輕型汽油車滿足國六排放法規的技術路徑

吳春玲，崔瑩泉，趙亮，高章

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

輕型汽油車滿足國六排放法規的技術路徑

吳春玲，崔瑩泉，趙亮，高章

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

文章對國五和國六排放法規限值進行了對比，分析了污染物CO、HC、NOx和PM/PN產生的原因，總結了為滿足國六排放限值可選的技術路徑。

汽油車；國六；排放

Technical path for light duty gasoline vehicle to meet China VI emission regualtion

Wu Chunling, Cui Yingquan, Zhao Liang, Gao Zhang
（China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 )

In this paper, the emission limits of China V and China VI are compared, the causes of pollutants CO, HC,NOx and PM/PN are analyzed, and the technical paths to meet the China VI emission regulation are summarized.

gasoline vehicle; China VI; emission

前言

2016年12月23日，環境保護部、國家質檢總局聯合發布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(以下簡稱“國六”)[1]。自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應符合該標準要求。如表1所示，與國五相比較[2]，國六測試循環由新歐洲測試循環（NEDC）改變為世界輕型車統一測試循環（WLTC）。國六b階段要求的常規氣態物排放限值降低了約50%，增加了N2O 和顆粒物數量PN的限值要求。

表1 輕型汽油車國5、歐6d及國6a/b排放限值

國六標準的進一步加嚴對汽車行業的節能減排技術進步提出了更高的要求，各類新的技術路徑也必將成為汽車開發者的選擇。

1 降低氣態污染物排放的技術路徑

1.1 降低CO排放的技術

CO是汽油在發動機缸內不完全燃燒的產物[3]，CO的生成主要受混合氣濃度的影響。產生CO排放的根本原因是混合氣過濃，在過量空氣系數φa＜1時，混合氣由于缺氧汽油中的碳不能完全被氧化成CO2而生成CO，在過量空氣系數Φa＞1時，此時混合氣較稀，總體氧氣過量，但也會由于油氣混合不均勻而造成局部φa＜1而產生CO。

相比國五限值要求，國六a階段CO排放降低30%，國六b階段降低50%，因此，為了滿足國六階段的CO排放限值要求，發動機開發要求盡可能減少混合氣加濃，并且盡可能優化燃油霧化，改善油氣混合均勻度。而混合氣加濃主要發生在發動機高速大負荷工況下，此時的發動機熱負荷大，排氣溫度較高（高達1100℃），會超過三效催化器中載體和催化劑涂層的承受范圍，通過加濃混合氣降低排氣溫度保護催化器。而燃油霧化不良，主要發生在發動機冷啟動時的暖機過程。

降低排氣溫度，避免加濃混合氣的技術選擇有：（1）采用排氣歧管集成冷卻水套；（2）采用低壓冷卻 EGR，抑制爆震；（3）噴水技術，抑制爆震；（4）采用混合動力系統，避免內燃機工作在高速大負荷區；

改善燃油霧化的技術選擇有：（1）優化進氣系統，對于增壓發動機可以改進進氣系統增大滾流比；（2）增大氣門重疊角，利用內部EGR加熱混合氣改善冷機階段的燃油霧化條件；（3）降低噴油油霧液滴直徑（如采用多孔噴油器，提高冷機階段的噴油壓力）。

1.2 降低HC排放的技術

汽車HC排放的成分非常復雜[4]，其中包括烷烴、烯烴、芳香烴和醛類，主要來自于燃油的不完全燃燒。在發動機怠速及大負荷工況時，混合氣濃度處于φa＜1的過濃狀態下，燃油不完全燃燒產生 HC；因發動機燃燒室壁面淬熄效應而導致燃油不完全燃燒產生HC排放，特別是在發動機冷啟動和怠速時，燃燒室壁面溫度較低，更易產生淬熄層。

國六a階段THC和NMHC排放限值保持與國五階段一致，到國六b階段，限值下降約50%。考慮到排放測試循環從以穩態工況為主的 NEDC循環改變成完全瞬態工況的WLTC循環，減排難度更大。

