WLTC工况下汽油机颗粒捕集器性能研究

封硕，张铁臣，刘晓日，钟祥麟，付佳乐，靖春胜

(1.河北工业大学能源与环境工程学院，天津 300400；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300)

汽油缸内直喷(Gasoline direct injection，GDI)技术因可以有效地提高发动机的动力性与燃油经济性已经成为了内燃机重要的发展方向[1-4]。但是，采用汽油缸内直喷技术会减短燃料与空气的混合时间，导致混合气混合不均匀，这会使得GDI汽油机的颗粒物排放量增加[5-7]。有研究表明，GDI发动机的颗粒排放量在柴油机和进气道喷射(PFI)汽油机之间，颗粒物质量和数量排放量约为10 mg/km和1013个/km，约为PFI汽油机的10倍[8-9]。当前国六排放法规即将实施，新驾驶循环(WLTC)与之前的测试循环差别较大，工况复杂，颗粒物排放控制尤为重要。目前针对发动机循环工况对发动机后处理系统影响的模拟研究较少，不能准确地了解到在变工况下汽油机后处理系统的工作情况。

通过分析三元催化转化器与汽油机微粒捕集器的内部流动与反应规律，利用AVL BOOST 软件对不同工况下三元催化转化器的反应效率与汽油机微粒捕集器压降变化进行了模拟，对GDI汽油机后处理装置的设计或选择有一定的参考作用。

1 试验仪器及设备

试验发动机为4缸GDI汽油机，其主要性能参数见表1。本次台架试验采用AVL DynoRoad202/12 Sx电力测功机，使用AVL puma测控系统对GDI汽油机进行工况控制，颗粒物测量采用AVL 489颗粒计数器进行测量。

表1 GDI汽油机结构参数

2 数学分析及方法

本研究采用AVL BOOST软件对发动机瞬态及稳态性能进行计算，同时可以优化进、排气系统等一些影响性能的主要零部件设计。

2.1 GPF内部流场模型

壁流式 GPF 的排气进、出口通道示意见图1。发动机的排气流入过滤通道 1，然后穿过具有多孔介质的壁面流入通道2，炭烟颗粒物沉积在壁面内。炭烟颗粒物经过深层过滤(depth filtration)和滤饼过滤(soot cake)分别被捕集在 GPF 过滤通道内。其中深层过滤层沉积在过滤通道介质内部，在表面则堆积形成滤饼过滤层[10]。

图1 GPF通道示意

其中， GPF 内部流体(进出口通道)的流动模型基于一维稳态的连续性方程及动量方程：

(1)

(2)

式中：ρg,n为通道内的气相密度(n=1 代表入口通道，n=2 代表出口通道)；νg,n为气相流速；AF,n为通道前端表面积；νw,n为壁面流速；AS,n为过滤通道的湿周半径。

GPF入口和出口通道的动量平衡方程为

(3)

(4)

式中：pg,i为进出口通道气体压力(i= 1.2)；Fi为通道内气体摩擦损失系数；μ为气体动力黏度。

壁面流速为

(5)

上述连续性方程和动量方程的初始条件为：

νg,1=νinl|z=0，

(6)

νg,1=0|z=leff，

(7)

νg,2=νinl|z=0，

(8)

pg,2=pout|z=leff。

(9)

2.2 GPF内部压降模型

GPF的压降是决定GPF技术实现的重要依据，因此研究GPF压降模型对GPF工作效率和优化有着重要意义。本研究所采用的GPF压降模型基于Darcy 定律中对于多孔介质压降的定义。

对于完整的进出口通道，其压降模型为

(10)

其中，壁面压降为

(11)

深层过滤压降为

(12)

滤饼过滤压降为

(13)

进出口通道摩擦产生的压降为

(14)

(15)

Δpac=Δpinl+Δpout。

(16)

以上公式中：Fnfw,A，Fnfw,B为过滤通道的几何系数，用来描述入口通道所处的位置；kw，ksd，ksc分别为壁面、深层过滤层、滤饼过滤层的渗透率，其中，壁面渗透率kw在软件中的取值范围为1×E-15～1×E-12 m2，在本研究中壁面渗透率为1×E-13 m2，滤饼过滤层的渗透率ksc在软件中的取值范围为1×E-16～1×E-13 m2，在本研究中滤饼过滤层的渗透率为5×E-15 m2，深层过滤层的渗透率与滤饼过滤层的渗透率相同,在本研究中深层过滤层渗透率为1×E-13 m2；δw，δsd，δsc分别为壁面、深层过滤层和滤饼过滤层的厚度，在软件中根据实际设置相应的壁面厚度为0.203 2 mm；μ为气体的运动黏性系数；ζ为摩擦损失系数；ρsd，ρsc分别为深层过滤层和滤饼过滤层的填充密度。

3 试验验证

为了验证模型的准确性与合理性，对模型进行试验验证。图2示出WLTC市内高速工况下汽油机微粒捕集器压降的数值模拟分析结果与实际发动机试验结果的对比。从图2中可以看出，部分工况数值模拟结果与发动机试验结果有差距，这是由于模拟过程中简化了部分反应过程，所以造成了压降偏低的情况，但是二者趋势基本一致，模拟结果可以准确体现出试验结果的趋势与变化规律，说明模型有一定可靠性。

图2 GPF压降的数值模拟结果与试验结果对比

4 结果与讨论

模型主要模拟了WLTC循环的中速段、高速段以及超高速段，计算时间为590—1 800 s。

4.1 中速段计算结果及分析

在WLTC循环中中速段运行时间为590—1 022 s。中速段工况下三元催化转化器对HC的转化效率受排气温度和排气流量的影响，计算结果见图3和图4。

由图3可知，HC的转化效率随时间变化波动较大，这是由于瞬态工况下排气温度与排气流量等因素使得进入催化器的反应物量不稳定，并且反应物温度波动造成了反应效率不稳定。从图3可以看出，排气温度在235～415 ℃之间，平均HC转换效率为84%。随着温度的上升，HC的转换效率也会上升，上升的趋势与温度上升的趋势基本一致，这是由于高温有利于HC的转化反应，加速了HC转化，所以提高了HC的转化效率。

