基于燃烧器的GPF快速累灰测试方法及其应用

2021-05-26邓俊李笑杰李梦迪李理光

润滑油 2021年2期

邓俊，李笑杰，李梦迪，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 201804)

0 引言

缸内直喷汽油发动机(GDI)具有更高的动力性和更好的燃油经济性[1-2]，市场占有率正在不断提高[3]，国六排放法规的实施及对汽油机颗粒物排放的严格限制，使乘用车汽油机颗粒捕集器(Gasoline Particulate Filter，GPF)成为解决GDI汽车较高颗粒物排放问题的必备装置[4]。由于发动机工作过程中，极少量机油会进入燃烧室燃烧并随废气一同排出，对发动机排放及后处理部件产生影响[5]。灰分成分为机油各种添加剂中的钙、磷、锌等化合物[6]，无法通过再生的方式去除，只能将GPF从排气系统中拆下用物理方法除去[7]，因此，探究机油灰分在GPF上积累的影响以及GPF的耐久性很有必要[8]。但灰分在GPF内部沉积是一个漫长的过程，需要经过长时间积累和再生后才能达到一定的累灰水平[9]，给科研工作带来极大的不便。因此，探究灰分积累需要寻找一种快速、可靠的GPF快速累灰的方法。

2008年，Sloan汽车研究所的Alexander G.Sappok等人[10]设计了一个机油-柴油混合燃烧器，并将得到的尾气与发动机尾气一起通入DPF中来快速累灰，该台架可在10 h内达到40 g/L灰分积累量。2010年，NGK的Shuji Fujii[11]介绍了一种新的灰分快速积累方法，即在天然气燃烧器及DPF之间补充颗粒物直径为1.9～2.4 μm，密度为2.7～2.8 g/cm3的碳酸钙颗粒，并将结果与文献进行比较，证明了所提出测试方法的有效性。2010年，Cambustion公司的TimHands等人介绍了一种基于燃烧器的柴油机颗粒物生成器[12]，该仪器每小时可以产生超过1.5 g的灰分颗粒，并且依靠真空泵调节燃烧器的燃烧压力，使其不受DPF加载程度的影响。2019年亚琛工大Stefan Sterlepper等人设计了一个燃烧器试验台[13]，并与掺杂机油燃烧的实车试验数据进行比较，结果表明新的累灰方法与实车结果相当，并发现在燃烧器中过大贯穿距将导致极小的颗粒主要聚集在GPF壁面，引起不合理的高背压。

上述工作设计的快速累灰台架，均可以较好地实现快速地捕集器累灰，但都仅能实现单一燃烧工况或手动进行预设的几个工况切换，无法自动实现精准控制的任意工况。

本文设计并建立了一种可实现自动控制的任意燃烧工况的快速累灰台架，在此台架基础上对GPF开展累灰测试，对样件进行了扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)分析、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析，并进行了发动机台架测试及整车上的全球轻型汽车测试循环(World-wide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC)试验。

1 快速累灰台架系统设计

本文基于燃烧器进行了台架设计与搭建，整体设计简图如图1所示。台架由燃烧器、油路、压缩空气、协流空气、排气管系统，以及GPF等组成，各部分放大图如图2所示。

燃烧器硬件部分最主要的部件为自行设计的基于空气/燃油雾化燃烧方式的燃烧盘。为了满足大比例掺混机油燃烧，燃烧盘的中心为一个四孔的空气辅助雾化喷嘴，并在两侧对称布置两个圆弧状协流孔。通过试验结合仿真的方法，对喷嘴喷雾特性进行研究。试验结果表明，优化喷嘴直径和辅助空气压力可以改善燃油雾化，并实现了小油滴在燃烧器点火区域的均匀分布。通过仿真结果确定燃烧盘几何尺寸及火花塞位置。

图1 基于燃烧器的GPF灰分快速积累台架设计

图1是基于燃烧器的GPF灰分快速积累台架设计简图，在GPF的累灰试验中，需要实时监控和记录GPF前的温度、压力和排气流量等数据，以及实现燃烧工况的自动控制。基于LabVIEW的数据采集框架的搭建实现了传感器的稳定采集，在整个试验过程中远程实时监控并记录采集数据，如图3(a)。为实现进气流量及温度的变化，搭建点火喷油及进气流量控制程序如图3(b)、3(c)，测试循环综合控制界面如图3(d)，可以根据实际需求在手动控制和自动控制之间进行切换。

图2 燃烧台架各部分结构

(a)数据采集程序前面板

为实现指定排气温度，对燃烧器喷油工况进行标定，喷油量与着火边界关系如图4所示。图中将喷油量脉谱图分为三个区域：失火工况、燃烧不稳定工况、燃烧稳定工况区域。试验中在稳定工况区域实现指定排气温度。

图4 喷油量与着火边界的关系

为了实现可控排气流量，需要通过变频器对供气风机进行控制。其中，变频器控制参数的整定包括提供协流进气量的大风机和提供稀释进气量的小风机PID控制整定，经过整定的风机流量控制效果如图5。

