某汽油车颗粒捕集器设计研究

2018-06-18李晶钱铮

时代汽车 2018年8期

李晶钱铮

泛亚汽车技术中有限公司上海市 201210

1 引言

环保部发布的《2016年中国机动车环境管理年报》，2015年全国机动车保有量2.79亿辆，纳入年报统计的有26002.5万辆，其中汽车16169.7万辆，占比62.2%。按排放标准分类，国1前标准的汽车占1.6%，国1标准的汽车占6.9%，国2标准的汽车占8.0%，国3标准的汽车占51.6%，国4标准的汽车占30.5%，国5标准的汽车占1.4%。汽车在2015年排放的颗粒物（PM）为53.6万吨。机动车排放在世界范围内成为大气污染的重要因素。随着机动车保有量的逐年快速增加，空气污染日益严峻，而环境容量又极大地制约着保有量的增长。要使环境能够容纳更多的机动车，就必须降低单车污染排放负荷，尤其是颗粒物排放（PM2.5）。现在频发的雾霾现象是多种污染成分（可挥发性有机物，颗粒物等）综合作用的结果。

在能源和环保要求日趋严格的今天，随着机动车油耗法规和排放法规的日益严格，尤其《乘用车燃料消耗量限值》的进一步加严，及2020年5L/100km的节能目标和已经颁布的《轻型车污染物排放限值及测试方法（中国第六阶段）》。GDI技术已成为新型汽油车大功率输出并高效节油的新趋势。但缸内直喷技术在降低油耗的同时也带来了新的排放问题：采用缸内直喷技术后，由于湿壁及缸内燃烧的不充分，颗粒物排放量较采用非直喷技术时上升。日趋严格的排放法规对车辆的颗粒物排放要求，使内燃机的燃烧及后处理面临很大的挑战。

传统进气道喷射发动机的后处理系统主要针对气体排放物碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO），这三种污染物通过在催化器的载体孔道表面发生氧化还原反应，进而生产无害的二氧化碳、水及氮气。其颗粒物排放主要依靠发动机的缸内净化技术来满足法规要求。压燃式发动机的颗粒物排放也是依靠发动机的缸内技术来满足法规要求。

本文针对汽油机尾气的颗粒物排放，研究了汽油机颗粒捕集器的设计，将现有直喷车型的颗粒物数目排放降低一个数量级，满足欧六C及国六的颗粒物数量排放标准6x1011#/km。

2 直喷车辆颗粒物排放水平调查

本文对某公司现有的几款直喷发动机车型的颗粒物排放进行了摸底。试验采用了图1的GB18352.3规定的NEDC工况，颗粒排放结果如表1。结果显示此几款直喷发动机车型在NEDC工况下的颗粒物质量部分车型可以满足要求，但颗粒物数量水平，均无法满足欧六C及国六要求，且颗粒数排放水平是限值的4-8倍。

3 汽油机颗粒捕集器工作原理

汽油机颗粒捕集器通过其壁流式蜂窝陶瓷载体孔道的物理结构起到对颗粒的捕集作用。其结构见图2捕集器载体结构，载体孔道的一端设置有用于封闭孔道的孔底，且相邻孔道的孔底分别位于载体在轴向上的不同端，气体在流经捕集器，由于末端孔底的阻拦，只能穿越孔壁从隔壁通道流出，从而使该结构起到对颗粒的部分拦截作用。

图1 NEDC工况

图2 捕集器载体结构

4 捕集器样件设计

体积1.1L，车辆底盘下布置了三种体积：1.4L，1，5L，1.68L。

为了考察不同涂敷含量对捕集效率的影响，本文设计了不同的涂敷上载量：0g/L，60g/L，100g/L，120g/L。

GPF的安装位置有：位置一CC2位置，安装于靠近发动机排气出口的位置，GPF载体位于三元催化器载体下游，两者同时封装在同一壳体结构中，如图3所示；位置二UF位置，GPF安装于车辆的底盘位置，位于现车辆的副消声器前，见图4示意图和图5实车安装图。

综上，5种不同参数组合的GPF设计方案详见表2。

本文根据GPF的载体目数，尺寸/体积，孔隙率，微孔径，涂层设计方案，以及整车安装布置的位置，设计了5种不同参数组合的GPF设计方案。

2.1.6 稳定性试验取KC粉末0.30 g，精密称定，按照“2.1.3”项下方法制备试品溶液，室温放置，分别于0、4、8、12、16、20、24 h按照“2.1.1”项下色谱条件进样，记录峰面积，金丝桃苷、朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陈皮素、山柰酚、宝藿苷I峰面积的RSD值分别为0.15%、0.58%、0.32%、1.11%、0.98%、1.58%、0.55%、0.68%、1.03%、0.25%，表明供试品溶液在室温下24 h内稳定。

