來源：NE時代

被稱為史上最嚴排放法規的國六b已于2023年7月頒布執行。而正在討論制定的國七排放法規將進一步加嚴，這將對汽車排放控制提出更大的挑戰。本文在介紹國六b及國七排放法規的基礎上，重點解析了PN排放產生的根源，并提出了針對性的系統解決方案。

1. 國六b及國七排放法規介紹

相比于國五，國六b階段要求的常規氣體排放限值降低了約50%，標準顯著加嚴，且首次引入了顆粒物數量（PN）排放限值和RDE測試要求。同時，在國六b標準中，相比混合動力汽車（如PHEV、REEV），傳統燃油車的RDE冷機階段（0~300s）排放不計入排放限值，這在一定意義上降低了對燃油車的要求。

而國七標準則在國六b標準上進一步收緊，計劃對PN排放提出更為苛刻的要求。除了可能將PN排放的測試范圍由 >23nm擴展到 >10nm以外，傳統燃油車將和混合動力汽車采用相同標準，即也包含RDE冷機階段的排放。這不僅對混合動力汽車提高了要求，更是對燃油車造成了非常大的挑戰。

圖1 中國輕型車排放法規路線圖（汽油機）

2. 顆粒物PN排放產生機理解析

如前所述，國六第一次對汽油機的顆粒物數量排放提出了要求，而國七進一步加嚴了顆粒物數量的排放要求。PN排放抑制是所有排放中的難點，且GDI的PN排放較PFI高。因此，本文將重點分析GDI發動機的PN排放抑制策略。

基于大量工程研究和實踐，GDI發動機的PN來源包括氣閥（進氣閥）濕壁、活塞濕壁、氣缸濕壁、噴油器頭部濕壁、火力岸堆積的液態燃油、混合氣局部過濃。

3. 國六b及國七PN排放解決方案分析

系統分析發現，PN排放可以通過三個方面進行優化，包括后處理GPF過濾技術、整車標定策略，以及發動機設計優化。其中，GPF是降低PN排放的最有效手段，整車標定策略優化是降低PN排放的重要手段，發動機設計優化是降低PN的可行方法。

3.1 GPF是降低PN排放的最有效手段

GPF，即汽油機顆粒物捕集器，可有效捕集發動機在各種工況下的PN排放，過濾效率高達80~90%，能夠完美消除油品波動、發動機冷熱機切換、發動機負荷突變、耐久等嚴苛條件下的PN波動，是降低PN排放的最有效手段。需要重點指出的是，耐久工況下，隨著里程的增加，PN排放波動很大。如圖2 a) 所示,在不裝GPF的16萬公里耐久測試中，WLTC的原始PN排放在20%到118%限值范圍內波動。也就是說，即使新車滿足排放法規，也可能在后續的耐久測試中出現排放超標的情況。而如果加裝了GPF，如圖2 b)所示，在整個20萬公里的耐久測試中，PN排放都保持在非常低的水平，確保了完全滿足排放法規。因此，目前歐洲乘用車全部搭載GPF，國內絕大部分乘用車也采用GPF來控制顆粒物排放。

a) 無GPF的16萬公里耐久PN排放

b) 帶GPF的20萬公里耐久PN排放

圖2 GPF對PN耐久排放影響的測試結果

3.2 整車標定策略優化是降低PN排放的重要手段

整車標定策略在傳統燃油車、SP-PHEV以及REEV中都發揮了非常重要的角色。發動機控制器通過燃油噴射策略以及油氣混合策略，混合動力控制器通過發動機和電動機扭矩的協同都可以很大程度降低PN排放。但需要指出的是，標定策略對PN與NOx影響趨勢不一致。例如，為了解決RDE激進駕駛工況下的NOx排放，混合氣會略微偏濃，但這會導致PN排放的快速上升。為了解決該問題， GPF依然是最為有效的控制手段，可以實現同時降低PN和NOx排放的目的。

整車標定在解決PN方面的措施包括：

（1） 冷機多次噴射（>3次）

冷機多次噴射，特別是多于3次噴射，可顯著縮短油束貫穿距，降低燃油濕壁（氣閥、活塞、缸壁）所導致的PN排放，特別是在冷機且發動機負荷急速增加的工況下。如圖3所示的傳統燃油車，在WLTC 冷機階段的加速工況，通過4次噴射策略，將原始PN排放降低了1/3。

