湯東，劉勝，華倫

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.清華大學蘇州汽車研究院(吳江)，江蘇 蘇州 215200)

缸內(nèi)直噴(GDI)汽油發(fā)動機由于具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟性而被廣泛接受，其市場占有率不斷提高[1]。同時，GDI發(fā)動機的使用也存在一些問題，與進氣道噴射(PFI)發(fā)動機相比，GDI發(fā)動機的顆粒物(PM/PN)排放更高，特別是PN排放，已有的缸內(nèi)凈化與TWC技術(shù)已經(jīng)不能滿足中國第六階段輕型車排放法規(guī)要求[2]。與第五階段排放法規(guī)相比較，第六階段的循環(huán)測試標準由 NEDC 改為全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(WLTC)，增加了實際道路測試(RDE)，并且在不區(qū)分PFI和GDI發(fā)動機的前提下，增加了顆粒物數(shù)量(PN)6.0×1011個/km 的限值要求。因此，如何解決汽油車顆粒物排放問題已迫在眉睫。目前，汽油機顆粒物捕集器(GPF)被認為是解決GDI發(fā)動機排放問題最有效的技術(shù)[3-6]。

GPF 技術(shù)早已用于解決GDI發(fā)動機顆粒物排放問題，其過濾機理與柴油機顆粒捕集器(DPF)基本相同。排氣氣流以一定的流速穿過多孔性壁面，這個過程稱為壁流。壁流式顆粒捕集器一般由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成，通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過，顆粒物分別經(jīng)過擴散、攔截、重力和慣性四種方式被捕集過濾[7]。

灰分的累積一定程度上會影響GPF的耐久性能，對排氣背壓與顆粒物的過濾效率產(chǎn)生一定的影響。本研究基于潤滑油摻燒快速老化的方法，對GPF進行快速老化，通過發(fā)動機與整車轉(zhuǎn)轂臺架試驗以及實際道路測試(RDE)，研究了在整個20萬 km耐久里程內(nèi)，灰分對GPF性能的影響。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本研究采用潤滑油摻燒的方式來實現(xiàn)GPF的快速老化?？焖倮匣b置(布置簡圖如圖1所示)主要由缸內(nèi)直噴汽油機、摻燒燃油供給系統(tǒng)、補氣系統(tǒng)以及后處理系統(tǒng)組成，后處理系統(tǒng)包括三元催化轉(zhuǎn)換器(TWC)與汽油機顆粒捕集器(GPF)。摻混燃油供給系統(tǒng)中潤滑油與正常汽油按照一定比例均勻混合作為發(fā)動機的燃料，在發(fā)動機缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的灰分隨著排氣一起進入后處理系統(tǒng)，大量灰分被捕集在GPF內(nèi)部。補氣裝置為排氣系統(tǒng)提供氧氣，用于GPF內(nèi)部的炭煙再生，最終留在GPF內(nèi)部的只有灰分?？焖倮匣囼灪桶l(fā)動機性能試驗采用的是1臺增壓中冷GDI發(fā)動機，主要參數(shù)如表1所示。

圖1 快速老化臺架布置簡圖

表1 發(fā)動機參數(shù)

本研究所用的TWC與GPF載體材料均為堇青石，GPF涂覆催化劑，載體樣件的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 GPF與TWC技術(shù)參數(shù)

經(jīng)灰分老化后，將GPF樣件安裝在1臺搭載國六GDI發(fā)動機的車輛上，試驗車輛的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 試驗車輛參數(shù)

車輛轉(zhuǎn)轂排放試驗的底盤測功機采用HORIBA的VULCAN II-EMS-CD48-2WD測功機，環(huán)境倉尺寸為18 000 mm×9 060 mm×4 000 mm，溫度控制范圍為-20～48 ℃，控制精度為±1 ℃。含濕量控制范圍為5～12.2 g/kg干空氣。尾氣分析系統(tǒng)采用全套的HORIBA全流稀釋定容取樣系統(tǒng)。實際道路排放試驗所用的車載排放測試設備是HORIBA的OBS-ONE PM unit和OBS-ONE GS unit，其中OBS-ONE PM unit主要測量尾氣中的顆粒物，OBS-ONE GS unit主要測量尾氣中的氣體污染物。

