PFI发动机灰分载量对GPF的影响研究＊

2020-03-21李笑杰邓俊李梦迪姚宇航李理光

汽车技术 2020年3期

李笑杰邓俊李梦迪姚宇航李理光,2

（1.同济大学，汽车学院，上海 201804；2.同济大学，中德学院，上海 200092）

主题词：进气道燃油喷射灰分粒径捕集率汽油机颗粒物捕集器

1 前言

自2019 年7 月起，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）》已提前在中国部分地区实施，其排放限值要求更加严格，并且首次提出燃料中立原则，将汽油机的颗粒物排放正式纳入监测范围[1-2]。在严格的颗粒物排放限值要求下，部分车企选择颗粒物排放较低的进气道燃油喷射（Port Fuel Injection，PFI）发动机作为一种低成本的有效手段，但PFI发动机原始颗粒物排放量仍高于标准限值，因此需要加装汽油机颗粒物捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）。发动机颗粒物排放由燃料不完全燃烧产生的碳烟和机油燃烧后添加剂产生的灰分组成，碳烟可以通过技术手段实现再生，而灰分因无机盐的不可燃烧性而无法再生，因此将对GPF产生持续性影响[3-4]。

目前，颗粒物后处理的相关研究多集中于汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机的颗粒物排放和颗粒物捕集效果。帅石金等针对GDI 发动机颗粒物的形成机理和排放特性的研究表明，GDI发动机颗粒物排放的浓度数量级为107个/cm3，颗粒物粒径主要分布在10～20 nm 和60～90 nm 的范围内[5]。郑巍基于PFI增压汽油机，对颗粒形成机理进行了光学研究，发现颗粒物数量（Particle Number，PN）与进气道燃料层的形成紧密相关[6]。闫峰等人基于某装配GDI 发动机的车辆，研究了GPF 对实际行驶污染物排放（Real Drive Emission，RDE）的影响，发现安装GPF 后车辆的PN 降低到未安装时的2.5%以下，可以满足GB 18352.6—2016的要求[7]。张凯使用1.5L GDI发动机对GPF耐久试验后的捕集率进行了研究，结果表明，灰分载量大于15 g/L的GPF 具有相似的捕集率[8]。通用汽车公司的Lauretta Rubino 研究了GPF 在GDI 发动机上的性能，并比较了发动机台架与新欧洲驾驶循环（New European Driving Cycle，NEDC）和全球轻型汽车测试循环（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）的实车测试结果，试验结果表明，发动机台架与实车测试得到的结果基本一致[9]。

目前，针对PFI发动机颗粒物排放控制的研究较为匮乏，然而PFI 发动机与GDI 发动机由于喷油方式不同，燃烧状况存在差异[10]，产生颗粒物的形态也不同，因此，对PFI发动机进行试验研究十分必要。本文基于某1.4T PFI 发动机进行台架试验，研究PFI 发动机颗粒物排放特性，以及不同灰分载量对GPF 过滤特性、GPF 压降、排气温度和整车燃油消耗率的影响。

2 试验设备及方法

2.1 试验台架及设备

本文的研究对象为某针对GB 18352.6—2016 研发的1.4 L 涡轮增压进气道双喷射四缸发动机，最大功率为97 kW（5 200 r/min），最大转矩为215 N·m（2 000～4 000 r/min）。

发动机台架如图1所示，GPF独立安装在三效催化器（Three Way Catalyst，TWC）下游，GPF 的上、下游分别安装压力、温度传感器及氧传感器。

图1 发动机台架示意

本文使用CAMBUSTION DMS500 型颗粒物排放分析仪，可以实时测量粒径为5 nm～2.5 μm 的颗粒物数量、质量和粒径分布，可通过以太网口与上位机进行通信控制和数据采集。DMS500 采样管通过三通阀与排气管连接，采样点可以通过操作阀门在GPF 上、下游之间进行切换。

选用的GPF参数如表1所示，测功机及其他所需的设备如表2所示。

表1 GPF参数

表2 其他测试设备

2.2 试验过程

本文采用快速累灰台架以实现不同灰分载量的GPF 老化[11]。累灰台架基于燃烧器燃烧特定比例的汽油/机油混合物，并通过控制燃烧时间控制灰分生成量，采用高精度天平对GPF进行称量。

根据Christine K.Lambert 的计算和试验，发动机的机油消耗率为51 362 km/L[12]。按本文选用的1.04%机油灰分计算，5 g/L、10 g/L、20 g/L 的灰分载量分别相当于5万km、10万km、20万km行驶里程。

发动机台架试验转速为1 500 r/min，发动机负荷选取15%、30%、45%、60%、75%、90%共6个工况。首先，对未经过GPF 处理的发动机PN 和颗粒物质量（Particle Mass，PM）进行测试。其次，在不同的灰分载量下，测试经过GPF后处理的排放特性，包括PN和PM、粒径分布，以及排气压降、温度、发动机燃油消耗率等参数。

