“国6”汽油发动机常见排放控制系统简介

常州交通技师学院 朱自清

燃油汽车排放的污染物来源主要有3个方面：一是发动机燃烧排出的废气；二是从发动机曲轴箱中排出的气体；三是从燃油供给系统中排出的燃油蒸气。燃油汽车排放的污染物主要为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化合物（NO）及颗粒物（PM）等。为满足“国6”标准，即《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016），对汽油车排放污染物提出的严格要求，汽油发动机需要对之前的排放控制系统进行升级，如在排气管中增设颗粒捕集器（GPF），在燃油蒸发控制（EVAP）系统中增加燃油蒸气泄漏监测功能，等等。下面与大家谈一谈，目前“国6”汽油发动机常见排放控制系统的工作原理。

1 废气后处理系统

“国6”标准新增了对颗粒物数量（PN）的限制要求，而三元催化转化器（TWC）只具有减少废气中CO、HC及NO含量的作用，为此很多车辆生产企业选择在废气后处理系统中增设GPF（图1），用于捕集废气中的颗粒物。

图1 在废气后处理系统中增设GPF

如图2所示，GPF是一种壁流式的颗粒捕集装置，过滤体内有很多平行孔道，相邻的2个孔道内有一个只有进口开放，另一个只有出口开放；废气从开放的进口孔道流入，通过GPF载体（堇青石陶瓷芯）多孔壁面至相邻孔道排出，而颗粒物被滞留在孔道内，从而实现捕集作用。GPF虽然可以有效地捕集废气中的颗粒物，但随着捕集颗粒物的增多，排气背压也会升高，这会影响发动机的动力性和经济性。因此，当GPF中的颗粒物积累到一定程度时，会通过调节发动机运行工况（断油、推迟点火角等），使GPF中的颗粒物氧化燃烧，即GPF再生，从而去除GPF中的颗粒物，最终实现“捕集→再生→捕集”的良性循环。

图2 GPF捕集颗粒物的原理示意

GPF再生需要满足2个条件：一是废气中必须具有足够的氧气（O），以便氧化颗粒物；二是废气温度足够高（600 ℃左右），以便颗粒物与O发生反应。GPF再生分为被动再生和主动再生。车辆正常行驶时，若满足GPF再生条件，GPF发生被动再生；而当车辆的行驶工况长时间无法满足GPF再生条件时，如长时间短距离驾驶等，GPF无法发生被动再生；当GPF捕集的颗粒物累积到一定程度时，组合仪表上的GPF警告灯将点亮，以提醒驾驶人执行GPF主动再生。

发动机控制单元通过GPF温度传感器和GPF压差传感器的信号来判断是否需要进行GPF再生。GPF温度传感器安装在GPF进气口，用于监测进入GPF的废气温度。GPF压差传感器上连接着2根采样管，一根连接至GPF进气口，另一根连接至GPF出气口，以测量GPF进气口与出气口之间的压力差，发动机控制单元通过该压力差分析捕集的颗粒物量。

2 EVAP系统

“国6”标准要求，车载诊断（OBD）系统应监测EVAP系统的脱附流量，以及监测除活性炭罐阀与进气歧管之间的管路和接头之外的整个EVAP系统的完整性，防止燃油蒸气泄漏到大气中，并且要求对EVAP系统各单独部件（如阀、传感器等）进行监测；如果EVAP系统中存在1个或多个泄漏点，且这些泄漏点的泄漏量大于或等于直径为1 mm的小孔产生的泄漏量，则OBD系统应能监测到这种泄漏；车辆生产企业可使用大于或等于直径为0.5 mm的小孔产生的泄漏量替代上述泄漏量标准。下面介绍2种常见的EVAP系统。

2.1 带燃油箱泄漏诊断模块（DMTL）的EVAP系统

DMTL主要由诊断泵、诊断阀及基准孔等部分组成。该系统对比向燃油箱与基准孔吹气时遇到的阻力差异，从而判断EVAP系统等效泄漏面积是否达到基准孔的大小。诊断泵工作电流的大小与吹气过程中遇到的阻力大小成正比，因此通过诊断泵工作电流的大小可以判断EVAP系统的泄漏大小。该EVAP系统的工作模式有以下4种。

