嚴(yán)格的國六排放法規(guī)即將實(shí)施，其中增加了在WLTC循環(huán)工況下的PN（顆粒排放物數(shù)量）排放限值，這不僅對直噴發(fā)動機(jī)（以下稱GDI發(fā)動機(jī)），也對傳統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)（以下稱PFI發(fā)動機(jī)）提出了比較大的挑戰(zhàn)。目前，大家的目光主要集中在GDI發(fā)動機(jī)的PN排放的優(yōu)化，可是在我國市場上PFI發(fā)動機(jī)仍然占主導(dǎo)地位，2018年P(guān)FI發(fā)動機(jī)的市場占有率超過60%，并且很多的PFI發(fā)動機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)PN排放超標(biāo)的問題，因此PFI發(fā)動機(jī)采取何種技術(shù)措施有效應(yīng)對國六排放，特別是如何降低PN排放變得越來越重要。

PFI發(fā)動機(jī)PN排放的來源

不同于GDI發(fā)動機(jī)，PFI發(fā)動機(jī)PN排放的來源主要有以下三個(gè)方面，如圖1所示。

圖1 PFI發(fā)動機(jī)PN排放來源

進(jìn)氣氣閥內(nèi)表面及其閥座和燃燒室頂部油膜（圖中位置⑤）。PFI發(fā)動機(jī)中，通常燃油被噴油器噴入進(jìn)氣道，在進(jìn)氣道內(nèi)同進(jìn)氣充量進(jìn)行混合。當(dāng)出現(xiàn)一些不利因素如噴油量較大，溫度較低時(shí)，燃油和空氣混合不充分，容易在進(jìn)氣閥附近的進(jìn)氣道壁面形成較多的液態(tài)油膜堆積。當(dāng)進(jìn)氣閥打開時(shí)，部分液態(tài)燃油隨進(jìn)氣氣流進(jìn)入氣缸內(nèi)，分布在進(jìn)氣氣閥內(nèi)表面、進(jìn)氣氣閥閥座以及燃燒室頂部區(qū)域，當(dāng)燃燒發(fā)生時(shí)，這些區(qū)域的液態(tài)燃油油膜不完全燃燒，是形成PN的主要來源之一。

排氣側(cè)氣缸缸壁油膜（圖中位置②）。在某些工況下開閥噴射，燃油噴霧和空氣氣流混合不充分，部分液態(tài)燃油顆粒被進(jìn)氣氣流帶到排氣側(cè)的氣缸缸壁積聚，形成液態(tài)油膜，后續(xù)不完全燃燒，形成顆粒排放物。

液態(tài)油滴在缸內(nèi)空間的不均勻分布（圖中位置⑥）。當(dāng)進(jìn)氣氣流較弱時(shí)，燃油和進(jìn)氣充量混合不均勻，容易在缸內(nèi)空間產(chǎn)生液態(tài)的油滴。后續(xù)燃燒時(shí)，這些油滴不完全燃燒，成為PN的來源之一。

PFI發(fā)動機(jī)降低PN排放的措施

和國五的氣體排放相比，國六的PN排放優(yōu)化更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)性的優(yōu)化，必須從噴油器噴霧設(shè)計(jì)、燃油噴射和進(jìn)氣充量的混合、發(fā)動機(jī)試驗(yàn)標(biāo)定以及整車性能優(yōu)化方面通盤考慮，而不是單單強(qiáng)調(diào)其中的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文主要針對PFI發(fā)動機(jī)，從噴油器噴霧設(shè)計(jì)優(yōu)化、進(jìn)氣氣流、VVT優(yōu)化及發(fā)動機(jī)噴油控制參數(shù)優(yōu)化、后處理等方面來介紹PFI發(fā)動機(jī)中降低PN排放的一些措施。

2.1 噴油器噴霧設(shè)計(jì)優(yōu)化

當(dāng)PFI發(fā)動機(jī)中燃油被噴入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道時(shí)，同進(jìn)氣道中的空氣充分混合，隨后混合氣被吸入氣缸中參與后續(xù)的燃燒過程。中小負(fù)荷下，較少的噴油量被噴入進(jìn)氣道，在進(jìn)氣道內(nèi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)，能夠和空氣充分混合，進(jìn)氣過程中較易形成混合充分均勻的混合氣，在后續(xù)燃燒中充分燃燒，產(chǎn)生的PN排放水平較低。這是PFI發(fā)動機(jī)在中小負(fù)荷條件下PN排放通常優(yōu)于GDI發(fā)動機(jī)的主要原因。

但當(dāng)處于大負(fù)荷區(qū)域時(shí)，隨著噴油量的增加，燃油在進(jìn)氣門附近形成越來越多的液態(tài)油膜，被帶入氣缸內(nèi)造成較高的PN排放。此時(shí)，如何優(yōu)化噴油器噴霧形狀，促進(jìn)燃油噴霧和進(jìn)氣道空氣充分混合，就變得十分重要。實(shí)驗(yàn)證明（如圖2），采用較大噴霧錐角（β角）的噴油器，能使噴霧液滴的SMD（紹特平均直徑）有效減小，同時(shí)增加燃油噴霧和空氣的混合區(qū)域，改善燃油噴霧和空氣的混合過程，獲得較低的PN排放。

