“國6”汽油發動機常見排放控制系統簡介

常州交通技師學院 朱自清

燃油汽車排放的污染物來源主要有3個方面：一是發動機燃燒排出的廢氣；二是從發動機曲軸箱中排出的氣體；三是從燃油供給系統中排出的燃油蒸氣。燃油汽車排放的污染物主要為一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化合物（NO）及顆粒物（PM）等。為滿足“國6”標準，即《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6—2016），對汽油車排放污染物提出的嚴格要求，汽油發動機需要對之前的排放控制系統進行升級，如在排氣管中增設顆粒捕集器（GPF），在燃油蒸發控制（EVAP）系統中增加燃油蒸氣泄漏監測功能，等等。下面與大家談一談，目前“國6”汽油發動機常見排放控制系統的工作原理。

1 廢氣后處理系統

“國6”標準新增了對顆粒物數量（PN）的限制要求，而三元催化轉化器（TWC）只具有減少廢氣中CO、HC及NO含量的作用，為此很多車輛生產企業選擇在廢氣后處理系統中增設GPF（圖1），用于捕集廢氣中的顆粒物。

圖1 在廢氣后處理系統中增設GPF

如圖2所示，GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置，過濾體內有很多平行孔道，相鄰的2個孔道內有一個只有進口開放，另一個只有出口開放；廢氣從開放的進口孔道流入，通過GPF載體（堇青石陶瓷芯）多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內，從而實現捕集作用。GPF雖然可以有效地捕集廢氣中的顆粒物，但隨著捕集顆粒物的增多，排氣背壓也會升高，這會影響發動機的動力性和經濟性。因此，當GPF中的顆粒物積累到一定程度時，會通過調節發動機運行工況（斷油、推遲點火角等），使GPF中的顆粒物氧化燃燒，即GPF再生，從而去除GPF中的顆粒物，最終實現“捕集→再生→捕集”的良性循環。

圖2 GPF捕集顆粒物的原理示意

GPF再生需要滿足2個條件：一是廢氣中必須具有足夠的氧氣（O），以便氧化顆粒物；二是廢氣溫度足夠高（600 ℃左右），以便顆粒物與O發生反應。GPF再生分為被動再生和主動再生。車輛正常行駛時，若滿足GPF再生條件，GPF發生被動再生；而當車輛的行駛工況長時間無法滿足GPF再生條件時，如長時間短距離駕駛等，GPF無法發生被動再生；當GPF捕集的顆粒物累積到一定程度時，組合儀表上的GPF警告燈將點亮，以提醒駕駛人執行GPF主動再生。

發動機控制單元通過GPF溫度傳感器和GPF壓差傳感器的信號來判斷是否需要進行GPF再生。GPF溫度傳感器安裝在GPF進氣口，用于監測進入GPF的廢氣溫度。GPF壓差傳感器上連接著2根采樣管，一根連接至GPF進氣口，另一根連接至GPF出氣口，以測量GPF進氣口與出氣口之間的壓力差，發動機控制單元通過該壓力差分析捕集的顆粒物量。

2 EVAP系統

“國6”標準要求，車載診斷（OBD）系統應監測EVAP系統的脫附流量，以及監測除活性炭罐閥與進氣歧管之間的管路和接頭之外的整個EVAP系統的完整性，防止燃油蒸氣泄漏到大氣中，并且要求對EVAP系統各單獨部件（如閥、傳感器等）進行監測；如果EVAP系統中存在1個或多個泄漏點，且這些泄漏點的泄漏量大于或等于直徑為1 mm的小孔產生的泄漏量，則OBD系統應能監測到這種泄漏；車輛生產企業可使用大于或等于直徑為0.5 mm的小孔產生的泄漏量替代上述泄漏量標準。下面介紹2種常見的EVAP系統。

2.1 帶燃油箱泄漏診斷模塊（DMTL）的EVAP系統

DMTL主要由診斷泵、診斷閥及基準孔等部分組成。該系統對比向燃油箱與基準孔吹氣時遇到的阻力差異，從而判斷EVAP系統等效泄漏面積是否達到基準孔的大小。診斷泵工作電流的大小與吹氣過程中遇到的阻力大小成正比，因此通過診斷泵工作電流的大小可以判斷EVAP系統的泄漏大小。該EVAP系統的工作模式有以下4種。

