直喷汽油机颗粒捕集器 （GPF）灰分参数试验研究

李树宇

（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖241000）

0 引言

汽油机的颗粒物排放是汽车排放物中需要控制的污染物之一。尤其是直喷汽油机 （GDI），因要求其动力性更强劲，燃油耗和排放最小化，使得GDI发动机在应用方面面临更严峻的考验。自国六阶段排放法规开始，颗粒物的排放质量和数量纳入了控制监管范围。为降低颗粒物排放量，各种技术随之出现。将燃油喷射压力从20 MPa提高到35 MPa，同时采用多孔喷油器，配合多段喷射营造良好的燃烧环境，优化燃油喷射锥角等。以上技术是从控制原始排放的角度来降低颗粒物排放的，其效果会随发动机的设计、制造工艺的差异而不同［1⁃5］。而汽油机颗粒捕集器 （gasoline particulate filter，GPF）是从排放后处理角度来降低颗粒物排放的手段之一，其对降低颗粒物排放数量 （particle num⁃ber，PN）效果明显。在车辆排气系统中安装GPF之后，可过滤近90%的颗粒物排放。

但是，GPF台架耐久性试验和整车耐久性试验仍然是一大棘手问题。GPF累积的碳烟可以通过再生燃烧掉，而其累积的灰分 （ash），主要成分是盐类物质 （CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3等），是不可被去除的，会一直囤积在GPF中。随着发动机运行时间的增加，灰分会越积越多。当灰分在GPF内累积过大，直接对发动机动力性、经济性、排放等指标产生显著影响时，只能更换新的GPF［6⁃10］。 因此， 本文通过 GPF 发动机耐久试验，对灰分的影响因素加以研究，为整车GPF灰分和碳烟控制提供理论依据和试验支撑。

1 试验对象及试验系统布置

所研究的发动机为电控增压中冷GDI发动机，其基本性能参数见表1，试验匹配的GPF结构参数见表2。GPF采用堇青石，封装载体由供应商康宁提供。

表1 电控增压GDI发动机基本性能

表2 试验匹配的GPF主要结构参数

发动机试验台架为AVL试验台架，其系统版本为PUMA 1．2．2版本，发动机灰分耐久试验测试系统如图1所示。

2 试验方法

发动机运行过程中会同时累积碳载量和灰分，但是碳载量可以在高温、高进气流量下燃烧掉，剩下的就是灰分的重量，此时可以建立灰分累积模型。

首先，建立4组灰分累积模型，分别为5．68 g、 11．2 g、 16．87 g 和 23．45 g， 结合 GPF 实际称重值，评估模型的准确性。然后，在GPF灰分为15 g、30 g和无灰分时，分别在发动机台架上采集并记录不同转速和不同负荷下的数据；转速从1 000 r／min 增加至 5 500 r／min， 每隔 500 r／min 采集并记录油门全开的外特性数据。最后，在额定工况分别运行50 h、100 h、200 h、400 h和518 h，然后进行称重，分析观察灰分随发动机运行时间的变化规律及其对碳烟量的影响。所有试验均在发动机GPF耐久试验台上进行。

3 试验结果分析

3.1 灰分累积模型验证

4组灰分累积模型值与实际称重值对比结果如图2所示。可以得出，标定的灰分量是准确的，误差在30%以内 （供应商推荐值≤30%），验证了模型的合理性。

3.2 灰分与发动机有效运行时间的关系及其对碳载量的影响

灰分累积率的含义是指当前灰分累积量与灰分载满GPF时的累积量之比。灰分与发动机有效运行时间的关系如图3所示。随着发动机有效运行时间的增加，机油消耗增多，同时也导致机油稀释，故灰分累积率呈现线性趋势增长。因此，在GPF使用寿命内，越来越多的灰分被累积，占据了越来越多的GPF空间，从而减少了GPF用于累积碳烟（soot）的空间，灰分增多的同时，导致碳载量呈现线性下降趋势。碳载量随灰分增加的变化情况如图4所示。所以，在GPF使用空间下降时，必须不断再生，以保证GPF过滤排放颗粒物的效率。

3.3 灰分对发动机性能的影响

灰分对发动机性能的影响如图5～6所示。随着GPF灰分量的增多，扭矩呈现先升高后降低的趋势，而功率基本呈现线性下降趋势；特别是在高转速下，灰分的增多对发动机动力性能的影响更为明显。因此，针对一定体积的GPF，所能累积的灰分存在一个限定值。否则，长时间累积的灰分存积在GPF内，导致发动机动力性表现为加速无力的现象。

3.4 GPF灰分对排气背压和燃油耗的影响

GPF灰分对发动机排气背压和燃油耗的影响如图7～8所示。随着GPF灰分量的增多，排气系统的压差和发动机的燃油耗率均呈上升趋势；最大排气压差达到无灰分时的1．1倍左右。灰分产生来源主要源于机油添加剂、汽油添加剂和发动机中的碎屑，长时间一直累积在GPF内，不但占据了GPF的空间，还影响碳烟的再生，导致发动机排气背压越来越大，从而引起燃油消耗率基本呈线性增加趋势。随着灰分的累积，如发动机长时间行驶在低速工况，更容易引起燃油耗上升。

3.5 GPF灰分对PN排放的影响

GPF灰分对PN排放的影响如图9所示。随着灰分量的增加，PN排放呈先降低后升高的趋势；而PN过滤效率在灰分量为30 g之前呈现线性增加的趋势，30 g之后过滤效率不变；而碳载量随着灰分的增加呈线性递减的趋势。这说明，灰分增多，一方面促进了碳载量的再生，使得碳烟量减少，也使得GPF在有限的空间内，捕集更多的碳颗粒，减少PN排放。试验证明，一定量的灰分存在，可以显著提高PN的过滤效率，在30 g时可以达到98%以上，能满足国六b的法规要求。因此，针对该款发动机而言，30 g为其GPF灰分量的限值。

4 结论

通过发动机GPF耐久台架标定试验，得到了灰分对发动机扭矩、功率、燃油耗、排气背压、PN排放和碳载量的影响，及其与发动机有效运行时间的关系，为GPF整车灰分标定奠定了试验基础，得到了以下试验结论。

1）建立的灰分累积模型是合理性的。

2）灰分量增加对发动机性能影响较大，导致扭矩、功率下降，排气背压增大，燃油耗增多，PN排放呈现先降低后升高的趋势。灰分对PN过滤效率的影响：30 g之前过滤效率随灰分增多线性增加，30 g之后过滤效率基本不变，为折中对发动机的影响，将该发动机GPF灰分限值定为30 g。

3）灰分随发动机有效运行时间的增大而增多，导致GPF体积内的碳烟量减少，一定灰分量增大了GPF再生的效率和能力。

由于汽油成分也会对灰分生成有一定影响，在以后的研究中，建议对汽油成分进行分析，以全面了解灰分生成规律及影响。