小排量增压汽油机国Ⅴ排放系统研究

王荣吉，郝宝青，王立新，尹建民，朱小慧，陈鹏，仇杰

（泛亚汽车技术中心，上海201201）

1 前言

本文通过理论分析和试验研究，对二次空气喷射进行排温评估，针对不同的三元催化器设计方案，结合发动机进行了标定优化。在1.6 L增压汽油机上进行了试验，验证上述技术手段对小排量增压汽油机达到国Ⅴ排放要求的可行性。试验发动机为直列4缸汽油机，配备废气涡轮增压器，排量为1.6 L，最大功率为135 kW，最大功率转速为5 800 r/min，最大扭矩235N·m。试验整车的整备质量为1 545 kg，轴距为2 737mm，配备6速手自一体自动变速箱。

2 三元催化器特性

三元催化器是发动机排气系统中最重要的机外净化装置，其转化效率，取决于污染物的组成、催化剂的活性、工作温度、空间速度及流速等因素，但可以用空燃比特性及起燃特性来表征。

2.1 空燃比特性

转化效率的高低与发动机可燃混合气的空燃比有关，如图1所示。理论空燃比附近时，三元催化转化器几乎可以同时消除所有3种污染物。

2.2 起燃特性

催化剂转化效率的高低与温度有密切关系，催化剂只有达到一定温度才能开始工作，称为起燃。起燃特性有2种评价方法：催化剂的起燃特性常用起燃温度评价，温度越低转化效率越低，如图2所示。而整个催化转化器系统的起燃特性用起燃时间来评价，描述整个起燃作用的时间历程。

起燃温度主要取决于催化剂配方，它评价的是催化剂的低温活性。而起燃时间除与催化剂配方有关外，还跟催化器目数、载体体积等有关，其中受到整车标定影响最大。一般催化转化器的起燃温度通常在250~300℃。汽油机冷起动后约2min内催化转化器就可以达到该温度，而此时排出的废气已占循环总量的90%左右。出现较大的初始排放量主要有2个原因：一是催化剂未达到足够高的温度，不能进行有效的催化反应；二是发动机起动时的混合气浓度高，CO和HC的催化氧化因缺氧而不能有效进行。因此，发动机冷起动时要使催化转化器快速起燃，也就是缩短起燃时间，是目前降低车用汽油机排放的研究重点之一。

3 增压汽油发动机的排放特点

增压汽油机，由于增压器布置在排气歧管和前级催化器中间，非紧耦合设计。同时因为增压器吸收了来自发动机排气的热能，如图3所示在排放循环里冷起动阶段，增压器前后温度差可能在200~300℃，使得催化器的起燃特性变得非常差。这对国Ⅴ排放的开发带来了严峻挑战。很多发动机需要在60 s到80 s才能达到起燃温度，因此无法达到国Ⅴ排放标准。以此次研究的车型而言，增压器后温度（也就是催化器进气温度）在80 s才达到起燃温度（300℃）。

4 二次空气喷射系统

二次空气喷射系统主要包括二次空气泵和二次补气阀。在冷起动阶段，通过空气泵把从进气系统来的空气压缩到10 kPa左右，然后通过控制阀，分别把空气喷射到不同的排气管道内。以4缸机为例，缸盖侧需要一个通道，大小设计考虑到排气的均匀性，试验时这个通道直径为Φ10mm，喷嘴直径为Φ6mm，如图4所示。

发动机冷起动时会采取加浓策略，以保证起动顺利、平稳。空燃比在13∶1甚至低到9∶1，然后再过渡到14.7∶1。二次空气喷射到排气歧管中，可以产生一个相对偏稀的排气组分。一方面，燃烧的油气需要达到一定的温度才能继续氧化，这需要推迟点火提前角来实现；另一方面，尽可能把二次空气喷射尽可能靠近缸盖排气阀。排气系统中的放热反应也使得更多热量用来加热增压器，催化器等零件，缩短了起燃时间。如图5示。以HC为例，采用二次空气喷射之后，HC排放大幅度降低。

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排放试验表明在二次空气流量为5 g/s时，冷起动20 s后，催化器温度比没有二次空气喷射高出近150℃，如图6所示。催化器可以快速起燃，解决了由于增压器吸热而引起的冷起动排放问题，满足了国Ⅴ排放法规要求。但是整个二次空气系统成本在800元左右，对整车厂来说成本太高，并非满足国Ⅴ法规的一个最佳选择方案，目前主要在美国加州等世界上最严格排放法规地区使用。

