馮海濤 李光磊 曲函師 姜思君 陳俊杰

（中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院，長春 130011）

主題詞：汽油機顆粒捕集器 低溫 結冰堵塞 低地板 緊耦合

1 前言

GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》將于2020年7月1日起實施，除對氣體排放物如HC、CO、NOx的排放限值降低約50%，顆粒物（Particulate Matter，PM）和粒子數量（Particle Numbers，PN）的限值更是對汽油發(fā)動機提出了更大的挑戰(zhàn)。汽油缸內直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動機已成為市場主導產品，但其相比于進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）發(fā)動機會產生更多顆粒物，因此降低PN成為應對中國第六階段排放標準所面臨的最大技術挑戰(zhàn)[1-2]。

中國第六階段排放標準過渡階段的PN限值尚能通過升級發(fā)動機軟、硬件系統(tǒng)及優(yōu)化標定控制參數進行應對[3]，但過渡階段結束后，汽油機顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）作為降低PN的有力手段必將被引入發(fā)動機系統(tǒng)。此外，針對2023年即將實施的對實際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）的監(jiān)控，PFI發(fā)動機存在巨大的風險，因此GPF被視為降低PN的主要技術手段而被逐步應用到所有滿足第六階段排放標準的車輛[3-4]。

GPF在推廣使用過程中也暴露出一些問題，某早期開發(fā)車型的試驗車在寒區(qū)進行低溫標定測試（該車輛主要進行低速低負荷相關試驗）過程中，車輛起動怠速或低速行駛若干次后出現發(fā)動機無法起動現象，分段拆解分析后確認GPF存在結冰問題?？紤]到中國北方大部分城市冬季漫長，部分用戶用車工況與此類似，本文以一臺帶有GPF的V型GDI發(fā)動機為基礎，對GPF結冰堵塞問題進行試驗研究，提出了GPF冰堵判斷依據，并利用高原高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)通過試驗、分析給出了解決方案，同時縮短了開發(fā)周期。

2 GPF工作原理及吸水性分析

2.1 GPF工作原理

汽油機顆粒物主要由不同粒徑的碳煙組成，GPF通過壁流式過濾，應用攔截和擴散為主導的顆粒補集機制，通過各性能參數間優(yōu)化組合，過濾效率到達90%～98%[5-8]，壁流式過濾器如圖1所示。

圖1 GPF壁流式過濾器工作原理[9-10]

壁流式過濾器以其極高的過濾效率而被廣泛應用，但同時也應注意到，GPF在過濾顆粒的同時也能攔截水分，尤其是低溫環(huán)境下排氣系統(tǒng)后端溫度低，水蒸氣冷凝析出被GPF攔截并吸附儲存于組織內部，發(fā)動機運行一段時間后，隨溫度升高，冷凝水被再次氣化并隨高速尾氣氣流排出，而溫升速率與發(fā)動機運行工況及GPF布置形式強相關。

2.2 GPF吸水性能分析

目前，GPF載體材料主要是堇青石蜂窩陶瓷，該材料以其獨特的多孔結構而具有熱膨脹系數低、密度小、比表面積大、吸附能力強、耐火溫度高、化學穩(wěn)定性好等特點而廣泛應用于尾氣后處理系統(tǒng)[11-12]。但堇青石作為硅酸鹽礦物的一種，吸水率、孔隙率是其結構特征的重要指標，研究表明，通過陶瓷吸水率測定儀測得堇青石的吸水率和孔隙率（加入ZrO2添加劑）如圖2所示。

圖2 堇青石蜂窩陶瓷的吸水率和孔隙率[12]

3 試驗方案設計

3.1 試驗對象及設備

試驗選用一臺帶有三元催化轉換器（Three Way Catalyst，TWC）及GPF的V型GDI發(fā)動機作為研究對象，發(fā)動機參數如表1所示，排氣后處理系統(tǒng)布置方式如圖3所示，GPF采用低地板布置形式。利用高原高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)HQC-500（環(huán)境艙）進行低溫冷凍試驗；為建立GPF內部溫度場模型，安裝若干溫度、壓力傳感器，如圖4所示；同時，安裝HORIBA FQ-2100DP油耗儀用于燃油消耗量記錄，配備METTLER TOLEDOXK3123電子天平用于GPF樣件稱重，配備納博熱馬弗爐N500/85HA進行GPF樣件烘烤。

