來源：NE時代

被稱為史上最嚴(yán)排放法規(guī)的國六b已于2023年7月頒布執(zhí)行。而正在討論制定的國七排放法規(guī)將進(jìn)一步加嚴(yán)，這將對汽車排放控制提出更大的挑戰(zhàn)。本文在介紹國六b及國七排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解析了PN排放產(chǎn)生的根源，并提出了針對性的系統(tǒng)解決方案。

1. 國六b及國七排放法規(guī)介紹

相比于國五，國六b階段要求的常規(guī)氣體排放限值降低了約50%，標(biāo)準(zhǔn)顯著加嚴(yán)，且首次引入了顆粒物數(shù)量（PN）排放限值和RDE測試要求。同時，在國六b標(biāo)準(zhǔn)中，相比混合動力汽車（如PHEV、REEV），傳統(tǒng)燃油車的RDE冷機(jī)階段（0~300s）排放不計(jì)入排放限值，這在一定意義上降低了對燃油車的要求。

而國七標(biāo)準(zhǔn)則在國六b標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)一步收緊，計(jì)劃對PN排放提出更為苛刻的要求。除了可能將PN排放的測試范圍由 >23nm擴(kuò)展到 >10nm以外，傳統(tǒng)燃油車將和混合動力汽車采用相同標(biāo)準(zhǔn)，即也包含RDE冷機(jī)階段的排放。這不僅對混合動力汽車提高了要求，更是對燃油車造成了非常大的挑戰(zhàn)。

圖1 中國輕型車排放法規(guī)路線圖（汽油機(jī)）

2. 顆粒物PN排放產(chǎn)生機(jī)理解析

如前所述，國六第一次對汽油機(jī)的顆粒物數(shù)量排放提出了要求，而國七進(jìn)一步加嚴(yán)了顆粒物數(shù)量的排放要求。PN排放抑制是所有排放中的難點(diǎn)，且GDI的PN排放較PFI高。因此，本文將重點(diǎn)分析GDI發(fā)動機(jī)的PN排放抑制策略。

基于大量工程研究和實(shí)踐，GDI發(fā)動機(jī)的PN來源包括氣閥（進(jìn)氣閥）濕壁、活塞濕壁、氣缸濕壁、噴油器頭部濕壁、火力岸堆積的液態(tài)燃油、混合氣局部過濃。

3. 國六b及國七PN排放解決方案分析

系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，PN排放可以通過三個方面進(jìn)行優(yōu)化，包括后處理GPF過濾技術(shù)、整車標(biāo)定策略，以及發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化。其中，GPF是降低PN排放的最有效手段，整車標(biāo)定策略優(yōu)化是降低PN排放的重要手段，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化是降低PN的可行方法。

3.1 GPF是降低PN排放的最有效手段

GPF，即汽油機(jī)顆粒物捕集器，可有效捕集發(fā)動機(jī)在各種工況下的PN排放，過濾效率高達(dá)80~90%，能夠完美消除油品波動、發(fā)動機(jī)冷熱機(jī)切換、發(fā)動機(jī)負(fù)荷突變、耐久等嚴(yán)苛條件下的PN波動，是降低PN排放的最有效手段。需要重點(diǎn)指出的是，耐久工況下，隨著里程的增加，PN排放波動很大。如圖2 a) 所示,在不裝GPF的16萬公里耐久測試中，WLTC的原始PN排放在20%到118%限值范圍內(nèi)波動。也就是說，即使新車滿足排放法規(guī)，也可能在后續(xù)的耐久測試中出現(xiàn)排放超標(biāo)的情況。而如果加裝了GPF，如圖2 b)所示，在整個20萬公里的耐久測試中，PN排放都保持在非常低的水平，確保了完全滿足排放法規(guī)。因此，目前歐洲乘用車全部搭載GPF，國內(nèi)絕大部分乘用車也采用GPF來控制顆粒物排放。

a) 無GPF的16萬公里耐久PN排放

b) 帶GPF的20萬公里耐久PN排放

圖2 GPF對PN耐久排放影響的測試結(jié)果

3.2 整車標(biāo)定策略優(yōu)化是降低PN排放的重要手段

整車標(biāo)定策略在傳統(tǒng)燃油車、SP-PHEV以及REEV中都發(fā)揮了非常重要的角色。發(fā)動機(jī)控制器通過燃油噴射策略以及油氣混合策略，混合動力控制器通過發(fā)動機(jī)和電動機(jī)扭矩的協(xié)同都可以很大程度降低PN排放。但需要指出的是，標(biāo)定策略對PN與NOx影響趨勢不一致。例如，為了解決RDE激進(jìn)駕駛工況下的NOx排放，混合氣會略微偏濃，但這會導(dǎo)致PN排放的快速上升。為了解決該問題， GPF依然是最為有效的控制手段，可以實(shí)現(xiàn)同時降低PN和NOx排放的目的。

整車標(biāo)定在解決PN方面的措施包括：

（1） 冷機(jī)多次噴射（>3次）

冷機(jī)多次噴射，特別是多于3次噴射，可顯著縮短油束貫穿距，降低燃油濕壁（氣閥、活塞、缸壁）所導(dǎo)致的PN排放，特別是在冷機(jī)且發(fā)動機(jī)負(fù)荷急速增加的工況下。如圖3所示的傳統(tǒng)燃油車，在WLTC 冷機(jī)階段的加速工況，通過4次噴射策略，將原始PN排放降低了1/3。