圖2 不同β角噴油器的PN對比

2.2 噴油時(shí)刻的優(yōu)化

在大負(fù)荷工況下，還可以通過對噴油器噴油時(shí)刻的優(yōu)化降低PN排放。通常PFI發(fā)動機(jī)的噴油時(shí)刻被控制在進(jìn)氣閥打開之前，燃油在進(jìn)氣道被噴射并和空氣混合，即所謂的閉閥噴射（CVI）。在大負(fù)荷工況下，可以嘗試開閥噴射的噴射策略（OVI），即當(dāng)進(jìn)氣閥打開開始進(jìn)氣過程時(shí)，燃油同時(shí)噴入氣缸內(nèi)。這樣，可以利用燃油噴霧和進(jìn)氣氣流運(yùn)動的配合達(dá)到混合氣良好混合的目的，以降低PN排放。如圖3所示，安裝噴油器A和B的PFI發(fā)動機(jī)，當(dāng)進(jìn)入開閥噴射后，噴油結(jié)束角EOI達(dá)到30°CA附近時(shí)，PN大幅度降低。

圖3 不同噴油時(shí)刻下的PN對比

這種策略的利用，需要在特定工況對目標(biāo)發(fā)動機(jī)的噴油時(shí)刻進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，找出PN排放較低的點(diǎn)，同時(shí)還要考慮發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性、油耗、扭矩和其他氣體排放等沒有惡化，綜合考慮得到優(yōu)化的噴油時(shí)刻。

2.3 VVT控制的優(yōu)化

PFI發(fā)動機(jī)的PN排放很大一部分來自于起動和暖機(jī)過程，此過程中發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道壁面溫度較低，噴油器噴霧霧化條件較差，在冷的進(jìn)氣閥附近壁面產(chǎn)生較多的液態(tài)油膜積聚，成為大量顆粒排放物的來源。此時(shí)，控制VVT產(chǎn)生較大的氣門重疊角，由于壓差的作用產(chǎn)生內(nèi)部EGR（廢氣再循環(huán)）效應(yīng)，反流的EGR氣體會沖刷進(jìn)氣閥上的液體油膜，使之蒸發(fā)和進(jìn)氣充量再次混合，達(dá)到減少油膜促進(jìn)混合氣混合的目的，最終降低PN排放。需要注意的是，加大氣門重疊角和內(nèi)部EGR，往往會造成燃燒的惡化，燃燒穩(wěn)定性降低。所以，采取此措施需要同時(shí)評估對燃燒穩(wěn)定性的影響，找到VVT控制的優(yōu)化點(diǎn)，有效降低PN排放，同時(shí)也保證對燃燒的負(fù)面影響較小。

2.4 提高系統(tǒng)噴油壓力

提高系統(tǒng)噴油壓力，被有些PFI發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可以降低起動和暖機(jī)時(shí)的PN排放。其機(jī)理是，提高系統(tǒng)噴油壓力，可以降低噴油噴霧油滴SMD，促進(jìn)混合氣的均勻混合過程，從而改善起動和暖機(jī)過程中的PN排放。由于生產(chǎn)和測試條件的限制以及燃油系統(tǒng)耐壓能力的限制，系統(tǒng)壓力只能提高到一定限度，對排放的改善有限。另外，該措施對PN排放的改善程度因不同PFI發(fā)動機(jī)而異。

2.5大進(jìn)氣滾流比的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)，PFI發(fā)動機(jī)采用大滾流比的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，能夠強(qiáng)化進(jìn)氣氣流運(yùn)動，增強(qiáng)燃油和進(jìn)氣充量的均勻充分混合，減少缸內(nèi)液態(tài)油膜的產(chǎn)生，從而降低PN排放。需要指出的是，對于自然吸氣的PFI發(fā)動機(jī)，進(jìn)氣道采用大滾流比設(shè)計(jì)，可能降低全負(fù)荷工況下的進(jìn)氣效率，影響到最大扭矩的發(fā)揮，需要對兩個(gè)影響因素進(jìn)行綜合考慮。對于增壓PFI發(fā)動機(jī)，由于增壓系統(tǒng)的幫助，對最大扭矩往往影響較小。

2.6 排氣后處理技術(shù)GPF(汽油機(jī)顆粒捕捉器)

和GDI發(fā)動機(jī)類似，對于降低PN排放的后處理技術(shù)，PFI發(fā)動機(jī)也可以應(yīng)用GPF技術(shù)，如圖4所示。GPF可以有效捕捉發(fā)動機(jī)排氣中的顆粒物，從而降低PN排放。采用GPF需要解決兩個(gè)主要問題，一是GPF的再生，GPF在工作一段時(shí)間后，顆粒物會接近充滿，GPF對顆粒的捕捉能力大幅下降。此時(shí)需要利用高溫的排氣將GPF中的顆粒物燒掉，此過程稱為再生。GPF在整車布置時(shí)就考慮其位置的優(yōu)化，應(yīng)盡量在靠近發(fā)動機(jī)排氣管出口的位置，例如GPF和前級三元催化器緊耦合，以充分利用發(fā)動機(jī)廢氣的高溫，保證再生過程的順利進(jìn)行。另一個(gè)問題是，OBD法規(guī)要求對GPF進(jìn)行相關(guān)診斷，目前典型的配置是在GPF上安裝壓差傳感器以及溫度傳感器，EMS系統(tǒng)配合采用相應(yīng)的診斷策略完成診斷。

圖4 典型的GPF系統(tǒng)布置圖