PFI发动机降低PN排放的措施有哪些

严格的国六排放法规即将实施，其中增加了在WLTC循环工况下的PN（颗粒排放物数量）排放限值，这不仅对直喷发动机（以下称GDI发动机），也对传统的进气道喷射发动机（以下称PFI发动机）提出了比较大的挑战。目前，大家的目光主要集中在GDI发动机的PN排放的优化，可是在我国市场上PFI发动机仍然占主导地位，2018年PFI发动机的市场占有率超过60%，并且很多的PFI发动机已经出现PN排放超标的问题，因此PFI发动机采取何种技术措施有效应对国六排放，特别是如何降低PN排放变得越来越重要。

PFI发动机PN排放的来源

不同于GDI发动机，PFI发动机PN排放的来源主要有以下三个方面，如图1所示。

图1  PFI发动机PN排放来源

进气气阀内表面及其阀座和燃烧室顶部油膜（图中位置⑤）。PFI发动机中，通常燃油被喷油器喷入进气道，在进气道内同进气充量进行混合。当出现一些不利因素如喷油量较大，温度较低时，燃油和空气混合不充分，容易在进气阀附近的进气道壁面形成较多的液态油膜堆积。当进气阀打开时，部分液态燃油随进气气流进入气缸内，分布在进气气阀内表面、进气气阀阀座以及燃烧室顶部区域，当燃烧发生时，这些区域的液态燃油油膜不完全燃烧，是形成PN的主要来源之一。

排气侧气缸缸壁油膜（图中位置②）。在某些工况下开阀喷射，燃油喷雾和空气气流混合不充分，部分液态燃油颗粒被进气气流带到排气侧的气缸缸壁积聚，形成液态油膜，后续不完全燃烧，形成颗粒排放物。

液态油滴在缸内空间的不均匀分布（图中位置⑥）。当进气气流较弱时，燃油和进气充量混合不均匀，容易在缸内空间产生液态的油滴。后续燃烧时，这些油滴不完全燃烧，成为PN的来源之一。

PFI发动机降低PN排放的措施

和国五的气体排放相比，国六的PN排放优化更加强调系统性的优化，必须从喷油器喷雾设计、燃油喷射和进气充量的混合、发动机试验标定以及整车性能优化方面通盘考虑，而不是单单强调其中的一个环节。本文主要针对PFI发动机，从喷油器喷雾设计优化、进气气流、VVT优化及发动机喷油控制参数优化、后处理等方面来介绍PFI发动机中降低PN排放的一些措施。

2.1  喷油器喷雾设计优化

当PFI发动机中燃油被喷入发动机进气道时，同进气道中的空气充分混合，随后混合气被吸入气缸中参与后续的燃烧过程。中小负荷下，较少的喷油量被喷入进气道，在进气道内有足够的时间进行蒸发，能够和空气充分混合，进气过程中较易形成混合充分均匀的混合气，在后续燃烧中充分燃烧，产生的PN排放水平较低。这是PFI发动机在中小负荷条件下PN排放通常优于GDI发动机的主要原因。

但当处于大负荷区域时，随着喷油量的增加，燃油在进气门附近形成越来越多的液态油膜，被带入气缸内造成较高的PN排放。此时，如何优化喷油器喷雾形状，促进燃油喷雾和进气道空气充分混合，就变得十分重要。实验证明（如图2），采用较大喷雾锥角（β角）的喷油器，能使喷雾液滴的SMD（绍特平均直径）有效减小，同时增加燃油喷雾和空气的混合区域，改善燃油喷雾和空气的混合过程，获得较低的PN排放。

图2  不同β角喷油器的PN对比

2.2  喷油时刻的优化

在大负荷工况下，还可以通过对喷油器喷油时刻的优化降低PN排放。通常PFI发动机的喷油时刻被控制在进气阀打开之前，燃油在进气道被喷射并和空气混合，即所谓的闭阀喷射（CVI）。在大负荷工况下，可以尝试开阀喷射的喷射策略（OVI），即当进气阀打开开始进气过程时，燃油同时喷入气缸内。这样，可以利用燃油喷雾和进气气流运动的配合达到混合气良好混合的目的，以降低PN排放。如图3所示，安装喷油器A和B的PFI发动机，当进入开阀喷射后，喷油结束角EOI达到30°CA附近时，PN大幅度降低。

图3 不同喷油时刻下的PN对比

这种策略的利用，需要在特定工况对目标发动机的喷油时刻进行扫描实验，找出PN排放较低的点，同时还要考虑发动机燃烧稳定性、油耗、扭矩和其他气体排放等没有恶化，综合考虑得到优化的喷油时刻。

2.3  VVT控制的优化

PFI发动机的PN排放很大一部分来自于起动和暖机过程，此过程中发动机进气道壁面温度较低，喷油器喷雾雾化条件较差，在冷的进气阀附近壁面产生较多的液态油膜积聚，成为大量颗粒排放物的来源。此时，控制VVT产生较大的气门重叠角，由于压差的作用产生内部EGR（废气再循环）效应，反流的EGR气体会冲刷进气阀上的液体油膜，使之蒸发和进气充量再次混合，达到减少油膜促进混合气混合的目的，最终降低PN排放。需要注意的是，加大气门重叠角和内部EGR，往往会造成燃烧的恶化，燃烧稳定性降低。所以，采取此措施需要同时评估对燃烧稳定性的影响，找到VVT控制的优化点，有效降低PN排放，同时也保证对燃烧的负面影响较小。

2.4  提高系统喷油压力

提高系统喷油压力，被有些PFI发动机实验证实，可以降低起动和暖机时的PN排放。其机理是，提高系统喷油压力，可以降低喷油喷雾油滴SMD，促进混合气的均匀混合过程，从而改善起动和暖机过程中的PN排放。由于生产和测试条件的限制以及燃油系统耐压能力的限制，系统压力只能提高到一定限度，对排放的改善有限。另外，该措施对PN排放的改善程度因不同PFI发动机而异。

2.5 大进气滚流比的进气道设计

研究发现，PFI发动机采用大滚流比的进气道设计，能够强化进气气流运动，增强燃油和进气充量的均匀充分混合，减少缸内液态油膜的产生，从而降低PN排放。需要指出的是，对于自然吸气的PFI发动机，进气道采用大滚流比设计，可能降低全负荷工况下的进气效率，影响到最大扭矩的发挥，需要对两个影响因素进行综合考虑。对于增压PFI发动机，由于增压系统的帮助，对最大扭矩往往影响较小。

2.6  排气后处理技术GPF(汽油机颗粒捕捉器)

和GDI发动机类似，对于降低PN排放的后处理技术，PFI发动机也可以应用GPF技术，如图4所示。GPF可以有效捕捉发动机排气中的颗粒物，从而降低PN排放。采用GPF需要解决两个主要问题，一是GPF的再生，GPF在工作一段时间后，颗粒物会接近充满，GPF对颗粒的捕捉能力大幅下降。此时需要利用高温的排气将GPF中的颗粒物烧掉，此过程称为再生。GPF在整车布置时就考虑其位置的优化，应尽量在靠近发动机排气管出口的位置，例如GPF和前级三元催化器紧耦合，以充分利用发动机废气的高温，保证再生过程的顺利进行。另一个问题是，OBD法规要求对GPF进行相关诊断，目前典型的配置是在GPF上安装压差传感器以及温度传感器，EMS系统配合采用相应的诊断策略完成诊断。

图4 典型的GPF系统布置图