PFI汽油车WLTC气态排放物影响因素的分析研究

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

近年来，汽车工业在我国取得了长足的发展，我国汽车保有量逐年增长。但保有量持续增长的同时也带来了污染程度的加大，严重阻碍了我国可持续发展战略的实施。为了控制和解决污染问题，我国从2001 年开始实施国家第一阶段机动车排放标准，经过18 年的发展，于2020 年7 月1 日实施了GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称国六排放标准）。对于汽油车，相较于目前普遍执行的国五排放标准，国六排放标准主要变更了Ⅰ型试验测试循环，加严了污染物排放限值，增加了汽油车排放颗粒物数量检测要求，新增了RDE（实际行驶污染物排放）试验要求[1]。可以看出，国六排放标准对机动车的排放提出了更高的要求。

对于进气道喷射的汽油车，为了满足国六排放标准，需要充分分析国六排放标准要求的Ⅰ型试验测试循环（WLTC）下的气态排放物排放特性，进而实现对排放物更优的控制。

本文以满足国六排放标准的某PFI（进气道喷射）汽油车为研究对象，使用精密稀释空气系统、气袋采样分析单元、汽车排放测试系统等设备，分析研究了该汽油车在进行WLTC 测试时的气态排放物排放特性。

1 国六排放标准对气态排放物的限值

汽车尾气中的气态污染物主要包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、总碳氢化合物（THC）、非甲烷碳氢化合物（NMHC）、氧化亚氮（N2O）[2]，国六排放标准对上述气态排放物的限值如表1 所示。

表1 国六标准气态排放物排放限值 mg/km

2 试验方法及试验工况

2.1 试验方法

试验样车为满足国六排放标准的某汽油车，搭载PFI 汽油机，增压中冷，进排气双VVT，进气道安装双喷油器。

试验环境及设备如图1 所示。

试验样车在排放试验环境舱中进行预处理后，在+25 ℃的环境下浸车8 h，利用滚筒直径为1 219 mm的底盘测功机模拟道路行驶阻力，尾气先经过精密稀释空气系统（CVSi60，总流量为7.5 m3/min）稀释，再进入定容取样单元，借助气袋采样单元，最后通过气体分析仪（AMAi60）分析，得出排放结果。

2.2 试验工况

试验工况为国六排放标准Ⅰ型试验测试循环WLTC（worldwide harmonized light duty vehicle test cycle），主要考核整车动态响应下的排放水平。循环时间共计1 800 s，里程为23.27 km，最大车速为131.3 km/h，平均车速为46.5 km/h，最大加速度为1.67 m/s2，最大减速度为1.5 m/s2。相较于国五排放标准的NEDC（新欧洲驾驶循环）工况，WLTC 工况更加接近实际驾驶情况。对于汽油机来说，该循环工况范围更广，所覆盖的发动机负荷区域更大[3-4]。

图1 整车排放试验图

WLTC 由低速段（包含冷起动）、中速段、高速段及超高速段4 个特征工况组成[5]，如图2 所示。样车发动机主要运行在3 000 r/min、40%负荷以下的中低转速、中低负荷区域。

图2 WLTC 工况图

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

该样车排放试验结果如表2 所示。从表2 可以看出，该样车排放完全满足国六排放标准。

表2 排放试验结果

3.2 气态排放物排放特性分析

图3 为该样车进行WLTC 各工况CO、THC、NOx的排放分布水平。

其中，低速段排放量占总排放量的比重较高，该工况CO 排放量占CO 总排放量的74%，NOx排放量占NOx总排放量的81%，THC 排放量占THC 总排放量的63%。由此可知，该PFI 汽油车气态排放物的主要来源是在低速段。

图3 WLTC 各工况CO、THC、NOx 排放分布

WLTC 低速段主要包括冷机起动、暖机、前氧过露点阶段（由于排气系统中存在水蒸气，为了避免前氧传感器中的陶瓷体开裂，需要达到露点温度后进行前氧传感器全功率加热）、前氧闭环阶段、催化器加热完成等阶段，如图4 所示。

