小排量增壓汽油機國Ⅴ排放系統研究

王榮吉，郝寶青，王立新，尹建民，朱小慧，陳鵬，仇杰

（泛亞汽車技術中心，上海201201）

1 前言

本文通過理論分析和試驗研究，對二次空氣噴射進行排溫評估，針對不同的三元催化器設計方案，結合發動機進行了標定優化。在1.6 L增壓汽油機上進行了試驗，驗證上述技術手段對小排量增壓汽油機達到國Ⅴ排放要求的可行性。試驗發動機為直列4缸汽油機，配備廢氣渦輪增壓器，排量為1.6 L，最大功率為135 kW，最大功率轉速為5 800 r/min，最大扭矩235N·m。試驗整車的整備質量為1 545 kg，軸距為2 737mm，配備6速手自一體自動變速箱。

2 三元催化器特性

三元催化器是發動機排氣系統中最重要的機外凈化裝置，其轉化效率，取決于污染物的組成、催化劑的活性、工作溫度、空間速度及流速等因素，但可以用空燃比特性及起燃特性來表征。

2.1 空燃比特性

轉化效率的高低與發動機可燃混合氣的空燃比有關，如圖1所示。理論空燃比附近時，三元催化轉化器幾乎可以同時消除所有3種污染物。

2.2 起燃特性

催化劑轉化效率的高低與溫度有密切關系，催化劑只有達到一定溫度才能開始工作，稱為起燃。起燃特性有2種評價方法：催化劑的起燃特性常用起燃溫度評價，溫度越低轉化效率越低，如圖2所示。而整個催化轉化器系統的起燃特性用起燃時間來評價，描述整個起燃作用的時間歷程。

起燃溫度主要取決于催化劑配方，它評價的是催化劑的低溫活性。而起燃時間除與催化劑配方有關外，還跟催化器目數、載體體積等有關，其中受到整車標定影響最大。一般催化轉化器的起燃溫度通常在250~300℃。汽油機冷起動后約2min內催化轉化器就可以達到該溫度，而此時排出的廢氣已占循環總量的90%左右。出現較大的初始排放量主要有2個原因：一是催化劑未達到足夠高的溫度，不能進行有效的催化反應；二是發動機起動時的混合氣濃度高，CO和HC的催化氧化因缺氧而不能有效進行。因此，發動機冷起動時要使催化轉化器快速起燃，也就是縮短起燃時間，是目前降低車用汽油機排放的研究重點之一。

3 增壓汽油發動機的排放特點

增壓汽油機，由于增壓器布置在排氣歧管和前級催化器中間，非緊耦合設計。同時因為增壓器吸收了來自發動機排氣的熱能，如圖3所示在排放循環里冷起動階段，增壓器前后溫度差可能在200~300℃，使得催化器的起燃特性變得非常差。這對國Ⅴ排放的開發帶來了嚴峻挑戰。很多發動機需要在60 s到80 s才能達到起燃溫度，因此無法達到國Ⅴ排放標準。以此次研究的車型而言，增壓器后溫度（也就是催化器進氣溫度）在80 s才達到起燃溫度（300℃）。

4 二次空氣噴射系統

二次空氣噴射系統主要包括二次空氣泵和二次補氣閥。在冷起動階段，通過空氣泵把從進氣系統來的空氣壓縮到10 kPa左右，然后通過控制閥，分別把空氣噴射到不同的排氣管道內。以4缸機為例，缸蓋側需要一個通道，大小設計考慮到排氣的均勻性，試驗時這個通道直徑為Φ10mm，噴嘴直徑為Φ6mm，如圖4所示。

發動機冷起動時會采取加濃策略，以保證起動順利、平穩。空燃比在13∶1甚至低到9∶1，然后再過渡到14.7∶1。二次空氣噴射到排氣歧管中，可以產生一個相對偏稀的排氣組分。一方面，燃燒的油氣需要達到一定的溫度才能繼續氧化，這需要推遲點火提前角來實現；另一方面，盡可能把二次空氣噴射盡可能靠近缸蓋排氣閥。排氣系統中的放熱反應也使得更多熱量用來加熱增壓器，催化器等零件，縮短了起燃時間。如圖5示。以HC為例，采用二次空氣噴射之后，HC排放大幅度降低。

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排放試驗表明在二次空氣流量為5 g/s時，冷起動20 s后，催化器溫度比沒有二次空氣噴射高出近150℃，如圖6所示。催化器可以快速起燃，解決了由于增壓器吸熱而引起的冷起動排放問題，滿足了國Ⅴ排放法規要求。但是整個二次空氣系統成本在800元左右，對整車廠來說成本太高，并非滿足國Ⅴ法規的一個最佳選擇方案，目前主要在美國加州等世界上最嚴格排放法規地區使用。

