數(shù)據(jù)表現(xiàn)，圖5、圖6為THC及NOx秒采的表現(xiàn)。

圖4 點火角、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，不同空燃比的對比數(shù)據(jù)

圖5 點火角、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，THC起動催化器起燃階段的秒采

圖6 點火角、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，NOx起動催化器起燃階段的秒采

從圖5、圖6中及數(shù)據(jù)圖4上可以看出，怠速時，空燃比從0.98變化到1.04左右后，THC從峰值300ppm降到200ppm。NOx從峰值30ppm升到45ppm，但怠速穩(wěn)定性有些許惡化。

4.2 點火角

理論上，點火角越小，缸內(nèi)燃燒越遲，故缸內(nèi)高溫狀態(tài)持續(xù)的時間越短，進(jìn)而遏制高溫條件，故NOx隨點火角的減小而減少，但點火角減少后，會使燃?xì)怏w量增加，燃?xì)怏w量增加后，又會加大NOx的產(chǎn)生，兩者一中和，具體NOx是增加還是減少，需要做試驗進(jìn)行驗證。

另外，點火角減小后，會使燃燒變遲，可能存在混合氣來不及燃燒，導(dǎo)致燃燒不充分，使THC排放量增多。

圖7為測試車輛起動怠速過程中，轉(zhuǎn)速為1500r/min、空燃比基本為1.02左右的情況下，不同點火角控制的數(shù)據(jù)對比表現(xiàn)。圖8、圖9為THC、NOx秒采的表現(xiàn)。

圖7 空燃比、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，不同點火角的對比數(shù)據(jù)

圖8 空燃比、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，THC起動催化器起燃階段的秒采

圖9 空燃比、轉(zhuǎn)速控制相同的情況下，NOx起動催化器起燃階段的秒采

從圖9、圖10中及數(shù)據(jù)圖8上可以看出，怠速時，點火角從-6變化到-15左右后，THC從峰值250ppm降到200ppm。NOx從峰值42ppm降到28ppm，但怠速的穩(wěn)定性變得惡化。

5 總結(jié)

在發(fā)動機(jī)不失火的情況下，點火角和空燃比對污染物的影響如下。

1）混合氣越濃，THC越高，NOx越低，怠速穩(wěn)定性越好，而1.04的空燃比怠速穩(wěn)定性可接受。

2）起燃階段點火角越小，點火時刻越遲，混合氣可能存在燃燒不充分即排出的情況，可能使THC偏高，但通過試驗發(fā)現(xiàn)，點火角的推遲，并未使THC排放惡化，點火角變小，反而THC越低。

3）起燃階段點火角越小，NOx越低，但怠速穩(wěn)定性會變差。

6 建議

綜上研究，點火角、空燃比的選取對排放的控制起到了更為關(guān)鍵作用，對NOx、THC均具有同向的作用，但點火角越小，空燃比越稀，怠速穩(wěn)定性均越差，在具體實踐的過程中，需均衡兩者，既要保證排放通過，又要確保怠速轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

因1.04的空燃比，點火角為-15時，怠速穩(wěn)定性勉強(qiáng)可接受，該值為極限可接受的狀態(tài)，故在實際標(biāo)定過程中，建議空燃比不要大于1.04，點火角盡可能控制到-15以上。