（1）默认模式（图3a）。活性炭罐电磁阀关闭，DMTL不工作，燃油箱通过活性炭罐与大气相通，蒸发的燃油蒸气被活性炭罐吸附。

（2）脱附模式（图3b）。活性炭罐电磁阀打开，DMTL不工作，新鲜空气通过活性炭罐将吸附的燃油蒸气带入发动机进气歧管。

（3）基准模式（图3c）。此时燃油箱泄漏诊断功能被激活，活性炭罐电磁阀关闭，对应在燃油箱及其管路上形成一个密闭空间；与此同时，DMTL的诊断泵工作，空气经0.5 mm的基准孔在DMTL内部流动；当DMTL腔内的压力达到平衡后，泵电流会趋于稳定，此时的泵电流为参考泵电流，即在当前环境温度和压力下的0.5 mm标准泄漏孔对应的泵电流值（此值为后续的诊断模式做参考）。

（4）诊断模式（图3d）。基准测量模式完成后，DMTL的诊断阀接通，诊断泵将新鲜空气泵入密闭的燃油箱系统；随着压力的逐渐增加，泵电流也逐渐增加；通过与参考泵电流做对比，如果在一定的时间内泵电流可以达到设定的阀值（即能够达到对应的燃油箱相对压力），则认为燃油箱系统是密封的；如果在一定的时间内泵电流始终无法上升到设定的阀值（即无法达到对应的燃油箱相对压力），则认为燃油系统存在泄漏，并且可以区分泄漏的程度，如细微泄漏（0.5 mm~1 mm的泄漏）和细泄漏（大于1 mm的泄漏）。

图3 带DMTL的EVAP系统的4种工作模式

2.2 带活性炭罐通风阀（CVS）和燃油箱压力传感器的EVAP系统

图4为某款废气涡轮增压发动机的EVAP系统，属于带CVS和燃油箱压力传感器的EVAP系统，其工作模式有以下3种。

图4 某款废气涡轮增压发动机的EVAP系统

（1）默认模式。活性炭罐电磁阀关闭，CVS打开，燃油箱通过活性炭罐与大气相通，蒸发的燃油蒸气被活性炭罐吸附。

（2）脱附模式。怠速及部分负荷时，活性炭罐电磁阀打开，CVS打开，新鲜空气通过活性炭罐将吸附的燃油蒸气带入发动机进气歧管。高负荷时，废气涡轮增压器工作，增压效果明显，进气歧管中无真空度，无法直接吸入燃油蒸气，此时让部分增压空气经过文丘里管回流至空气滤清器与涡轮增压器之间的进气管，利用文丘里效应（图5）同时将燃油蒸气吸入进气管。

图5 文丘里效应示意

（3）诊断模式。怠速时，活性炭罐电磁阀打开，CVS关闭，在进气歧管真空度的作用下，EVAP系统产生负压，如果燃油箱压力传感器没有检测到负压，说明EVAP系统存在较大泄漏；当EVAP系统的负压达到一定程度时，活性炭罐电磁阀关闭，此时依据EVAP系统内负压衰退速度判断是否存在泄漏。

3 曲轴箱强制通风（PCV）系统

发动机工作时，一部分可燃混合气和废气经活塞环泄漏到曲轴箱内，必须通过PCV系统将该窜气带走并平衡曲轴箱内外压力。图6为某款废气涡轮增压发动机的PCV系统。曲轴箱内的机油蒸气和窜气经过油气分离器后，机油会被分离并回流至油底壳，而窜气通过PCV阀后经过2个单向阀被吸入进气歧管或废气涡轮增压器进气端。发动机怠速及部分负荷时，窜气被吸入进气歧管；发动机高负荷时，窜气被吸入废气涡轮增压器进气端。

图6 PCV系统