为了保证试验结果的一致性，控制试验边界条件如表3所示。

表3 试验边界条件

为了消除碳烟对GPF工作性能的影响，每2次测试之间将GPF 置于650 ℃的烘箱中保温3 h，在此温度和足够的空气供应下，GPF 上的碳烟颗粒可以氧化再生。此外，每次称量前，GPF 需在160 ℃的恒温箱中保温2 h以消除水分对总质量的影响。

3 试验结果与分析

3.1 发动机原始颗粒物排放特性

图2所示为不同发动机负荷下GPF入口端的PN和PM。

图2 不同负荷下发动机原始排放的PN和PM

由图2可以看出，PFI发动机的PN、PM总体上随发动机负荷的增加而增加。原始颗粒物排放的基础浓度约为105个/cm3，远低于GDI 发动机的107个/cm3。在中小负荷下，PN增加速率较低，这是因为此时发动机的燃料喷射量较小，可以在进气道内较充分地混合，燃烧较好，因此颗粒物排放可以控制在较低水平。但在75%和90%负荷下，过量空气系数λ由1.000 分别降至0.975 和0.955，混合气较浓，在进气道壁面及进气阀背面开始形成大量油膜。油膜被吸入气缸后，由于雾化不充分，导致燃烧不完全，产生大量碳烟[13-14]。这两种负荷下，颗粒物排放量分别剧增约5倍和10倍。

此外还可以观察到，15%负荷时PN、PM较30%负荷时略高，这是因为在15%负荷下，燃烧温度较低，燃烧劣于30%负荷时。而发动机60%负荷时的PN、PM 则较45%负荷时低，发动机在60%负荷下的燃烧条件较好，气缸内的工作介质和燃烧温度升高，排气温度接近600 ℃，提高了燃烧过程中产生的初级碳烟和HC 被氧化的比率，从而降低了初级碳烟和HC 成核的可能性，降低了颗粒物排放量。

不同负荷下颗粒物的粒径分布结果如图3 所示。由图3 可以看出，在60%的发动机负荷下，颗粒物数量的降低主要体现为核模态颗粒物数量的降低。每个微粒的平均质量较低，因此图2中发动机负荷由45%增加到60%时PM 的下降率低于PN 的下降率。发动机负荷由60%增加到75%时，颗粒物数量的增长以积聚模态为主，因此PM的增长速率高于PN的增长速率。

由图3 还可以看出，在发动机中小负荷下，颗粒物粒径主要分布在小于30 nm的核模态下。在大负荷下，粒径分布出现2 个峰值，分别为10～20 nm 的核模态和100～200 nm的积聚模态。这也是由于大负荷下混合气较浓，混合不均匀，燃烧条件恶劣，从而产生大量积聚模态颗粒物。

图3 不同负荷下发动机原始排放的颗粒物粒径分布

图3 中的粒径分布情况可以解释GDI 发动机的PN较PFI发动机高2个数量级，但PM只高1个数量级[15]的现象。与GDI发动机颗粒物粒径的分布相似[16-17]，PFI发动机的粒径分布也存在2 个峰值。主要峰值仍可分为核模态和积聚模态，但PFI 的核模态直径为10～20 nm，积聚模态直径为100～200 nm，而GDI 发动机的核模态直径为10～20 nm，积聚模态直径只有60～90 nm[5]。可以看出，PFI发动机排放的积聚模态颗粒平均直径远大于GDI 发动机，导致PFI 发动机排放颗粒物的平均质量大于GDI发动机。

3.2 灰分载量对GPF捕集率的影响

为研究灰分载量对GPF 捕集率的影响，在30%发动机负荷工况下，分别对灰分载量为0、5 g/L、10 g/L 和20 g/L的GPF捕集率进行测试，结果如图4所示。

图4 不同灰分载量下的GPF捕集率

本文采用的GPF在全新条件下的捕集率相对较高，约为85%。而随着少量灰分的加载，其效率即有较大的提高，5 g/L 的灰分载量可使捕集率达到97%，随着灰分的进一步积累，效率提高至99%。

在灰分加载初期，灰分主要沉积在GPF的内壁孔道内部和内壁壁面，分别减小了GPF孔隙直径和增加了孔道长度，极大地提高了GPF 的过滤效率。因此，灰分加载初期，GPF捕集率随灰分加载而上升的斜率较大。灰分加载后期，灰分主要在GPF孔道末端形成“堵头”，减少了过滤面积，因此，随灰分增长，GPF捕集率增长速率较低。

为了探究GPF 对不同粒径颗粒物的捕集率是否具有一定的规律性，根据试验数据作出灰分载量为0 时GPF 前、后粒径分布情况，如图5 所示，可以发现，GPF前、后两侧颗粒数分布曲线峰值粒径存在差异，这意味着GPF对不同粒径颗粒物的捕集率不同。

图5 灰分为0时GPF上、下游颗粒物粒径分布及捕集率

从图5中可以看出，GPF下游的颗粒物浓度峰值在粒径100～300 nm 范围内，表明GPF 对该粒径范围的颗粒物捕集率很低。测试中GPF的整体捕集率为85.6%，对粒径50 nm 以下及350 nm 以上颗粒物的捕集率都达到90%及以上，但100～250 nm 的颗粒物捕集效率低于整体水平，粒径200 nm左右的捕集率约为65%，仅为总捕集率的76%。