（1）默認模式（圖3a）。活性炭罐電磁閥關閉，DMTL不工作，燃油箱通過活性炭罐與大氣相通，蒸發的燃油蒸氣被活性炭罐吸附。

（2）脫附模式（圖3b）。活性炭罐電磁閥打開，DMTL不工作，新鮮空氣通過活性炭罐將吸附的燃油蒸氣帶入發動機進氣歧管。

（3）基準模式（圖3c）。此時燃油箱泄漏診斷功能被激活，活性炭罐電磁閥關閉，對應在燃油箱及其管路上形成一個密閉空間；與此同時，DMTL的診斷泵工作，空氣經0.5 mm的基準孔在DMTL內部流動；當DMTL腔內的壓力達到平衡后，泵電流會趨于穩定，此時的泵電流為參考泵電流，即在當前環境溫度和壓力下的0.5 mm標準泄漏孔對應的泵電流值（此值為后續的診斷模式做參考）。

（4）診斷模式（圖3d）。基準測量模式完成后，DMTL的診斷閥接通，診斷泵將新鮮空氣泵入密閉的燃油箱系統；隨著壓力的逐漸增加，泵電流也逐漸增加；通過與參考泵電流做對比，如果在一定的時間內泵電流可以達到設定的閥值（即能夠達到對應的燃油箱相對壓力），則認為燃油箱系統是密封的；如果在一定的時間內泵電流始終無法上升到設定的閥值（即無法達到對應的燃油箱相對壓力），則認為燃油系統存在泄漏，并且可以區分泄漏的程度，如細微泄漏（0.5 mm~1 mm的泄漏）和細泄漏（大于1 mm的泄漏）。

圖3 帶DMTL的EVAP系統的4種工作模式

2.2 帶活性炭罐通風閥（CVS）和燃油箱壓力傳感器的EVAP系統

圖4為某款廢氣渦輪增壓發動機的EVAP系統，屬于帶CVS和燃油箱壓力傳感器的EVAP系統，其工作模式有以下3種。

圖4 某款廢氣渦輪增壓發動機的EVAP系統

（1）默認模式。活性炭罐電磁閥關閉，CVS打開，燃油箱通過活性炭罐與大氣相通，蒸發的燃油蒸氣被活性炭罐吸附。

（2）脫附模式。怠速及部分負荷時，活性炭罐電磁閥打開，CVS打開，新鮮空氣通過活性炭罐將吸附的燃油蒸氣帶入發動機進氣歧管。高負荷時，廢氣渦輪增壓器工作，增壓效果明顯，進氣歧管中無真空度，無法直接吸入燃油蒸氣，此時讓部分增壓空氣經過文丘里管回流至空氣濾清器與渦輪增壓器之間的進氣管，利用文丘里效應（圖5）同時將燃油蒸氣吸入進氣管。

圖5 文丘里效應示意

（3）診斷模式。怠速時，活性炭罐電磁閥打開，CVS關閉，在進氣歧管真空度的作用下，EVAP系統產生負壓，如果燃油箱壓力傳感器沒有檢測到負壓，說明EVAP系統存在較大泄漏；當EVAP系統的負壓達到一定程度時，活性炭罐電磁閥關閉，此時依據EVAP系統內負壓衰退速度判斷是否存在泄漏。

3 曲軸箱強制通風（PCV）系統

發動機工作時，一部分可燃混合氣和廢氣經活塞環泄漏到曲軸箱內，必須通過PCV系統將該竄氣帶走并平衡曲軸箱內外壓力。圖6為某款廢氣渦輪增壓發動機的PCV系統。曲軸箱內的機油蒸氣和竄氣經過油氣分離器后，機油會被分離并回流至油底殼，而竄氣通過PCV閥后經過2個單向閥被吸入進氣歧管或廢氣渦輪增壓器進氣端。發動機怠速及部分負荷時，竄氣被吸入進氣歧管；發動機高負荷時，竄氣被吸入廢氣渦輪增壓器進氣端。

圖6 PCV系統