图5 变流量的PID控制性能

当变化梯度为50 m3/h时，相比于设定值，此时超调量稳定在10%以内，且阶跃响应下只有两个较明显的波峰，符合试验过程中对变流量PID控制性能的要求。当变化梯度从50 m3/h增大至100 m3/h时，此时超调量为18%，也在要求范围之内。当变化梯度进一步增大至150 m3/h甚至200 m3/h时，此时超调量也满足通常30%以内的要求。

此外，累灰试验中会包含多种排气工况，排气工况的变化需要排气温度能够快速变化并稳定在设定值。因此在排气工况变化时，不仅需要排气流量的快速转换，也需要排气温度能够在较短的时间内进行响应。图6为通过喷油点火控制排气温度变化的PID控制性能图。其中，350 ℃到600 ℃的设定温度范围也基本涵盖了GPF积炭、累灰以及再生所需要的排气温度。

图6 喷油点火控制排气温度变化的PID控制性能

在排气流量与喷油点火均可实现控制的基础上，对综合排气工况控制性能进行验证。采用6段排气工况，每段持续300 s。试验中为排气温度和排气流量的响应设置不同梯度值的工况点切换，目标值根据图5和图6的试验工况范围进行设定。1～2段排气工况具有相同的排气流量和不同的排气温度，可用来表示该台架系统的恒流变温控制性能，2～3段排气可表示变流恒温控制性能，3～4段、4～5段以及5～6段表示变流变温过程，其中3～4段为升温降流，4～5段为升温升流。由图7总体可得，该台架系统能够提供可控并稳定的排气工况。

图7 排气工况的控制性能

2 SEM及EDS分析

在实现稳定燃烧的基础上，本文利用试验台架对表1中的9种机油与汽油进行体积比1∶2的掺混，通过大幅度提高机油混合比例加速灰分的累积。进行了不同程度的累灰试验，并选取其中的部分样件进行了多种测试，从表中可以看出，机油灰分量的大小与金属元素，尤其是钙元素含量相关性较大[14]。

首先选取5号机油的四种不同灰分累积量的GPF进行了扫描电镜(Scanning Electron Microscope，SEM)分析，灰分载量0、11.4、19.1、30.6 g/L的捕集器分别记为A0、A1、A2、A3。为了研究灰分在捕集器内的累积分布，对捕集器内部不同位置取点进行SEM测试。该检测的电子受5 kV的电压加速，工作距离9.7～11.2 mm不等，放大倍数均为50倍。

图8为进气入口不同灰分积累量下的SEM图像。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

对比进气端的四种灰分累积量的图像，发现不同灰分累积量的捕集器孔道内无明显变化，说明灰分较难沉积在进气端，这是由于在入口端的气体内颗粒的流速较快，动能较大，无法通过重力等因素沉积下来。

如图9所示为中部不同灰分积累量下的SEM图像，在中部可以看到在10 g/L的沉积量和20 g/L的沉积量下，无法看到明显的灰分沉积，但是在30 g/L的沉积情况下，可以看到少量的灰分沉积。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

表1 试验机油参数

如图10所示为出气端不同灰分积累量下的SEM图像，可以看出，随着灰分累积量的增加，出气端灰分累积越来越明显，在灰分含量达到30 g/L时，出气端的孔道已经被灰分堵塞。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器 (c)A2捕集器 (d)A3捕集器

根据SEM图可明显观测到汽油机颗粒捕集器中的灰分分布状况为：灰分从进气端到出气端逐渐变厚。随累积量增加进气端厚度无明显增加，中部和载体出气端的孔道增厚较为明显，灰分大部分堆积于载体出气端的孔道内。该现象说明随着灰分捕集量的增加被捕集到的灰分向出气端沉积。

如图11所示为出气端灰分沉积层的SEM扫描图，该扫描图的电子加速电压为5 kV，工作距离分别为10.8 mm、10.9 mm，10.6 mm，放大倍数均为2000倍。

图11 A捕集器出气端灰分沉积层的SEM图

从图11中可以看出，随着灰分沉积量的增加，灰分颗粒沉积的形状越来越不规则。相比于30 g/L的灰分颗粒，10 g/L的灰分颗粒形态较均匀，大部分为均匀的球状物，而30 g/L的灰分相互之间连成一片，形态不规则，粒径较大。在粒径方面，可以观测到此次试验在汽油机颗粒捕集器中形成的灰分沉积层颗粒粒度主要集中在1～5 μm之间。

为了研究不同元素在汽油机颗粒捕集器不同位置的分布情况，对A3捕集器的不同位置进行了能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析。

如图12所示为进气端测试位置外观以及Ca、Zn、P元素地分布情况，从图12中可以看出，Ca元素主要分布在图片的上部，即灰分层当中，而向内部即载体壁方向Ca元素分布逐渐减少。Zn元素在灰分层分布稍多，但是总体在灰分层到载体壁方向上分布较均匀。P元素从灰分层到载体壁方向分布较多且较均匀。