表1 發(fā)動機參數

圖3 發(fā)動機及排氣后處理系統(tǒng)布置

圖4 排氣系統(tǒng)溫度及壓力傳感器布置

針對該GPF樣件，通過進氣量及燃油消耗量計算得到尾氣中的含水量，通過稱重得到GPF內水分的增量，進而估算出GPF的吸水率，并建立與其他參變量間的關系，表2所示為該GPF樣件的性能參數。

表2 GPF性能參數

3.2 試驗方案

主要應用環(huán)境艙進行低溫冷機怠速試驗，控制環(huán)境艙內目標溫度分別為-30℃、-25℃、-20℃和-10℃，發(fā)動機充分熱機并靜置后，根據不同的冷機怠速運轉時間（120 s、300 s、600 s）進行試驗測試，試驗前、后分別對GPF在目標溫度下稱重，得到GPF的基準質量及每次試驗后的質量增量，每組試驗重復進行直到出現GPF冰堵而無法起動發(fā)動機，同時應用ETAS軟、硬件系統(tǒng)對發(fā)動機低溫冷機怠速的各處溫升進行實時數據監(jiān)控，建立GPF前、后及內部的溫度場模型。試驗后對GPF樣件應用馬弗爐烘烤或運行世界統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（Worldwide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC）進行處理。

針對上述工況，本文應用低地板和緊耦合兩種方案，并通過優(yōu)化標定參數進行對比試驗。

4 試驗及數據分析

4.1 GPF冰堵問題定性判斷

北方地區(qū)部分用戶單位與住宅距離近，冬季每天早、晚高峰時段低速行駛，車輛運行時間過短而無法熱機，到達目的地后停機靜置時間長，以相近溫度下運轉10次作為北方地區(qū)部分用戶的用車習慣?？紤]到低速行駛區(qū)域廣泛而不易規(guī)范化，且低速行駛相比于冷機怠速運轉由于排氣流量大且具有溫升速率快等優(yōu)勢，并非最苛刻的用車環(huán)境，從擴展邊界條件考慮極端用戶體驗，應用低溫冷機怠速工況進行摸底，因此以10次冷機起動是否產生冰堵作為GPF冰堵的判斷依據。

首先在目標溫度（-25℃和-30℃）下冷機起動發(fā)動機怠速運行300 s，停機靜置4 h，重復多次直至GPF出現冰堵。GPF布置方案為低地板和緊耦合兩種，低地板方案使用原標定數據和特殊優(yōu)化后的標定數據（提升怠速轉速和延長催化器加熱時間等），結合用戶實際使用工況，低溫起動10次以內產生冰堵現象，定為存在冰堵問題；低溫起動10次以上出現冰堵現象，認為不影響實際使用，可以接受。試驗結果如圖5所示。

圖5 各方案冷機起動次數與GPF冰堵的關系

由圖5可知，對于低地板布置方案，無論標定數據優(yōu)化與否，在不同的目標溫度下都會出現GPF結冰堵塞情況，區(qū)別在于起動次數的差異，而緊耦合方案則不存在該問題，GPF冰堵樣件及局部如圖6所示。

4.2 GPF水份累積定量分析

4.2.1 起動次數對GPF水分累積量的影響

設定起動溫度為-25℃，起動運轉時間為300 s，研究起動次數對GPF內水分累積量、吸水效率及排氣系統(tǒng)各處溫升的影響，結果如圖7所示。由于試驗以V型發(fā)動機作為研究對象，對GPF左、右兩側分支分別稱重，對比兩側一致性，選取運轉條件相對較差的一側作為研究對象。

圖6 GPF冰堵樣件及局部放大圖

圖7 GPF水增量、吸水率與起動次數的關系

由圖7可知，在相同運轉條件下，燃燒產生等量水，GPF內水分增重隨著起動次數的增加而上升，吸水率也同時增長，為了解釋其原因，給出排氣系統(tǒng)和GPF內各處溫升曲線如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，每次起動排氣出口和GPF入口處的溫升一致，說明起動及運轉狀態(tài)基本相同，而GPF內部溫升隨起動次數的增加而逐漸降低，源于GPF內吸熱時間增加，水分蒸發(fā)和冷凝相變歷程變長，而排氣溫度低導致水的冷凝多于蒸發(fā)排出，更多水分聚集而產生冰堵問題。由圖8可知，排氣系統(tǒng)左側分支溫升速率較右側分支緩慢，水分累積量較多，運行條件更惡劣，故后續(xù)試驗只針對左側分支進行分析。

