GPF对实际行驶污染物排放的影响研究

闫峰，颜燕，王玉伟，戴春蓓

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

2016年底，环境保护部、国家质检总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，公布的轻型汽车第六阶段标准采用分步实施的方式，设置国六a和国六b两个排放限值方案，分别于2020年和2023年实施[1]。

在国六标准中采用全球轻型车统一测试程序[2]，全面加严了测试要求和标准限值，并且采用燃料中立原则，对柴油车的氮氧化物和汽油车的颗粒物不再设立较松的限值，此外还引入实际行驶排放测试(RDE)，对车辆在实际使用状态下的排放控制水平进行监管。可以看出国六标准的升级将给汽车、发动机、后处理装置制造企业带来严峻的挑战，各主机厂需要下大力进行研发、标定、后处理匹配等工作才能达到国六标准要求，同时由于燃料中性的要求，不得不关注在国五阶段并没有限值的汽油车颗粒物数量排放水平[3]。

鉴于越来越严格的排放及油耗要求，动力性和燃油经济性更好的增压缸内直喷汽油机(TGDI)在乘用车的应用越来越广泛。但采用缸内直喷技术后缸内油气混合时间很短，容易形成局部浓区，造成颗粒物排放明显增加[4-5]。国六严格的法规限值和RDE测试要求TGDI发动机在各工况运行时都可以有效控制颗粒物质量和数量排放，因此仅仅依靠发动机缸内排放控制技术已经无法满足法规对颗粒物排放的要求。为此针对国六标准开发的TGDI车辆普遍倾向于加装汽油车颗粒物捕集器(GPF)，其被认为是最有效的降低直喷汽油车颗粒物排放的技术手段之一[6-8]。

鉴于各主机厂在积极进行国六车辆的升级储备，而GPF升级后对TGDI车辆排放尤其是RDE排放的影响研究很少，因此本研究基于一辆国五升级以应对国六排放标准的TGDI车辆，研究安装/未装GPF在RDE测试工况下排放的变化，以探究GPF对RDE污染物排放的影响，并对TGDI车辆国六升级进行建议。

1 试验

1.1 试验车辆、测试工况和测试设备

所选车辆为1台国五升级以应对国六排放标准的TGDI汽油车，采用1.5 L涡轮增压直喷直列4缸发动机，六挡手动变速箱。对于量产车辆而言，即便采用直喷技术，依旧会将过量空气系数控制在1附近，因此为了有效控制气态污染物和颗粒物排放，该车加装了三元催化器(TWC)和汽油车颗粒物捕集器(GPF)。

测试工况为满足国六标准要求的RDE测试，在相同环境条件、相同测试路线、相同设备及流量计安装状态和相同驾驶员情况下，研究安装/未装GPF对RDE测试工况污染物排放的影响。

RDE试验所用车载排放测试系统(PEMS)为奥地利AVL公司的AVL M.O.V.E is，所用PEMS设备的污染物测量范围和精度见表1。

表1 PEMS设备的测量范围及测量精度

1.2 测试路线

RDE测试工况包括以车速界定的市区工况(小于60 km/h)、市郊工况(60～90 km/h)和高速工况(大于90 km/h)。各工况行驶里程不得少于16 km，里程比例依次为34%，33%和33%，允许有±10%的偏差，但市区里程比例不得少于29%。此外还有平均车速、最大车速和停车时间的要求。

本研究采用的测试路线基本信息见表2。其中，市区、市郊、高速的行驶距离分别为20.5 km，21.3 km和23.4 km，各阶段占比分别为31.4%，32.7%和35.9%，路线无论是行驶里程、里程占比、行驶时间还是平均车速等均符合国六法规要求。

表2 测试线路基本信息

2 试验结果及分析

相同试验车辆安装/未装GPF下的RDE测试选取相同环境条件、相同测试路线、相同设备及流量计安装状态和相同驾驶员，以尽量减少上述条件对测试结果的影响。最终的污染物排放结果见表3，由于国六标准中RDE仅对NOx和PN排放有限值要求，因此重点考察这两种排放的变化情况。从表3可以看出，安装GPF可有效降低RDE总行程的PN排放，从4.126E12 个/km下降到1.362E11 个/km，但安装GPF后，总行程的NOx排放有所上升，从0.143 g/km 上升到0.201 g/km。

表3 TGDI车辆安装/未装GPF RDE测试工况污染物排放

2.1 对PN排放的影响

本研究最关心的是TGDI车辆安装/未装GPF在RDE测试工况下的PN表现，因此首先对比了相同试验车辆在不同车速、发动机转速下，安装/未装GPF情况下RDE试验过程的PN排放(见图1和图2)。由图1和图2可以看到，安装GPF可显著改善车辆的PN排放，尤其是在车速低于60 km/h的市区阶段以及发动机转速小于2 000 r/min的工况，GPF可过滤掉大部分颗粒物排放，在低车速(30 km/h)、低发动机转速(1 500 r/min)工况下，未装GPF的PN排放大约为6E6 个/cm3，安装GPF后，PN排放可降低到5E4 个/cm3以下，排放下降两个数量级，PN捕获效率超过99%。通过图1和图2对比可发现，当车速升高时，GPF的过滤效率下降，同样在1 500 r/min工况下，当车速提高到80 km/h时，未装GPF情况下PN排放约为2E6 个/cm3，安装GPF后约为2E5 个/cm3，排放仅下降一个数量级，PN捕获效率下降到90%。这主要是因为当车速升高时，进、排气流量均增加，排气流速的增加会导致颗粒排放物经过GPF过滤体的时间缩短，颗粒物捕获的有效时间缩短，从而导致GPF捕集效率降低。