5 设计方案与标定数据优化

5.1 催化器设计方案优化

此项目原设计为国Ⅳ排放，新方案则考虑国Ⅴ目标要求，有2个新设计方案用于对比，具体的参数如表1所示。

从图7可以看出，现有国Ⅳ方案催化器硬件，未采用分区涂敷技术，贵金属含量比较低，虽然可以满足国Ⅳ排放目标，但国Ⅴ要求催化器寿命从10万公里加长到16万公里，这样转化效率明显下降，无法满足国Ⅴ法规要求。国Ⅴ方案1为采用新涂层技术，提高了贵金属使用量，排放结果可以满足国Ⅴ法规要求，但是成本太高，可以作为后备方案使用；国Ⅴ方案2为采用分区涂敷，贵金属含量中等，并优化了比例，排放数据仅NMHC尚不能满足法规要求，但相对于国Ⅳ方案还是有明显改善，成本也相对合理。如果能进一步通过优化标定来降低排放，则是一个比较好的选择。

为此进行了后续研究，如前所述，增压汽油机的特点之一就是冷起动阶段催化器起燃太慢，此时排放污染物太高。因此研究重点针对国Ⅴ方案2。标定角度主要从更改冷起动过量空气系数λ控制、冷车催化器起燃、闭环氧传感器窗口选择等3个方面进行，在保证NOx满足法规的前提下，尽可能降低HC排放。

5.2 冷起动时过量空气系数λ控制

冷起动是指车辆经过长时间(一般6 h以上)停放，进气温度、发动机水温与环境温度基本一致情况下的起动。冷起动阶段，发动机燃烧室及进气阀温度比较低。为了弥补燃料蒸发的不足，保证燃烧的稳定，怠速平稳，需要供给较浓的混合气，而此时催化器没有任何转化能力，汽油机排出的碳氢化合物绝大多数将直接进入大气。因此，冷起动阶段适当的空燃比控制，很大程度上影响总的排放量。

如图8所示，原始标定刚起动时λ控制在0.75左右，可以保证车辆最快起动，开环阶段在0.85左右。更改后的标定，起动时λ为0.85，开环阶段保持在1~1.05左右，也就是采用了稀的空燃比，减少了冷起动阶段的燃料使用，如图9所示，可以大幅直接降低THC/NMHC量。但过稀的空燃比有可能造成怠速抖动，甚至熄火的风险。新的λ策略经过不同油品，不同负载等恶劣工况充分验证，在不影响整车性能如怠速稳定性，起动时间等，对排放改善效果非常明显。

5.3 催化器起燃

如前所述，催化器能否快速起燃，是冷车阶段排放能否降低的关键因素。为了加速催化器起燃，也就是要提高排气温度，可以通过推迟点火角、提高发动机怠速转速（如提高50 r/min）、采用稀的空燃比等3种改进标定方式，见图10。通过改进标定，使得达到催化器最低起燃速度（250℃）的时间从95 s缩短到45 s，如图11所示。催化器温度的快速提高，也就是提高了转化效率，直接降低了冷车阶段排放，见图12。

5.4 后氧窗口

如前文中图1提到的，热机后空燃比只有在特定狭窄的窗口范围，催化器才有最佳转换效率。而且，催化器老化之后对于此窗口位置更加敏感，因此找出催化器对应的窗口位置，并且通过PI控制，将空燃比控制在此窗口位置，将会使排放得以大幅度优化。

图13可以看出，方案2后氧窗口位置相对于方案1有了调整，针对国Ⅴ阶段对HC与NMHC要求更加严格的特点，结合本款催化器特点，将后氧窗口向偏稀方向做了调整。

综合了上述因素，经过标定优化，采用国Ⅴ方案2催化器，在其他排放量没有明显变化的基础上，NMHC明显降低，可以满足国Ⅴ法规要求，如图14所示。

6 结论

（1）增压汽油机排放难以达到国Ⅴ的一个主要原因是发动机起动时增压器吸热造成催化剂起燃太慢。

（2）将催化器目数从400增加到600，改进涂层技术，采用分区涂敷工艺，增加贵金属使用量，使之满足国Ⅴ排放。

（3）通过改变冷起动空燃比控制、催化器起燃、后氧窗口标定等，降低了冷起动阶段原始排放，缩短了催化器起燃时间，提高了该阶段转化效率；同时，合适的后氧窗口标定也保证了热机后排放的降低。

（4）试验结果表明通过催化器设计更改，在适当增加成本前提下，结合发动机标定的调整，加快催化器起燃，可以减少排放污染物，满足国Ⅴ法规要求。这也是目前增压汽油发动机国Ⅴ阶段排放主要解决方案。

1刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2005：173.

2卓斌，刘启华.车用汽油机燃料喷射与电子控制[M].北京：机械工业出版社，2001.

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