从图4可以看出，排气流量在10～95 kg/h之间，随着排气流量的变化，HC的转化效率也随之改变。排气流量上升HC的转化效率随之下降，排气流量下降HC转化效率随之上升，这是由于排气流量上升时，有更多的HC化合物进入到三元催化转化器中，过多的HC化合物进入催化器中，使其转化率下降。

图3 中速段工况下HC转化效率和排气温度的关系

图4 中速段工况下HC转化效率和排气流量的关系

在WLTC循环中速段工况下GPF压降受排气流量的影响见图5。从图5可以看出，GPF的压降随着排气流量的上升而上升，GPF压降的变化趋势与排气流量值基本一致。说明影响GPF压降的主要因素是排气流量。这是由于排气流量的上升导致进入GPF的颗粒数量增多，进而导致GPF压降上升。从图5还可以看出，GPF压降平均值为1.1 kPa，最高压降为5.5 kPa，一般GPF压降允许值为8 kPa以下，所以GPF压降满足实际要求。

从图6可以看出，在变工况下GPF捕集效率随时间剧烈波动，这是由于在循环工况下排气流量不稳定。可以看出，捕集效率基本维持在90%，可以达到排放要求。

图6 中速段GPF捕集效率

4.2 高速段计算结果及分析

在WLTC循环中高速段运行时间为1 023—1 478 s。高速段工况下三元催化转化器对HC的转化效率受排气温度与排气流量的影响，计算结果见图7和图8。

图7 高速段HC转化效率和排气温度的关系

图8 高速段HC转化效率和排气流量的关系

从图7可以看出，高速段排气温度有所上升，排气温度在275～439 ℃之间。高速段的HC整体转化效率较中速段有所稳定，高速段HC转化效率同样随着温度的上升而上升，随着温度的下降而下降。这表明，高温有利于三元催化转化器对HC化合物的转化。

由图8可知，随着排气流量的上升，HC的转化效率下降。通过对比排气温度与排气流量对HC化合物的影响可以看出，HC的转化效率与排气温度的变化趋势更吻合，所以排气温度对三元催化转化器催化HC较排气流量影响更大。

在WLTC循环高速段工况下GPF压降受排气流量的影响见图9。从图9可以看出，在高速段GPF压降与排气流量的变化趋势仍然非常吻合，GPF压降随着排气流量的变化而变化。这也再次证明了在WLTC循环工况中，排气流量是影响GPF压降的主要因素。在高速段工况后半段压降上升过快的主要原因是颗粒的捕集量快速上升。高速段GPF平均压降为1 050 Pa，最高压降为2 580 Pa，满足压降要求。

图9 高速段GPF压降和排气流量的关系

从图10看出，高速段的GPF捕集效率最高为90.15%，最低为89.7%，由于排气流量的变化GPF捕集效率依然会产生波动，但是整体捕集效率可以稳定在90%，满足排放要求。

图10 高速段GPF捕集效率

4.3 超高速段计算结果及分析

在WLTC循环中超高速段运行时间为1 479—1 800 s。超高速段工况下三元催化转化器对HC的转化效率受排气温度与排气流量的影响，计算结果见图11和图12。

从图11可以看出，HC化合物在超高速工况下整体转化效率较高速工况有所提高，平均效率在93%。排气温度在超高速工况下也有所上升。温度的上升使得整体的HC转化效率得到了提升。在温度较低时HC转化率波动较大，在排气温度逐渐上升达到400 ℃时，HC转化效率基本稳定在90%以上。

从图12可以看出，在超高速工况下排气流量有所提升，最高可达140 kg/h。从图中还可以看出，随着排气流量的上升，HC化合物的转化率有所下降，尤其是在流量突增的时候，HC化合物的转化效率有明显下降。

图11 超高速段HC转化效率和排气温度的关系

在WLTC循环超高速段工况下GPF压降受排气流量的影响见图13。从图13可以看出，在超高速段GPF压降与排气流量基本吻合。由于超高速段排气流量的增加，GPF颗粒的加载量增加，使得GPF的压降增加。超高速段的GPF压降平均值为2 200 Pa，最高值为5 300 Pa，满足GPF压降要求。

图13 超高速段GPF压降和排气流量的关系

从图14可以看出，在超高速段内GPF的捕集效率较中速段和高速段更稳定，虽然有小幅度的波动，但捕集效率稳定在90%，满足排放要求。

图14 超高速段GPF捕集效率

5 结论

a) 在WLTC循环工况下HC化合物转化效率随着排气温度的上升而上升，HC转化效率与排气温度变化趋势基本一致，在排气温度较低时HC转化效率波动较大，在排气温度到达400 ℃时相对稳定；从不同速度段HC化合物的转化效率可以看出，随着速度的升高，HC转化效率上升，中速段转化效率波动最大，转化率不稳定；超高速段转化效率波动最小，转化效率最高；

b) 在WLTC循环工况下HC化合物转化效率随着排气流量的上升而下降；

c) 在WLTC循环工况下GPF压降与排气流量变化趋势基本一致，排气流量是影响GPF压降的主要因素；

d) 在WLTC循环工况下GPF的捕集效率受排气流量的影响产生波动，超高速段相较于中速段和高速段的捕集效率更稳定；GPF整体捕集效率可以稳定在90%，满足排放要求，并且各速度工况下压降最高值满足GPF压降允许值。