GPF的常规载体孔数/壁厚规格有200 cpsi/8mil，300cpsi/8 mil，300cpsi/10 mil，300cpsi/12mil。这里设计涉及到了多有常规规格。cpsi（cell per square inch）代表每平方英寸面积的孔数。另，1mil=0.0254mm。

现有常规捕集器载体的孔隙率有两种50%和60~65%。50%孔隙率载体的微孔孔径是15μm，60~65%孔隙率载体的微孔孔径是20μm。不同规格的载体孔隙率及应用环境不同，高孔隙率载体需要配合涂敷来提升捕集效率；低孔隙率载体本身就可以得到较高的捕集效率。

考虑试验车辆的发动机前舱和底盘空间问题，本文选择了118.4mm尺寸的载体直径。在发动机前舱布置了较小体积的载体

5 试验及结果分析

5.1 试验车辆及燃油

本文所用试验车辆，具体配置为搭载1.4TSIDI的直喷涡轮增压发动机。试验车辆所用燃油为市售国五95#汽油。

图3 CC2位置

图5 GPF在底盘位置UFC的布置图

表2 GPF设计方案

5.2 试验工况

试验工况1为GB18352.3规定的NEDC工况，见图1。试验工况2为WLTP循环，即欧盟排放委员会在欧六即将实行的排放测试循环，其试验具体工况见图6。安装在CC2位置即靠近发动机排气出口的位置的方案一和方案二进行了试验工况NEDC。安装在UFC位置即车辆的底盘位置，位于现车辆的副消声器前的其他三个方案进行了试验工况WLTP。

图6 试验工况WLTP

5.3 试验条件

本文所有试验条件遵循GB 18352.5轻型汽车污染物排放限值及测量方法中的附录C常温下冷启动后排气污染物排放试验（I型试验）中的相关试验台架以及试验环境和要求。本文中试验台架见图7，Froude Hofmann公司的48寸单驱转毂，可达最高车速200km/h，可加载最高车重5450KG，颗粒物质量最高可测能力2.1g，承重设备可测量精度达0.0001g。

图7 试验台架

5.4 试验结果

表3 方案一试验结果

图8 方案一试验结果

安装设计方案二在车辆的CC2位置进行图1的NEDC试验工况，具体试验结果见表4及图9，结果一致性相对方案一较好，从9.59*1011#/km到12.35*1011#/km不等，但平均结果10.85*1011#/km不满足欧六C/国六PN排放要求，其颗粒捕集效率平均55.5%。

安装设计方案三在车辆的UFC位置进行图6的WLTP试验工况，具体试验结果见表5及图10，其首次试验结果5.53*1011#/km，后面随着试验次数增加，结果越来越好。各次结果都满足欧六C/国六PN排放要求，其颗粒捕集效率平均91.9%。

表4 方案二试验结果

图9 方案二试验结果

表5 方案三试验结果

图10 方案三试验结果

安装设计方案四在车辆的UFC位置进行图6的WLTP试验工况，具体试验结果见表6。由于试验设备故障，仅一次结果有效，该次结果满足欧六C/国六 6*1011#/km排放要求，其颗粒捕集效率88.9%。

表6 方案四试验结果

安装设计方案五在车辆的UFC位置进行图6的WLTP试验工况，具体试验结果见表7及图11，其首次试验结果2.63*1011#/km，后面随着试验次数增加，结果越来越好。结果满足欧六C/国六 PN排放要求，其颗粒捕集效率平均93.9%。

表7 方案五试验结果

图11 方案5试验结果

经过所有测试，发现最优的设计为方案5。该方案在整车上的布置照片如图5，颗粒物捕集效率如图11，随着试验里程的增加，颗粒物的捕集效率逐渐上升，并最终趋于稳定。

5.5 试验结果分析

5.5.1 捕集效率与温度的关系

当GPF安装在底盘的UFC位置时，其入口排气温度比安装在靠近发动机的CC2位置低，见图12为车辆在运行NEDC工况时，GPF在CC2和UF位置的入口温度，两位置最高温度差别360摄氏度。理论上由于低排温下的分子布朗运动，使得粒子的黏附效应变大，从而使得粒子互相黏附在GPF本体内，从而获得较高的GPF捕集效率，使颗粒物排放远远低于法规要求。这和我们实际试验的结果也相符。见图13 GPF在不同位置的捕集效率。GPF在UFC的位置捕集效率远高于其在CC2位置的表现。从而得出结论：GPF入口温度越低，捕集效率越高。