5 設計方案與標定數據優化

5.1 催化器設計方案優化

此項目原設計為國Ⅳ排放，新方案則考慮國Ⅴ目標要求，有2個新設計方案用于對比，具體的參數如表1所示。

從圖7可以看出，現有國Ⅳ方案催化器硬件，未采用分區涂敷技術，貴金屬含量比較低，雖然可以滿足國Ⅳ排放目標，但國Ⅴ要求催化器壽命從10萬公里加長到16萬公里，這樣轉化效率明顯下降，無法滿足國Ⅴ法規要求。國Ⅴ方案1為采用新涂層技術，提高了貴金屬使用量，排放結果可以滿足國Ⅴ法規要求，但是成本太高，可以作為后備方案使用；國Ⅴ方案2為采用分區涂敷，貴金屬含量中等，并優化了比例，排放數據僅NMHC尚不能滿足法規要求，但相對于國Ⅳ方案還是有明顯改善，成本也相對合理。如果能進一步通過優化標定來降低排放，則是一個比較好的選擇。

為此進行了后續研究，如前所述，增壓汽油機的特點之一就是冷起動階段催化器起燃太慢，此時排放污染物太高。因此研究重點針對國Ⅴ方案2。標定角度主要從更改冷起動過量空氣系數λ控制、冷車催化器起燃、閉環氧傳感器窗口選擇等3個方面進行，在保證NOx滿足法規的前提下，盡可能降低HC排放。

5.2 冷起動時過量空氣系數λ控制

冷起動是指車輛經過長時間(一般6 h以上)停放，進氣溫度、發動機水溫與環境溫度基本一致情況下的起動。冷起動階段，發動機燃燒室及進氣閥溫度比較低。為了彌補燃料蒸發的不足，保證燃燒的穩定，怠速平穩，需要供給較濃的混合氣，而此時催化器沒有任何轉化能力，汽油機排出的碳氫化合物絕大多數將直接進入大氣。因此，冷起動階段適當的空燃比控制，很大程度上影響總的排放量。

如圖8所示，原始標定剛起動時λ控制在0.75左右，可以保證車輛最快起動，開環階段在0.85左右。更改后的標定，起動時λ為0.85，開環階段保持在1~1.05左右，也就是采用了稀的空燃比，減少了冷起動階段的燃料使用，如圖9所示，可以大幅直接降低THC/NMHC量。但過稀的空燃比有可能造成怠速抖動，甚至熄火的風險。新的λ策略經過不同油品，不同負載等惡劣工況充分驗證，在不影響整車性能如怠速穩定性，起動時間等，對排放改善效果非常明顯。

5.3 催化器起燃

如前所述，催化器能否快速起燃，是冷車階段排放能否降低的關鍵因素。為了加速催化器起燃，也就是要提高排氣溫度，可以通過推遲點火角、提高發動機怠速轉速（如提高50 r/min）、采用稀的空燃比等3種改進標定方式，見圖10。通過改進標定，使得達到催化器最低起燃速度（250℃）的時間從95 s縮短到45 s，如圖11所示。催化器溫度的快速提高，也就是提高了轉化效率，直接降低了冷車階段排放，見圖12。

5.4 后氧窗口

如前文中圖1提到的，熱機后空燃比只有在特定狹窄的窗口范圍，催化器才有最佳轉換效率。而且，催化器老化之后對于此窗口位置更加敏感，因此找出催化器對應的窗口位置，并且通過PI控制，將空燃比控制在此窗口位置，將會使排放得以大幅度優化。

圖13可以看出，方案2后氧窗口位置相對于方案1有了調整，針對國Ⅴ階段對HC與NMHC要求更加嚴格的特點，結合本款催化器特點，將后氧窗口向偏稀方向做了調整。

綜合了上述因素，經過標定優化，采用國Ⅴ方案2催化器，在其他排放量沒有明顯變化的基礎上，NMHC明顯降低，可以滿足國Ⅴ法規要求，如圖14所示。

6 結論

（1）增壓汽油機排放難以達到國Ⅴ的一個主要原因是發動機起動時增壓器吸熱造成催化劑起燃太慢。

（2）將催化器目數從400增加到600，改進涂層技術，采用分區涂敷工藝，增加貴金屬使用量，使之滿足國Ⅴ排放。

（3）通過改變冷起動空燃比控制、催化器起燃、后氧窗口標定等，降低了冷起動階段原始排放，縮短了催化器起燃時間，提高了該階段轉化效率；同時，合適的后氧窗口標定也保證了熱機后排放的降低。

（4）試驗結果表明通過催化器設計更改，在適當增加成本前提下，結合發動機標定的調整，加快催化器起燃，可以減少排放污染物，滿足國Ⅴ法規要求。這也是目前增壓汽油發動機國Ⅴ階段排放主要解決方案。

1劉巽俊.內燃機的排放與控制[M].北京：機械工業出版社，2005：173.

2卓斌，劉啟華.車用汽油機燃料噴射與電子控制[M].北京：機械工業出版社，2001.

3 Heck R M,Farrauto R J,GulatiST.Catalytic Air Pollution ControlCommercial Technology(3rd Edition)[M].USA：W iley，2009.