4.2.2 起動溫度對GPF水分累積量的影響

根據上述試驗結果，選取第7次作為基準起動溫度研究溫升速率，主要包括-30℃、-25℃、-20℃和-10℃（-10℃驗證未完成），試驗結果如圖10～圖12所示。

圖8 排氣系統(tǒng)各處溫升曲線

由圖12可知，GPF水分累計量和吸水效率隨起動溫度的升高而降低，而各處溫升趨勢隨溫度的升高而加快，主要源于溫度的上升使得GPF內水分冷凝結冰程度下降，蒸發(fā)速度變快，相變歷程縮短，更多水分轉化成水蒸氣隨尾氣排出而帶來吸水率降低。

4.2.3 起動運轉時間對水分累積量的影響

根據上述試驗結果，選取-30℃起動溫度和第7次起動作為起動運轉時間研究的基準，起動運轉時間模擬近距離低速行駛工況，主要包括120 s、300 s和600 s 3種時長，試驗結果如圖13～圖15所示。

圖9 GPF內部各處溫升曲線

圖10 GPF水分累計量、吸水率與溫度的關系

圖11 排氣系統(tǒng)各處溫升對比曲線

圖12 GPF內部各處溫升對比曲線

圖13 GPF水分累計量、吸水率與運轉時間的關系

由圖15可知，起動并運轉300 s時GPF水分累計量多于其他兩種工況，主要因為運行時間短（120 s）未產生足夠多的水分，而隨著時間的延長，溫度的攀升使水分部分被氣化，吸水率隨運行時間的延長而逐漸降低，分析得出起動并運轉300 s時水分累積量最多，工況最惡劣。

圖14 排氣系統(tǒng)各處溫升對比曲線

圖15 GPF內部各處溫升對比曲線

4.3 優(yōu)化標定數據對水分累積量的影響

根據上述試驗結果，選取-30℃第7次起動并運轉300 s作為優(yōu)化標定數據的基準，研究優(yōu)化怠速轉速對GPF內水分累積量、吸水效率及排氣系統(tǒng)各處溫升情況的影響，結果圖16～圖18所示。

由圖18可知，GPF水分累計量和吸水效率隨怠速轉速的升高而降低，各處溫升趨勢隨優(yōu)化后怠速轉速的升高而加快，主要源于提升怠速轉速使得排氣溫度升高，更多水分轉化成水蒸氣隨尾氣排出而帶來吸水率降低。雖然GPF內水分累積量有所下降，起動次數增加同樣會帶來GPF冰堵問題，且提高怠速轉速會帶來燃油經濟性變差等問題，不能根本解決冰堵問題。

圖16 優(yōu)化標定對GPF水分累計量、吸水率的影響

圖17 排氣系統(tǒng)各處溫升對比曲線

4.4 GPF布置方式對冰堵的影響

完成GPF冰堵情況的定性判斷和定量分析后，針對GPF低地板和緊耦合兩種布置方式進行研究，試驗布置方式及樣件如圖19、圖20所示，選取測試溫度-30℃和-25℃，起動運轉時間300 s，應用原標定數據作為基準，研究GPF布置方式對水分累積量、吸水效率、排氣系統(tǒng)各處溫升情況及氣流均勻性的影響，結果如圖21～圖23所示。

由圖23可知，GPF布置方式的差異帶來GPF水分累計量和吸水效率的顯著變化，緊耦合方案明顯優(yōu)于目前整車使用的低地板方案，其原因主要是緊耦合方案GPF距離排氣出口近，排氣溫度高，GPF內部溫升速率極快，導致水分幾乎全部隨尾氣排出，吸水率極低，多次起動也未出現水分凝結，可徹底解決GPF冰堵問題。

圖18 GPF內部各處溫升對比曲線

圖19 GPF低地板和緊耦合布置方案

圖20 GPF低地板和緊耦合試驗樣件

圖21 GPF布置形式對冰堵問題的影響

圖22 排氣系統(tǒng)各處溫升對比曲線

圖23 GPF內部各處溫升對比曲線

5 結束語

GDI發(fā)動機安裝GPF后處理系統(tǒng)，在中國北方地區(qū)冬季存在低溫GPF吸水導致結冰堵塞的風險。通過對V型GDI發(fā)動機的試驗研究表明：隨著起動溫度的降低、運轉時間的減少、起動次數的增加會加劇GPF結冰堵塞的風險，通過優(yōu)化標定數據可緩解冰堵風險；緊耦合布置形式可徹底消除冰堵風險。