汽油车GPF耐久排放特性的试验研究

孙国斌 潘炳佳

摘要：依照国六标准GBl8352.6-2016，对一辆装备GPF的国六轻型直喷汽油车，采用标准道路循环（SRC）在整车耐久转鼓上运行16万km耐久试验，每间隔1万km里程进行国六I型排放试验。结果表明：随耐久里程增加，PN/PM排放明显降低，其他排放污染物略有上升，CO2变化不明显。跑行至5万km时，PN排放比0km时下降了两个数量级，并在后续的耐久跑行中趋于稳定。在WLTC排放测试循环的49速度段中，低速段（Low）对PN排放的贡献权重最大。

关键词：GPF;PN;WLTC;耐久试验

中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0026-04

孙国斌

现就职于广汽本田汽车有限公司，主要从事汽车的测试认证和项目管理等工作。

1引言

近年来，随着中国CAFC法规的日趋加严，涡轮增压（Turbocharger）+汽油缸内直喷（GasolineDirect injection）因可以有效地提高发动机的动力性与燃油经济性，已经成为轻型汽油车的主流动力总成技术路线。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，使得汽油机的颗粒物排放的质量和数量都显著增加。

当前国六排放法规GBl8352.6-2016即将在全国范围内实施，标准明确要求生产商对汽油车的颗粒物排放进行控制，并且新增了颗粒物数量（PN）需满足6×1011的法规限值要求。GPF（汽油机颗粒捕集器）作为降低直喷汽油机颗粒物排放的主要后处理技术之一，已逐步在国内直喷汽油车型上得到了广泛的应用。

2GPF工作原理

目前应用最为广泛的GPF载体材料是堇青石，其主要优点在于成本低、热膨胀系数低以及耐高温和机械强度高。GPF构造上具有许多平行的轴向蜂窝孔道，而且相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞。其具体结构如图1所示：

GPF的过滤机理为让燃烧产生的尾气流经多孔介质载体壁面，尾气中的微粒通过各种机制被捕集在载体壁面内及载体壁面上。当微粒的吸附量达到一定程度后，通过再生机制将吸附在上面的积碳微粒烧掉，变成对人体无害的二氧化碳排出。微粒被捕集的主要机制有：扩散沉积、惯性沉积、重力沉积以及拦截沉积，如图2所示。其中，拦截沉积跟GPF的耐久特性最为相关，在载体壁面形成碳烟层之前，拦截沉积作用并不显著，而在碳烟层形成后，其对微粒捕集起最主要作用。

国内当前主流的GPF都涂覆了催化剂，也就是兼ATWC和GPF的功能，在排气管中的布置方式一般有两种：紧耦合布置（Closed-coupled简称CC）和后置式布置（Under-Chassis简称UC），见下图3。紧耦合式布置即把GPF和TWC集成到一起，安装在距离排气歧管较近的地方，后置式布置是把GPF安装在距离TWC较远的下游位置。两种布置方式都有各自的优缺点。紧耦合式因排气温度高，具有易于再生的优点。后置式布置的优点是排气温度、速度都较低，有利于形成PM层，从而提高PN的过滤效率。

3试验方案

依照国六标准GBl8352.6-2016，对装备GPF的一辆国六轻型直喷汽油车，采用下图4的标准道路循环（SRC）在整车耐久转鼓上运行16万km耐久试验，每间隔1万km里程时进行国六I型排放试验，试验工况为图5所示的WLTC轻型车测试循环。

试验整车为1台符合国六（b阶段）PN6×1011限值的1.5T直喷汽油车，GPF型式为紧耦合布置：前级单元为TWC，后级单元为兼具TWC功能的CGPF。试验样车参数如表1，排放试验设备参数见表2：

4试验结果

图6是试验样车16万km耐久的排放结果，包括CO、THC、NMHC、NOx、PM、N2O以及PN等七种排放污染物，其中，N2O和PN是国六标准新增的污染物。在整个16万km耐久全程各污染物均低于国六（b阶段）限值，判定试验结果OK。气态排放物CO、THC、NMHC、NOx、N2O在不同的耐久里程测试结果会有一定幅度的波动，但整体上变化不大，颗粒物质量PM和颗粒物数量PN整体上呈降低趋势，尤其是PN，到16万km耐久结束时已比初始值下降了两个数量级。

图7、图8分别是根据耐久试验结果计算出的加算劣化修正值DF（+）、乘算劣化系数DF（×），DF（+）远低于标准推荐值，而DF（×）与标准推荐值比较接近，这是因为各排放物在耐久期间都远低于限值造成的。

GPF的导入，主要是为了降低国六标准新增的PN颗粒物数量，由图6可知，在0km时PN排放很高，达到限值的90%以上，跑行到1万km时就大幅下降至1/3，到2万km基本下降了一个数量级，5万km下降了两个数量级，之后基本就稳定在限值的1%以内了。这是因为新车的时候GPF腔壁上的过滤孔隙大小不一，0-5万km期间，随着耐久里程增加，灰分的累计和再生不断重复进行，灰分层的积累使汽油机颗粒过滤器过滤机理中的拦截沉积作用增强，有效过滤孔率提高，过滤效率随之增大。嗍5万km以后，有效过滤孔率达到相对稳定的水平，PN颗粒物排放数据也就保持在一个相对稳定的水平。

为了更清楚的了解GPF对颗粒物数量PN排放控制的耐久特性，把每1万km低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）及超高速段（Extra High）各分部及Total结果绘制如图9。由图可知，低速段（Low）的PN结果对Total结果的贡献权重最大，在5万km时高达98%。中速段（Medium）、高速段（High）、超高速段（ExtraHigh）GPF的过滤效率较为稳定，而且随耐久里程的增加，这三个速度段的PN排放比Low-V_况下降更快，在2万km时就比0km降低了两个数量级并趋稳，而L0w工况的PN排放到5万km才真正结束下降趋势，这也是造成Total的PN排放结果直到5万km之后才趋于稳定的主要原因。因此，车辆低速工况在GPF耐久性开发设计中尤其需要重点关注。

随车辆里程增加，GPF过滤效率提高的同时，会否造成排气背压增加，从而导致C02/油耗增多，也是装备GPF的整车标定中需重点关注的。本次试验，在整个0-16万km的过程中，CO2排放一直呈正常的稳中有降的趋势，说明该GPF的排气背压的变化并未對CO2、油耗产生恶化的影响，详见图10。

5结论

1）装备GPF的国六轻型直喷汽油车，在耐久试验前段，GPF过滤效率随里程增加持续提升，PN/PM排放持续降低。尤其是PN，1万km时大幅下降了约2/3，到2万km下降了一个数量级，5万km下降了两个数量级，之后基本稳定在限值的1%以内。

2）WLTC排放测试循环的4个速度段中，低速段（Low）对PN排放结果的贡献权重最大，而且随耐久里程增加，低速段（Low）的PN排放下降速度远低于中速段（Medium）、高速段（High）及超高速段（Extra High），因此，在GPF耐久性开发设计中需要重点关注车辆低速段的PN排放水平。

3）在本次16万km的耐久过程中，该GPF的排气背压的变化并未对CO2、油耗产生明显恶化的影响。