乘用车国七PN排放的系统解决方案

被称为史上最严排放法规的国六b已于2023年7月颁布执行。而正在讨论制定的国七排放法规将进一步加严，这将对汽车排放控制提出更大的挑战。

本文在介绍国六b及国七排放法规的基础上，重点解析了PN排放产生的根源，并提出了针对性的系统解决方案。

01.

国六b及国七排放法规介绍

相比于国五，国六b阶段要求的常规气体排放限值降低了约50%，标准显著加严，且首次引入了颗粒物数量（PN）排放限值和RDE测试要求。

同时，在国六b标准中，相比混合动力汽车（如PHEV、REEV），传统燃油车的RDE冷机阶段（0~300s）排放不计入排放限值，这在一定意义上降低了对燃油车的要求。

而国七标准则在国六b标准上进一步收紧，计划对PN排放提出更为苛刻的要求。除了可能将PN排放的测试范围由 >23nm扩展到 >10nm以外，传统燃油车将和混合动力汽车采用相同标准，即也包含RDE冷机阶段的排放。

这不仅对混合动力汽车提高了要求，更是对燃油车造成了非常大的挑战。

 ■图1 中国轻型车排放法规路线图（汽油机）

02.

颗粒物PN排放产生机理解析

如前所述，国六第一次对汽油机的颗粒物数量排放提出了要求，而国七进一步加严了颗粒物数量的排放要求。PN排放抑制是所有排放中的难点，且GDI的PN排放较PFI高。因此，本文将重点分析GDI发动机的PN排放抑制策略。

基于大量工程研究和实践，GDI发动机的PN来源包括气阀（进气阀）湿壁、活塞湿壁、气缸湿壁、喷油器头部湿壁、火力岸堆积的液态燃油、混合气局部过浓。

03.

国六b及国七PN排放解决方案分析

系统分析发现，PN排放可以通过三个方面进行优化，包 括后处理GPF过滤技术、整车标定策略，以及发动机设计优化。 其中，GPF是降低PN排放的最有效手段，整车标定策略优化是降低PN排放的重要手段，发动机设计优化是降低PN的可行方法。

◎3.1GPF是降低PN排放的最有效手段

GPF，即汽油机颗粒物捕集器，可有效捕集发动机在各种工况下的PN排放，过滤效率高达80~90%，能够完美消除油品波动、发动机冷热机切换、发动机负荷突变、耐久等严苛条件下的PN波动，是降低PN排放的最有效手段。

需要重点指出的是 ，耐久工况下，随着里程的增加，PN排放波动很大。如图2 a) 所示, 在不装GPF的16万公里耐久测试中，WLTC的原始PN排放在20%到118%限值范围内波动。也就是说，即使新车满足排放法规，也可能在后续的耐久测试中出现排放超标的情况。而如果加装了GPF，如图2 b)所示，在整个20万公里的耐久测试中，PN排放都保持在非常低的水平，确保了完全满足排放法规。因此，目前欧洲乘用车全部搭载GPF，国内绝大部分乘用车也采用GPF来控制颗粒物排放。

■a)无GPF的16万公里耐久PN排放

 ■b)带 GPF的2 0万公里耐 久PN排放

■图2 GPF对PN耐久排放影响的测试结果

◎3.2整车标定策略优化是降低PN排放的重要手段

整车标定策略在传统燃油车、SP-PHEV以及REEV中都发挥了非常重要的角色。

发动机控制器通过燃油喷射策略以及油气混合策略，混合动力控制器通过发动机和电动机扭矩的协同都可以很大程度降低PN排放。但需要指出的是，标定策略对PN与NOx影响趋势不一致。例如，为了解决RDE激进驾驶工况下的NOx排放，混合气会略微偏浓，但这会导致PN排放的快速上升。为了解决该问题， GPF依然是最为有效的控制手段，可以实现同时降低PN和NOx排放的目的。

整车标定在解决PN方面的措施包括：

（1）冷机多次喷射（>3次）

冷机多次喷射，特别是多于3次喷射，可显著缩短油束贯穿距，降低燃油湿壁（气阀、活塞、缸壁）所导致的PN排放，特别是在冷机且发动机负荷急速增加的工况下。如图3所示的传统燃油车，在WLTC 冷机阶段的加速工况，通过4次喷射策略，将原始PN排放 降低了1/3。

