PFI发动机起动阶段THC、NOx的排放控制研究

崔有利

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车行业的排放标准《GB 18352.6—2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》加严了对CO、HC及NOx的要求。而PFI发动机排放的控制中难点普遍在于催化器未激活之前THC及NOx的控制，CO相对容易，故本文研究的是起动阶段THC、NOx的排放控制。

1 污染物产生原理

1.1 PFI发动机THC产生的原理及难控制的原因简介

THC产生的原理简而言之就是汽油没有得到充分燃烧。而PFI发动机相较GDI发动机，因不是在燃烧室内进行喷油，而是在进气道喷射，此情况形成油膜和沉积物的吸附效应，进而加大了THC原始排放的产生。另外，GDI发动机还可以利用高压油泵、多次喷射等手段，充分雾化燃油，进一步遏制THC的原始排放。

1.2 PFI发动机NOx产生的原理及难控制的原因简介

NOx产生的原理简单来讲即是高温富氧。因GDI发动机的燃油在缸内蒸发雾化，而PFI发动机是在进气道雾化，缸内雾化能够降低缸内温度，进而遏制高温条件，所以PFI发动机相较于GDI发动机NOx控制难度也得以加大。具体的反应式如图1所示。

图1 反应式

2 排放污染物的分布

一个排放优化好的车辆排放污染物的秒采，一般情况如图2、图3所示。

图2 NOx污染物分布

图3 THC污染物分布

从图2、图3中的秒采可以看出，NOx和THC的污染物主要集中在起动阶段。起动阶段催化器未激活，无法完成转化反应，所以对排放标定而言，起动阶段的标定为精细化标定的过程，本文研究的是通过理论及试验确认空燃比、点火角对相关污染物的影响。

3 车辆的选取

本课题的研究是选取江淮的某一款5座、动力总成为1.5T+6DCT的SUV车型，此车在发动机、催化器、GPF等完全固化后进行的测试。

4 污染物影响因素的研究

4.1 空燃比

理论上，THC随空燃比的减小而增加，NOx随空燃比的减小而增多，但具体空燃比影响如何需做试验进行研究确认。

图4为测试车辆起动怠速过程中，点火角、转速控制基本相同的情况下，不同空燃比控制下具体数据表现，图5、图6为THC及NOx秒采的表现。

图4 点火角、转速控制相同的情况下，不同空燃比的对比数据

图5 点火角、转速控制相同的情况下，THC起动催化器起燃阶段的秒采

图6 点火角、转速控制相同的情况下，NOx起动催化器起燃阶段的秒采

从图5、图6中及数据图4上可以看出，怠速时，空燃比从0.98变化到1.04左右后，THC从峰值300ppm降到200ppm。NOx从峰值30ppm升到45ppm，但怠速稳定性有些许恶化。

4.2 点火角

理论上，点火角越小，缸内燃烧越迟，故缸内高温状态持续的时间越短，进而遏制高温条件，故NOx随点火角的减小而减少，但点火角减少后，会使燃气体量增加，燃气体量增加后，又会加大NOx的产生，两者一中和，具体NOx是增加还是减少，需要做试验进行验证。

另外，点火角减小后，会使燃烧变迟，可能存在混合气来不及燃烧，导致燃烧不充分，使THC排放量增多。

图7为测试车辆起动怠速过程中，转速为1500r/min、空燃比基本为1.02左右的情况下，不同点火角控制的数据对比表现。图8、图9为THC、NOx秒采的表现。

图7 空燃比、转速控制相同的情况下，不同点火角的对比数据

图8 空燃比、转速控制相同的情况下，THC起动催化器起燃阶段的秒采

图9 空燃比、转速控制相同的情况下，NOx起动催化器起燃阶段的秒采

从图9、图10中及数据图8上可以看出，怠速时，点火角从-6变化到-15左右后，THC从峰值250ppm降到200ppm。NOx从峰值42ppm降到28ppm，但怠速的稳定性变得恶化。

5 总结

在发动机不失火的情况下，点火角和空燃比对污染物的影响如下。

1）混合气越浓，THC越高，NOx越低，怠速稳定性越好，而1.04的空燃比怠速稳定性可接受。

2）起燃阶段点火角越小，点火时刻越迟，混合气可能存在燃烧不充分即排出的情况，可能使THC偏高，但通过试验发现，点火角的推迟，并未使THC排放恶化，点火角变小，反而THC越低。

3）起燃阶段点火角越小，NOx越低，但怠速稳定性会变差。

6 建议

综上研究，点火角、空燃比的选取对排放的控制起到了更为关键作用，对NOx、THC均具有同向的作用，但点火角越小，空燃比越稀，怠速稳定性均越差，在具体实践的过程中，需均衡两者，既要保证排放通过，又要确保怠速转速的稳定性。

因1.04的空燃比，点火角为-15时，怠速稳定性勉强可接受，该值为极限可接受的状态，故在实际标定过程中，建议空燃比不要大于1.04，点火角尽可能控制到-15以上。