图1 不同车速、发动机转速下，安装 GPF RDE试验过程PN排放

图2 不同车速、发动机转速下，未装 GPF RDE试验过程PN排放

单纯从车速和发动机转速并不能透彻反映车辆安装/未装GPF对RDE测试PN的影响，还应结合发动机运行特性对排放进行描述。图3和图4示出了不同发动机转速、负荷下，安装/未装GPF对RDE测试PN排放的影响。由图3和图4可以看出，GPF可有效过滤发动机低速、高负荷情况下的颗粒物，如在发动机转速1 000 r/min，70%负荷时，未装GPF的PN排放大约为5E6 个/cm3，安装GPF后，PN排放可降低到2E4 个/cm3，PN排放降低到原始排放1/250左右。由图3和图4还可以看出，在相同发动机转速下，随着发动机负荷降低，GPF的过滤效率下降，同样在1 000 r/min工况下，当负荷降低到20%时，未装GPF情况下PN排放约为6E6 个/cm3，安装GPF后约为5E4 个/cm3，PN排放仅降低到原始排放1/120左右。这是因为随着负荷的增加，发动机排气温度升高，排气黏度增大的同时，颗粒物的布朗运动加强，这些条件对GPF颗粒物的捕获非常有利。此外，通过图3和图4对比可发现，在相同发动机负荷下，随着发动机转速增加，GPF的过滤效率降低，如在发动机70%负荷下，当转速为1 000 r/min时，安装GPF 可将PN排放降低到原始排放1/250左右，当转速提高到2 000 r/min时，未装GPF的PN排放约2E6 个/cm3，安装GPF后的PN排放为2E5 个/cm3左右，PN排放仅可降低到原始排放的1/10左右。这主要是因为当发动机转速升高时，排气流速增加， GPF的捕集时间缩短，捕集效率降低。

图3 不同发动机转速、负荷下，安装 GPF RDE试验过程PN排放

图4 不同发动机转速、负荷下，未装 GPF RDE试验过程PN排放

2.2 对NOx排放的影响

因为安装GPF会改变发动机的排气背压，影响发动机综合性能，因此有必要对其他排放物进行分析。鉴于RDE试验法规仅对NOx排放有限值要求，因此分析了GPF对RDE NOx排放的影响。图5和图6分别示出了车辆安装GPF和未装GPF情况下RDE试验在不同车速及不同发动机转速下的NOx排放。由图5和图6可以看出，当安装GPF后，在发动机高转速中等负荷情况下出现了明显的NOx高排放区，部分工况下NOx排放超过350×10-6，而当未装GPF时，在相同运行工况下，NOx排放不到100×10-6。这主要是因为安装GPF后，发动机排气背压增加，这会造成泵气功损失增加，泵气不畅会导致残余废气增加，燃烧不充分，从而导致排气温度的改变，进而影响到催化器温度。

图5 不同发动机转速、负荷下，安装 GPF RDE试验过程NOx排放

图6 不同发动机转速、负荷下，未装 GPF RDE试验过程NOx排放

图7和图8分别示出车辆安装GPF和未装GPF情况下RDE试验在不同负荷及不同发动机转速下的催化器温度。由图7和图8可以看出，安装GPF后，在相同发动机转速、负荷下，催化器的温度均有不同程度的降低，这将影响催化器的工作效率，最终导致图5和图6所反映出来的安装/未装GPF后NOx排放的变化及图6安装GPF时部分工况出现较高NOx排放区。以上变化综合作用导致安装GPF后总行程NOx排放升高(见表3)。

图7 不同发动机转速、负荷下，安装GPF RDE试验过程催化器温度

图8 不同发动机转速、负荷下，未装GPF RDE试验过程催化器温度

3 结论

a) GPF可有效过滤PN排放，尤其是在低转速、高负荷的发动机运行工况下，GPF可将PN原始排放降低两个数量级；

b) 对于TGDI车辆而言，安装GPF可大幅降低RDE总行程PN排放，因此GPF成为此类车辆可否满足国六排放测试的关键后处理装置；

c) 在国五TGDI车辆升级国六过程中，仅升级GPF可能会引起其他污染物排放(如NOx)的恶化，对于本车而言，安装GPF影响了RDE行程中催化器温度，最终导致总行程NOx排放的上升。

参考文献：

[1] 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)[S]．北京：中国环境科学出版社，2016.

[2] Proposal for a new global technical regulation on the Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP), Economic Commission for Europe Inland Transport Committee, World Forum for Harmoni-zation of Vehicle Regulations, 162nd session[C].Geneva：United Nations Economic and Sociol Council，2014.

[3] GB 18352.5—2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S]．北京：中国环境科学出版社，2013.

[4] 郭秀丽，贾卫平，亓占丰，等．柴油机DPF过滤材料研究现状及发展趋势[J]．小型内燃机与摩托车，2013，42(5):82-85．

[5] 资新运，张卫锋，徐正飞，等．柴油机颗粒捕集器技术发展现状[J]．环境科学与技术，2011，34(12):143-147．

[6] 董鹏，尹乾熙，刘宇．缸内直喷汽油机微粒捕集器结构参数仿真优化研究[J]．内燃机与动力装置，2016，32(2):48-51．

[7] 角井啓，Kufferath A，Busch R，等．欧6直喷汽油机的挑战及对可行性解决方案的评价[J]．国外内燃机，2014，46(6):9-13．

[8] 王凤滨，包俊江，乔维高，等．循环测量工况下汽油车颗粒物排放试验研究[J]．汽车工程，2009，3(8):737-740.