■图3 WLTC循环中0~300s冷起动阶段(Twater<60℃)，多次喷射对PN排放的优化

（2）基于活塞表面温度的最优化喷油时刻策略

冷机状态下，活塞表面的温度较低，燃油喷射过程中的油束在碰到活塞表面后不容易蒸发。而在负荷瞬态增加的过程中，在前面多个发动机循环中，活塞温度较低，喷射的燃油就不容易充分蒸发，这是导致PN排放的主要原因。

基于此机理， 可以通过模型计算活塞表面的温度，在发动机收到扭矩瞬态增加的请求后，通过适当推迟燃油喷射的时刻，降低燃油碰到低温活塞表面的可能性，从而抑制颗粒物的生成，如图4所示的整车循环工况测试结果。

 ■ 图4 基于活塞表面温度的最优化喷油时刻策略对于冷机负荷突变工况下PN排放的改善效果

（3）混动优化策略

如上述机理分析和测试，冷机叠加发动机负荷瞬态增加会导致颗粒物排放的大幅上升。这个问题在混合动力汽车中可以很容易地得到解决。

如在串并联混合动力或者并联混动中，通过整车标定策略优化，用电动机的扭矩输出降低整车对发动机的扭矩需求，达到削峰填谷的效果，从而抑制发动机负荷的突变。特别是在增程式电动车中，由于发动机和整车驱动解耦，配合优化的SOC (电池荷电状态) 策略，发动机可以运行在稳态工况，从而彻底解决了发动机负荷瞬态变化的问题，使得PN排放降到很低的水平。

◎3.3发动机设计优化是降低PN的可行手段

颗粒物排放是发动机缸内燃油扩散燃烧的产物。发动机进气系统设计优化、喷油器喷孔及油束形态优化，以及提高喷油压力均对PN排放有抑制效果。

（1）进气滚流比提升

进气滚流比提升，可促进燃油与空气的相互作用，进而提高混合气均匀性。 同 时，较高的气流运动也会将附着在缸壁、活塞表 面的未蒸发燃油卷起，减少燃油湿壁，从而抑制颗粒物的生成。

（2）喷油器喷孔内部流场及油束优化

如图5所示，通过改进喷孔内部结构设计，可以优化喷嘴内部流动特性。同时，通过调整喷孔外部沉孔结构的长径比，能够将燃油撞壁位置限制在喷油器孔内，避免喷油器头部的湿壁现象。

此外，通过多孔喷嘴喷孔位置的调整，可以进一步优化喷雾油束形态，将椭圆形的喷雾油束调整为三角形的油束形态，能够有效减少燃油与活塞、气门、缸壁的碰撞，进而减少湿壁。

如图6所示，通过喷孔结构及喷雾油束优化能够减少70%的PN，是降低颗粒物排放的重要手段。

■图5 喷孔结构对于喷油器端部湿壁的影响机理

■图6 喷油器喷孔内部流场和油束优化对于PN排放改善效果

（3）喷油压力提升

如图7所示，提升喷油压力，可以减小燃油液滴的粒径大小，加速燃油雾化，从而提高混合气的均匀性。但同时需要指出的是，当喷射压力超过300bar后，喷雾粒径SMD的下降趋势将逐渐趋于平缓，进一步提高喷油压力对于燃油雾化的优化效果减弱。而同时，轨压上升会导致喷雾贯穿距增大，增加燃油湿壁的可能性，反而有颗粒物排放升高的趋势。

因此，需要针对高喷射压力优化设计油气混合过程、燃油喷射策略以及整车标定策略等。

■图7 喷雾粒径SMD和油束贯穿距随喷射压力的变化

04.

结论

综上所述，为应对国七，包括发动机老化耐久、新车磨合、RDE条件下低温环境叠加激烈驾驶等恶劣条件，无论是燃油车还是混合动力车型，不论是车重较小的轿车还是车重较大的SUV、MPV车型，GPF是PN排放控制的最有效手段。

“坚持绿水青山就是金山银山”，从环境保护和蓝天保卫战的角度，GPF在颗粒物排放控制中发挥了无可替代的作用。其次，整车标定策略优化，特别是增程式电动汽车，有降低PN的较大潜力。最后，发动机设计优化是降低PN的可行方法。而汽车产业也需要通过持续的研发和创新，为实现更清洁、更智能的未来交通，贡献出自己的力量。