图4 WLTC 低速段重要标志位置位时间

为了更好地适应不同油品，保证车辆的起动能力，冷机起动阶段喷油量较大；暖机阶段，为了催化器尽快起燃，提高怠速转速。为了取得比较好的排放效果，此阶段的空燃比不宜偏浓，因此缸内温度较低，燃油雾化效果较差，导致相对空燃比较低，且车辆起动后，有22.9 s 的时间处于开环控制，导致相对空燃比不准确；同时，车辆起动后的68.2 s 内，催化器未起燃，三元催化器对气态排放物的转化效率低。转化效率如图5 所示。

图5 三催转化效率图

上述各因素是导致低速段排放过高的主要原因。

WLTC 中速段、高速段及超高速段，影响排放的因素主要有过渡工况、换挡工况、断油清氧工况等。

在过渡工况，歧管喷射使部分燃油喷射到歧管上形成油膜。按照油膜特点，分为长油膜和短油膜两类，如图6 所示。

图6 过渡工况油膜分类图

油膜的积累及释放与歧管压力相关，加速工况歧管压力加大，附着的油膜容易吸附，实际喷入缸内的燃油少，相对空燃比较大，因此要额外增加喷油；减速工况歧管压力减小，附着的油膜蒸发充分，实际喷入缸内的燃油多，相对空燃比较小，因此要额外减少喷油。

在中速段、高速段、超高速段的气态排放物排放主要来自过渡工况的油膜补偿，如果补偿不当，会使过多的燃油进入缸内，导致排放偏高。

在瞬态工况，发动机从中高速大负荷直接降到低速小负荷时，会有一定流量的空气通过空气滤清器补气管进入曲轴箱（如图7 所示），再通过曲轴箱通风管的单向阀（流量限制）进入进气歧管。曲轴箱通风管路中的气体含有曲轴箱内油气混合气，如果油气分离效果不好，就会使混合气偏浓，导致排气中的CO 量偏高。

图7 非增压区补气流量图

在换挡工况，换挡发生时发动机负荷突然变小，管壁上的油膜直接进入燃烧室中参与燃烧，导致相对空燃比降低，使CO 排放量过高，如图8 所示。

如果发动机负荷小于软件设定的最小负荷，会破坏喷油闭环条件而进入开环喷射，高频的开环闭环交替同样会造成CO 和THC 的排放异常。此外，如果发动机当前负荷需要的喷油脉宽小于喷油器流量特性的最小喷油脉宽，就会使喷油器进入非线性区喷射，使得喷油特性不受控制，使CO 排放升高，因此要避免喷油器进入非线性区喷射。另外，还要注意避免在进气门打开时喷射，开阀喷射同样会使THC 排放量升高。

断油清氧工况排放如图9 所示。

为了实现降低油耗的目的，标定策略中规定，收油门带挡滑行时，发动机断油，这时三元催化器内的氧气增加；恢复供油时，催化器内混合气成分偏稀，导致NOx排放增加。另一方面，发动机会主动减小目标空燃比来消耗三元催化器内的氧气，这会使CO 排放量增加。

图8 换挡工况排放图

图9 断油清氧排放图

4 结论

整车进行WLTC 排放测试时，气态排放物排放量主要集中在低速段。这是因为低速段包括冷机起动混合气加浓、空燃比开环控制和催化器未起燃，这些因素导致排放不可控，从而使排放升高。因此，未来进行排放标定时，应着重采取冷机起动混合气加浓、暖机阶段空燃比控制、缩短开环时间、缩短催化器起燃时间以及避开喷油器最小喷油脉宽等方面的控制策略。

对于WLTC 的中速、高速及超高速段，排放升高基本发生在过渡工况、换挡工况以及断油清氧工况。主要原因是发动机负荷的突变使相对空燃比偏离目标值。因而对于中高速的排放控制应着重关注上述几个发动机负荷变化工况的喷油控制，进而实现相对空燃比的精确控制。