1.2 試驗方法

基于潤滑油摻燒快速老化方法，首先在發(fā)動機臺架上對GPF進行快速積灰老化，然后在發(fā)動機臺架上進行外特性試驗，研究灰分對排氣背壓、油耗和發(fā)動機動力性能的影響。最后基于WLTC循環(huán)，在整車轉(zhuǎn)轂臺架上進行過濾效率測試，同時，針對國六法規(guī)，將積灰后的排氣系統(tǒng)裝配在整車上，進行RDE測試。臺架與整車試驗后處理系統(tǒng)布置簡圖一致，如圖2所示。

圖2 后處理布置簡圖

快速老化時，將潤滑油與汽油按照一定比例均勻混合，作為燃料進入發(fā)動機缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生灰分，灰分隨著排氣進入排氣系統(tǒng)，大部分被GPF捕集。由于摻混油在缸內(nèi)的霧化與燃燒較差，為保證發(fā)動機的正常運行，在特定的積灰工況下運行8 h后，切換正常汽油作為發(fā)動機燃油，同時打開GPF前端補氣系統(tǒng)補充氧氣，在特定工況運行2 h，使得排氣溫度達到700 ℃，用以去除摻燒油帶來的缸內(nèi)、噴油器、火花塞處、GPF內(nèi)的積炭。GPF進行一定時間積灰試驗后，拆卸放至馬沸爐中，在200 ℃下保溫2 h，去除冷凝水對質(zhì)量的影響，重復稱重3次，取平均值作為最終質(zhì)量，反復積灰稱重，直到達到目標積灰質(zhì)量。

嚴格執(zhí)行相關(guān)的規(guī)定和要求，達到要求的項目要進行裸露泥土的全綠化覆蓋，施工中的主干道一律進行硬化處理，及時的設置沉淀池，科學有效的減小泥土中的揚塵對大氣的污染。同時，重視對施工道路兩側(cè)的綠化工作，在不影響施工工作的前提下對道路兩側(cè)提高植被覆蓋。其次，根據(jù)具體的施工情況，安裝全自動噴霧降塵系統(tǒng)，通過先進的儀器，達到降塵加濕的作用，同時對工程中的植被進行澆灌，最大化的利用水資源更好的提升空氣質(zhì)量。第三，重視對新技術(shù)的使用，如在路面硬化中，可以采用新式預制混泥土道路施工技術(shù)，不僅可以更好的節(jié)約資源，還能有效的減少施工現(xiàn)場及后期產(chǎn)生的垃圾和揚塵對空氣的污染。

本試驗所用的GPF樣件有4個，1個新鮮樣件和3個積灰樣件。積灰質(zhì)量分別為0 g，3 g，30 g，60 g，用編號G0，G3，G30，G60表示。根據(jù)以往試驗經(jīng)驗，本次試驗中潤滑油與汽油的摻混比例為1%，摻混比例太高影響缸內(nèi)燃燒，比例太低積灰速率太慢。整車機油消耗量約為0.1 mL/km，所用機油中的灰分含量為1.2%，密度為850 g/L，根據(jù)OEM提供的試驗數(shù)據(jù)，排氣中的灰分實際被捕集在GPF內(nèi)部的只占30%。根據(jù)上述數(shù)值計算，積灰質(zhì)量3 g，30 g，60 g 分別代表車輛的1萬 km，10萬 km，20萬 km行駛里程。

臺架試驗結(jié)束后，將GPF樣件裝配到車輛上進行車輛試驗。值得注意的是，更換樣件時只更換GPF樣件，前端統(tǒng)一搭載同一個TWC。車輛試驗嚴格按照國六法規(guī)要求進行，整車轉(zhuǎn)轂試驗開始前先進行預處理，隨后浸車6 h以上，使得車輛的水溫油溫為環(huán)境倉狀態(tài)，每個GPF進行2次WLTC循環(huán)試驗。實際道路測試在蘇州當?shù)剡M行，包含市區(qū)、郊區(qū)和高速路線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 背壓結(jié)果與分析