降低HC排放的主要技術措施有：（1）優化標定，合理匹配多次噴射，優化氣門重疊角；（2）優化燃油霧化，改善混合氣形成，例如提高冷機狀態下噴油壓力，優化噴射導向減少氣閥、缸壁及活塞頂濕壁，采用多孔噴油器，改善燃油霧化，也可以采用雙噴油器；（3）機外排放控制技術主要是采用催化器快速起燃，采用緊耦式催化器或增加催化器載體目數（減小壁厚）便于催化器快速升溫，從而實現快速起燃。

1.3 降低NOx排放的技術

汽油機燃燒過程主要生成 NO，另有少量NO2，統稱作NOx，其中NO占NOx總排放量的95%。NO產生途徑包括高溫NO、激發NO和燃料NO，其中高溫富氧是NO產生的主要原因。國六a階段限值保持與國五一致，在國六b階段NOx限值收緊了42%。

參考了美國溫室氣體排放標準和限值，國六階段引入了N2O限值要求，而歐六b對此無限值要求。N2O是溫室氣體，其溫室效應潛勢是CO2的298倍，也是我國《大氣污染防治法》規定要求管控的溫室氣體。

降低NOx排放的技術主要有：（1）采用廢氣再循環技術EGR，將廢氣冷卻后引入進氣系統中，能有效降低燃燒最高溫度，抑制或者減少NOx的生成；（2）對富氧稀燃發動機，可以采用NOx吸附還原催化劑進行后處理。

2 降低顆粒物（PM/PN）排放物的技術

尾氣中顆粒物主要由碳煙、可溶性有機物（未燃或燃燒不完全的燃油或潤滑油）、硫酸鹽等組成[5]。顆粒物排放主要是由于混合氣不均勻，導致燃燒不完全，在高溫缺氧條件下氧化裂解而成。傳統氣道噴射汽油機油氣混合時間較長，顆粒物排放較少。直噴汽油機因燃料直接噴入缸內，混合氣形成的時間較短，混合難以均勻，燃燒更易形成顆粒物。

國五階段僅對缸內直噴汽油機PM排放有限值要求，而對PN無限值要求；到國六階段，對氣道噴射和缸內直噴汽油機都提出了PM和PN排放限值要求，并且國六b階段限值從4.5mg/km收緊到3mg/km，加嚴33%。

降低顆粒物（PM/PN）排放的技術主要有：（1）燃燒系統優化改進，優化進氣道、燃燒室、噴油器及火花塞結構和布置，從而實現合理組織進氣氣流，提高缸內混合氣均勻度，提高噴油壓力，優化噴霧貫穿距離、噴霧錐角、減小噴霧粒徑，從而減小噴霧撞壁發生，特別是要減小活塞頂部和缸壁油膜形成；（2）標定及控制策略優化，可以多次噴射燃油，優化噴油時刻；（3）提升燃油油品，合理控制蒸汽壓力，降低苯含量，禁止加入MMT；（4）優化曲軸箱通風系統，提高油氣回收效率，降低潤滑油燃燒消耗；（5）快速暖機，如汽缸蓋加熱（缸蓋和缸套雙水道）；（6）后處理技術，加裝顆粒物捕集器（GPF）。

3 結論

國六排放法規從測試循環到污染物排放限值全面加嚴，新增加了對N2O和PN的限值，為了應對法規升級的挑戰，汽車行業應做好從發動機的機內排放控制到機外排放凈化技術的技術儲備。

[1] GB 18352.6-2016 輕型車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）.

[2] GB 18352.5-2013輕型車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）.

[3] 馬學紅.小型汽油機排放污染物的生成機理及凈化措施，[J]內燃機.2003年第6期：26-27.

[4] 李岳林,張志永.車用汽油機HC生成機理及排放控制技術.[J]上海汽車 2006年1月.

[5] 范錢旺,尹琪.直噴汽油機顆粒物成因及滿足 EURO-VI排放限值技術路線.[J]上海汽車，2013年6月.

U461.9 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988 (2017)12-103-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.034

CLC NO.: U461.9 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)12-103-02

吳春玲（1984.02--）碩士，中級工程師，就職于中國汽車技術研究中心。研究方向：發動機排放與測試。