圖3 WLTC循環(huán)中0~300s冷起動階段(T_water<60℃)，多次噴射對PN排放的優(yōu)化

（2） 基于活塞表面溫度的最優(yōu)化噴油時刻策略

冷機(jī)狀態(tài)下，活塞表面的溫度較低，燃油噴射過程中的油束在碰到活塞表面后不容易蒸發(fā)。而在負(fù)荷瞬態(tài)增加的過程中，在前面多個發(fā)動機(jī)循環(huán)中，活塞溫度較低，噴射的燃油就不容易充分蒸發(fā)，這是導(dǎo)致PN排放的主要原因。基于此機(jī)理，可以通過模型計(jì)算活塞表面的溫度，在發(fā)動機(jī)收到扭矩瞬態(tài)增加的請求后，通過適當(dāng)推遲燃油噴射的時刻，降低燃油碰到低溫活塞表面的可能性，從而抑制顆粒物的生成，如圖4所示的整車循環(huán)工況測試結(jié)果。

圖4 基于活塞表面溫度的最優(yōu)化噴油時刻策略對于冷機(jī)負(fù)荷突變工況下PN排放的改善效果

（3）混動優(yōu)化策略

如上述機(jī)理分析和測試，冷機(jī)疊加發(fā)動機(jī)負(fù)荷瞬態(tài)增加會導(dǎo)致顆粒物排放的大幅上升。這個問題在混合動力汽車中可以很容易地得到解決。如在串并聯(lián)混合動力或者并聯(lián)混動中，通過整車標(biāo)定策略優(yōu)化，用電動機(jī)的扭矩輸出降低整車對發(fā)動機(jī)的扭矩需求，達(dá)到削峰填谷的效果，從而抑制發(fā)動機(jī)負(fù)荷的突變。特別是在增程式電動車中，由于發(fā)動機(jī)和整車驅(qū)動解耦，配合優(yōu)化的SOC (電池荷電狀態(tài)) 策略，發(fā)動機(jī)可以運(yùn)行在穩(wěn)態(tài)工況，從而徹底解決了發(fā)動機(jī)負(fù)荷瞬態(tài)變化的問題，使得PN排放降到很低的水平。

3.3 發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化是降低PN的可行手段

顆粒物排放是發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃油擴(kuò)散燃燒的產(chǎn)物。發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、噴油器噴孔及油束形態(tài)優(yōu)化，以及提高噴油壓力均對PN排放有抑制效果。

（1） 進(jìn)氣滾流比提升

進(jìn)氣滾流比提升，可促進(jìn)燃油與空氣的相互作用，進(jìn)而提高混合氣均勻性。同時，較高的氣流運(yùn)動也會將附著在缸壁、活塞表面的未蒸發(fā)燃油卷起，減少燃油濕壁，從而抑制顆粒物的生成。

（2） 噴油器噴孔內(nèi)部流場及油束優(yōu)化

如圖5所示，通過改進(jìn)噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化噴嘴內(nèi)部流動特性。同時，通過調(diào)整噴孔外部沉孔結(jié)構(gòu)的長徑比，能夠?qū)⑷加妥脖谖恢孟拗圃趪娪推骺變?nèi)，避免噴油器頭部的濕壁現(xiàn)象。此外，通過多孔噴嘴噴孔位置的調(diào)整，可以進(jìn)一步優(yōu)化噴霧油束形態(tài)，將橢圓形的噴霧油束調(diào)整為三角形的油束形態(tài)，能夠有效減少燃油與活塞、氣門、缸壁的碰撞，進(jìn)而減少濕壁。如圖6所示，通過噴孔結(jié)構(gòu)及噴霧油束優(yōu)化能夠減少70%的PN，是降低顆粒物排放的重要手段。

圖5 噴孔結(jié)構(gòu)對于噴油器端部濕壁的影響機(jī)理

圖6 噴油器噴孔內(nèi)部流場和油束優(yōu)化對于PN排放改善效果

（3） 噴油壓力提升

如圖7所示，提升噴油壓力，可以減小燃油液滴的粒徑大小，加速燃油霧化，從而提高混合氣的均勻性。但同時需要指出的是，當(dāng)噴射壓力超過300bar后，噴霧粒徑SMD的下降趨勢將逐漸趨于平緩，進(jìn)一步提高噴油壓力對于燃油霧化的優(yōu)化效果減弱。而同時，軌壓上升會導(dǎo)致噴霧貫穿距增大，增加燃油濕壁的可能性，反而有顆粒物排放升高的趨勢。因此，需要針對高噴射壓力優(yōu)化設(shè)計(jì)油氣混合過程、燃油噴射策略以及整車標(biāo)定策略等。

圖7 噴霧粒徑SMD和油束貫穿距隨噴射壓力的變化

4. 結(jié)論

綜上所述，為應(yīng)對國七，包括發(fā)動機(jī)老化耐久、新車磨合、RDE條件下低溫環(huán)境疊加激烈駕駛等惡劣條件，無論是燃油車還是混合動力車型，不論是車重較小的轎車還是車重較大的SUV、MPV車型，GPF是PN排放控制的最有效手段。“堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山”，從環(huán)境保護(hù)和藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的角度，GPF在顆粒物排放控制中發(fā)揮了無可替代的作用。其次，整車標(biāo)定策略優(yōu)化，特別是增程式電動汽車，有降低PN的較大潛力。最后，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化是降低PN的可行方法。而汽車產(chǎn)業(yè)也需要通過持續(xù)的研發(fā)和創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)更清潔、更智能的未來交通，貢獻(xiàn)出自己的力量。