4個GPF樣件積灰結(jié)束后，裝配于發(fā)動機臺架上進行試驗，在外特性點研究灰分對發(fā)動機性能的影響。試驗裝置的布置方式如圖3所示。后處理系統(tǒng)在臺架上的布置方式與整車的布置方式一致，GPF為后置式，前端搭載緊耦合的TWC。外特性點GPF的背壓和發(fā)動機燃油消耗率、扭矩結(jié)果分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 試驗室布置

圖4 外特性點GPF背壓對比

圖5 外特性點燃油消耗率對比

圖6 外特性點扭矩對比

隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，GPF的背壓不斷上升，這主要是由于排氣流量的增加導致的。發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 000 r/min時，4個樣件的背壓均小于5 kPa，而5 000 r/min時GPF的背壓最大高達30 kPa，并且發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，不同積灰樣件之間的差異越大，可見在高轉(zhuǎn)速工況下，灰分對GPF背壓的影響比較顯著。同時比較4個不同積灰量GPF之間的背壓變化，與G0樣件相比，G3、G30、G60樣件的背壓最大分別增加了1.4 kPa，3.7 kPa，8.8 kPa，由此可見GPF的背壓隨著灰分量的增加而升高。這是因為灰分沉積在GPF孔道內(nèi)，減小了有效過濾面積，導致GPF背壓上升。

發(fā)動機的燃油消耗率由試驗臺架燃油消耗儀直接測量，圖5示出外特性點不同灰分加載量下發(fā)動機燃油消耗率的對比情況。低轉(zhuǎn)速時，灰分對發(fā)動機燃油消耗率的影響較小，2 500 r/min時，最大增加0.61 g/(kW·h)。這主要是因為低轉(zhuǎn)速時發(fā)動機的排氣流量小，灰分帶來的背壓較小，還不足以對燃油消耗率造成較大的影響。高轉(zhuǎn)速時，由于排氣流量較大，灰分帶來的背壓增大，5 000 r/min時，G60樣件的燃油消耗率為170.97 g/(kW·h)，相比于G0樣件增加4.14 g/(kW·h)。

扭矩是評價發(fā)動機動力性能的重要指標，隨著GPF內(nèi)灰分量的增加，排氣系統(tǒng)的背壓增大，帶來的泵氣損失增加，導致缸內(nèi)燃燒變差，影響發(fā)動機的動力性能。在3 000 r/min時，與G0樣件相比，G3，G30，G60的扭矩分別下降了0.43 N·m，1.7 N·m，3.7 N·m，可見發(fā)動機的扭矩隨著灰分量的增加而減小，灰分的累積在一定程度上影響了發(fā)動機的動力性能。

2.2 過濾效率結(jié)果與分析

2.2.1WLTC工況各階段顆粒排放分析

WLTC工況分為四個階段，分別為低速段、中速段、高速段和超高速段(見圖7)。其中，第一部分為市區(qū)工況，最高車速為56.5 km/h，平均車速為18.9 km/h；第二部分為市郊工況，最高車速為76.6 km/h，平均車速為39.5 km/h；第三部分為高速工況，最高車速為97.4 km/h，平均車速為56.7 km/h；第四部分為超高速工況，最高車速為131.3 km/h，平均車速為92.0 km/h。相比于國五法規(guī)的NEDC工況，WLTC工況的車速更高，發(fā)動機運行的工況范圍更廣，更加符合我國復雜多樣的實際路況。