圖3 WLTC循環中0~300s冷起動階段(T_water<60℃)，多次噴射對PN排放的優化

（2） 基于活塞表面溫度的最優化噴油時刻策略

冷機狀態下，活塞表面的溫度較低，燃油噴射過程中的油束在碰到活塞表面后不容易蒸發。而在負荷瞬態增加的過程中，在前面多個發動機循環中，活塞溫度較低，噴射的燃油就不容易充分蒸發，這是導致PN排放的主要原因。基于此機理，可以通過模型計算活塞表面的溫度，在發動機收到扭矩瞬態增加的請求后，通過適當推遲燃油噴射的時刻，降低燃油碰到低溫活塞表面的可能性，從而抑制顆粒物的生成，如圖4所示的整車循環工況測試結果。

圖4 基于活塞表面溫度的最優化噴油時刻策略對于冷機負荷突變工況下PN排放的改善效果

（3）混動優化策略

如上述機理分析和測試，冷機疊加發動機負荷瞬態增加會導致顆粒物排放的大幅上升。這個問題在混合動力汽車中可以很容易地得到解決。如在串并聯混合動力或者并聯混動中，通過整車標定策略優化，用電動機的扭矩輸出降低整車對發動機的扭矩需求，達到削峰填谷的效果，從而抑制發動機負荷的突變。特別是在增程式電動車中，由于發動機和整車驅動解耦，配合優化的SOC (電池荷電狀態) 策略，發動機可以運行在穩態工況，從而徹底解決了發動機負荷瞬態變化的問題，使得PN排放降到很低的水平。

3.3 發動機設計優化是降低PN的可行手段

顆粒物排放是發動機缸內燃油擴散燃燒的產物。發動機進氣系統設計優化、噴油器噴孔及油束形態優化，以及提高噴油壓力均對PN排放有抑制效果。

（1） 進氣滾流比提升

進氣滾流比提升，可促進燃油與空氣的相互作用，進而提高混合氣均勻性。同時，較高的氣流運動也會將附著在缸壁、活塞表面的未蒸發燃油卷起，減少燃油濕壁，從而抑制顆粒物的生成。

（2） 噴油器噴孔內部流場及油束優化

如圖5所示，通過改進噴孔內部結構設計，可以優化噴嘴內部流動特性。同時，通過調整噴孔外部沉孔結構的長徑比，能夠將燃油撞壁位置限制在噴油器孔內，避免噴油器頭部的濕壁現象。此外，通過多孔噴嘴噴孔位置的調整，可以進一步優化噴霧油束形態，將橢圓形的噴霧油束調整為三角形的油束形態，能夠有效減少燃油與活塞、氣門、缸壁的碰撞，進而減少濕壁。如圖6所示，通過噴孔結構及噴霧油束優化能夠減少70%的PN，是降低顆粒物排放的重要手段。

圖5 噴孔結構對于噴油器端部濕壁的影響機理

圖6 噴油器噴孔內部流場和油束優化對于PN排放改善效果

（3） 噴油壓力提升

如圖7所示，提升噴油壓力，可以減小燃油液滴的粒徑大小，加速燃油霧化，從而提高混合氣的均勻性。但同時需要指出的是，當噴射壓力超過300bar后，噴霧粒徑SMD的下降趨勢將逐漸趨于平緩，進一步提高噴油壓力對于燃油霧化的優化效果減弱。而同時，軌壓上升會導致噴霧貫穿距增大，增加燃油濕壁的可能性，反而有顆粒物排放升高的趨勢。因此，需要針對高噴射壓力優化設計油氣混合過程、燃油噴射策略以及整車標定策略等。

圖7 噴霧粒徑SMD和油束貫穿距隨噴射壓力的變化

4. 結論

綜上所述，為應對國七，包括發動機老化耐久、新車磨合、RDE條件下低溫環境疊加激烈駕駛等惡劣條件，無論是燃油車還是混合動力車型，不論是車重較小的轎車還是車重較大的SUV、MPV車型，GPF是PN排放控制的最有效手段。“堅持綠水青山就是金山銀山”，從環境保護和藍天保衛戰的角度，GPF在顆粒物排放控制中發揮了無可替代的作用。其次，整車標定策略優化，特別是增程式電動汽車，有降低PN的較大潛力。最后，發動機設計優化是降低PN的可行方法。而汽車產業也需要通過持續的研發和創新，為實現更清潔、更智能的未來交通，貢獻出自己的力量。