GPF主要通过扩散机制、拦截机制和碰撞机制捕获颗粒物，捕获机制取决于颗粒物的粒径。扩散机制通常作用在核模态颗粒物粒径范围内，核模态颗粒物粒径小，状态不平衡，因此布朗运动较为剧烈，易扩散至GPF内壁而被捕获。而大于400 nm 的颗粒物体积、质量较大，难以随气流运动，因此主要通过拦截和撞击的方式被GPF 捕获。中等粒径范围内的颗粒物一方面相对容易被气流携带，另一方面由于体积较大，布朗运动弱，无法高效地通过3种机制被捕获，导致捕集率较低[18-19]。

GPF捕集颗粒物的过程可分为“深床过滤”和“烟饼层过滤”2 个阶段。在“深床过滤”阶段，布朗运动和拦截机制是GPF 的主要捕获机制。因此，对于处于“深床过滤”阶段的新鲜GPF，100～250 nm 颗粒物的捕集率低。布朗运动和拦截机制的捕集率与GPF孔隙率、排气流速、动力粘度和颗粒物粒径有关[20]。

为探究灰分载量对GPF 捕集不同粒径颗粒物效率的影响，以20 g/L 灰分加载的GPF 与灰分载量为0 的GPF进行比较，结果如图6所示。由图6可知：20 g/L灰分载量的GPF 的总捕集率为99.16%，远高于灰分载量为0 的GPF；20 g/L 灰分载量的GPF 对粒径50 nm 以下核模态颗粒物的捕集率达到98%以上，高于灰分载量为0的GPF的90%，对大于300 nm的积聚模态颗粒物的捕集率与对粒径50 nm 以下核模态颗粒物的捕集率几乎相同；最低捕集率的颗粒物粒径分布与灰分载量为0的GPF 相似，约为200 nm，但此时GPF 的最低捕集率为85%，远高于灰分载量为0的GPF的65%。

图6 20 g/L灰分载量GPF上、下游颗粒物粒径分布及捕集率

3.3 灰分载量对排气系统及燃油经济性的影响

排气背压对发动机的燃油经济性和动力性有着重要影响。高排气背压会导致残余废气系数和泵气损失升高，降低功率输出和燃油经济性。

GPF 的安装会提高背压，进而造成排气阻力增大，尾气中热量的传输也受到阻碍，使得GPF前的温度随着灰分的增加而升高。本文通过试验探究GPF 对排气压降以及GPF前排气温度的影响。

45%负荷时，不同灰分载量下的GPF前温度和压降如图7 所示。由图7 可以看出，随着灰分载量的增加，GPF的压降增加速率可分为3个阶段。第1个阶段为灰分载量5 g/L以下，压降增速最高，压降相比灰分载量为0时增加0.8 kPa，增幅为21%。在这一阶段，堆积在GPF上的灰分主要减小了孔隙的尺寸，这对压降有较大影响。第2个阶段为灰分载量5～10 g/L范围内，压降增长率逐渐降低，增幅为4.5%。这一时期积累的灰分开始沉积在内壁上形成灰分层，增加了孔隙的长度，这进一步增加了压降[21]。在第3个阶段，压降增长率非常低，仅为0.6%。这一阶段积累的灰分沉积在GPF 的末端，部分减小了孔道长度，但相比于孔道整体长度影响较小，因此对压降的影响也较小。

图7 不同灰分载量下的GPF前排气温度及压降

由图7 还可看出，排气受阻导致GPF 前温度升高，温升的趋势与压降增长趋势基本一致。灰分载量5 g/L以下温升幅度最大，为2.19%，之后2 个阶段分别降为0.99%和0.28%。

图8 所示为发动机燃油消耗率随负荷和灰分载量的变化曲线。从图8 中可以看出，在相同负荷下，随着灰分载量的增加，燃油消耗率提高。随着GPF积累灰分增多，排气背压升高，使得缸内的残余废气量和泵气损失增加，缸内燃烧变差、负功增加，因此在负荷不变的情况下，燃油消耗率有所提高。同时，随着负荷的增加，灰分载量对燃油消耗率的影响加剧，原因在于大负荷工况下，GPF 引起的排气背压升高更加显著，因此对燃油消耗率的影响更大。

图8 不同灰分载量及发动机负荷下的燃油消耗率

灰分载量为0 的GPF 与灰分载量为5 g/L 的GPF 燃油消耗率存在较大差距。但灰分载量由10 g/L 变化为20 g/L时燃油消耗率变化很小，这与排气压降变化趋势相似，可以看出GPF主要是通过影响排气背压影响燃油消耗率。灰分载量为20 g/L 时与灰分载量为0时相比，燃油消耗率在小负荷下增加约10 g/kW·h，增幅为3%～4%，中大负荷下增加约15 g/kW·h，增幅达到7%。