圖7 WLTC工況車速

圖8示出WLTC工況下四個階段PN排放情況，該車輛發(fā)動機顆粒物排放高的區(qū)域主要集中在第一階段和第四階段。所有樣件第一階段的PN排放貢獻率超過90%，且第一階段的排放值隨著灰分量的增加而減少。這主要是因為第一階段為冷起動階段，缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化和缸內(nèi)蒸發(fā)較差，并且發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，缸內(nèi)湍流強度較弱，不利于形成更加均勻的混合氣，造成PN排放較高。第四階段為超高速階段，轉(zhuǎn)速高，負荷大，缸內(nèi)混合氣變濃，導致燃燒不完全，從而使顆粒物排放增加。

圖8 WLTC工況各階段PN排放

2.2.2WLTC工況顆粒物過濾效率

將4個GPF按原車布置方式裝配于整車上。基于WLTC循環(huán)在整車轉(zhuǎn)轂臺架進行試驗，顆粒物PN排放總值如圖9所示。

圖9 WLTC工況下PN排放總值

在WLTC工況下，該車輛PN的原排達到1.02×1012個/km，已經(jīng)超出了國六排放限值要求；加裝GPF后，4套排氣系統(tǒng)的PN值均能滿足法規(guī)要求。隨著灰分量的增加，PN的過濾效率不斷增加，最大高達99%。3 g灰分量下GPF樣件的PN過濾效率達到96.6%，相比于新鮮件的75%提高了21%，說明少量灰分的累積可以顯著提高GPF的過濾效率。GPF對灰分的過濾分為深床過濾與餅層過濾，灰分沉積初期處于深床過濾階段，這一階段灰分進入過濾壁面孔隙，減小了GPF整體的孔隙率，可以顯著提高GPF對PN的過濾效率。

2.2.3RDE工況顆粒物排放

根據(jù)法規(guī)要求，實際道路測試路線包含市區(qū)、郊區(qū)和高速路段，其中市區(qū)路段車速應限制在60 km/h以下，郊區(qū)路段車速應限制在60～90 km/h，高速路段車速限制在90 km/h以上。三段路線的比例應該是34%的市區(qū)路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述比例的誤差應該控制在±10%以內(nèi)，且市區(qū)路段的行駛比例不能低于總里程的29%。三段路程中每段路程的最小行駛距離為16 km，且整個試驗循環(huán)要在120 min內(nèi)完成。

表4示出實際道路試驗各路段車速和里程結(jié)果。市區(qū)路段車速為29.4 km/h，小于60 km/h，郊區(qū)路段車速為75.5 km/h，位于60～90 km/h之間，高速路段車速為101.3 km/h，大于90 km/h。市區(qū)路段、郊區(qū)路段和高速路段所占比例分別為32.6%，34%，33.4%，整個試驗循環(huán)完成時間為96 min。

表4 RDE試驗車速和里程

目前國六b排放法規(guī)只對PN和NOx規(guī)定限值，實際道路測試限值略高于整車WLTC工況限值，影響因子為2.1，PN排放限值為1.26×1012個/km。 PN的排放結(jié)果如圖10所示。PN排放遠低于法規(guī)限值，隨著灰分量的增加，PN排放不斷減小，減排率((新鮮樣件PN排放值-積灰樣件PN排放值)/新鮮樣件PN排放值)不斷提高。60 g灰分樣件下PN排放為4.07×109個/km，相比于新鮮件降低了兩個數(shù)量級，3 g灰分量下減排率高達92.4%，少量灰分即可顯著提高GPF的過濾效率，減小PN排放。RDE工況和WLTC工況結(jié)果一致，結(jié)果都表明灰分的累積可以顯著提高GPF的過濾效率。

圖10 RDE工況下PN排放

3 結(jié)論

a) GPF背壓隨著灰分量和排氣流量的增加而增大，與無灰GPF相比，60 g灰分量下發(fā)動機背壓最大上升8.8 kPa；

b) 發(fā)動機的動力性能隨著灰分量的增加而下降，與無灰GPF相比，60 g灰分量下發(fā)動機扭矩最大下降3.7 N·m；

c) WLTC工況下，車輛PN排放主要集中在冷起動階段和超高速階段；

d) GPF的過濾效率隨著灰分量的增加而增大，且少量的灰分累積即可顯著提高GPF對PN的過濾效率。