(a)测试位置外观 (b)Ca元素分布图

如图13所示为捕集器中部测试外观和Ca、Zn元素的分布，Ca元素基本集中于灰分层中和涂层中，且灰分中的密度远高于涂层；Zn元素分布较为稀疏，灰分层中相对于涂层中分布较多，但总体比较均匀。

图13 A3捕集器中部EDS分析图

如图14所示为出气端的测试位置外观和Ca、Zn、P元素分布图。从图14中可以看出，Ca元素很明显密集地分布在灰分层中。Zn元素主要分布在灰分层与涂层中而且较为稀疏。P元素较为平均地分布在灰分层、涂层、载体壁中。

(a) 测试位置外观 (b)Ca元素分布图

综合以上数据可以推测出5号机油引入Ca、Zn、P这三种主要元素到涂层和载体中的难易程度为P最易沉降，Zn其次，Ca元素最难沉降。

3 台架试验

在发动机台架试验中，选用了4号机油，进行了6种不同程度的累灰。

为了研究GPF灰分加载量对GPF捕集效率的影响，选取1500 r/min、30%负荷率，测试0 g/L、2 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L和30 g/L灰分载量下的灰分捕集效率特性，结果如图15所示。

图15 灰分载量对GPF整体捕集效率的影响

在低灰分载量下，GPF捕集效率随着灰分载量的提高有较快的提高。2 g/L灰分载量时捕集效率即可达到95.56%，5 g/L灰分载量时达到97.27%。在5 g/L灰分加载量之后，GPF捕集效率随灰分载量的提升速度降低。10 g/L灰分载量时捕集效率达到98.51%，20 g/L达到99.22%，30 g/L达到99.64%，此时GPF可以将颗粒物数量降低2个数量级，具有显著的后处理效果。

发动机产生的颗粒物粒径分布范围较大，包含核膜态颗粒物和积聚态颗粒物[15]，因此探究GPF对不同粒径颗粒物的捕集效率，以及灰分对GPF捕集不同粒径颗粒物的效率是否具有影响对于GPF的研究开发具有重要意义。对4号机油0 g/L和20 g/L灰分载量下GPF前后不同粒径的颗粒物水平进行了统计，计算了GPF对不同粒径颗粒物的捕集效率。

对0 g/L和20 g/L灰分载量的GPF捕集效率进行分析，如图16所示，可以看出两种灰分载量下，捕集效率最低的颗粒物直径范围均为200 nm上下，但20 g/L灰分载量时的最低捕集效率已达到85%，远高于新鲜GPF的67.5%的最低捕集效率。可见灰分由于沉积在GPF孔隙中，减小了孔隙直径，因此显著提高对小粒径颗粒物的捕集效率，并整体提高了GPF的捕集效率。

图16 不同灰分载量GPF对不同粒径颗粒物的捕集效率

发动机排气系统的开发过程中排气背压是一个重要设计指标，其对发动机的燃油经济性、动力性以及振动噪声均具有重要的影响[16]。高排气背压会升高气缸内的残余废气系数，导致较低的充量系数，造成燃烧恶化，并会增加排气阻力，提高泵气损失，降低了发动机功率输出和燃油经济性。加装GPF将导致排气背压增高，带来更高的泵气损失等问题。且随着灰分沉积量的增加，GPF压降也将随之增大。

探究灰分对GPF前后压力损失(压降)的影响，不同发动机负荷率及灰分载量下，GPF前后压降如图17所示。

从图17中可以看到，GPF压降总体随灰分载量增加而升高，但每个阶段升高幅度不尽相同。在灰分积累初期，灰分增加对GPF压降值影响很大，5 g/L灰分已经使GPF压降增加了近1.3 kPa。之后压降增长率略有下降，5～10 g/L灰分载量之间，5 g/L的灰分增加使GPF压降值增长了约0.5 kPa。而在10 g/L灰分载量之后，灰分增加对压降升高影响减弱，10～30 g/L灰分载量之间，20 g/L的灰分增加量仅使GPF压降升高了0.35 kPa。

发动机的燃油消耗率受排气背压的影响，在不同灰分载量及不同发动机负荷率下的燃油消耗率如图18所示。

图18 不同灰分载量及发动机负荷率下的燃油消耗率

从图18中可以看到，同一工况下燃料消耗率随灰分载量的增加而增加，并随着发动机负荷的增加，灰分载量对燃油消耗率的影响加剧。在中低负荷率下，30 g/L灰分提高约4%燃油消耗率，而在90%大负荷率下，30 g/L灰分对燃油消耗率的提高则达到7%。

由于GPF前形成一定高压区，发动机排气受阻，尾气中的热量无法及时地随气流排出，因此在相同的动力输出下，GPF前的尾气温度随着灰分载量的增加而有一定量的升高。不同发动机负荷率及灰分载量下的GPF前端的温度如图19所示。

图19 不同发动机负荷率及灰分载量下GPF前端温度

4 整车试验

选取了5号机油的3种梯度的灰分积累量的捕集器并使用3号和8号机油累灰至30 g/L的捕集器进行整车WLTC循环的排放测试，5号机油累灰GPF即前文的A0、A1、A2、A3捕集器，3号和8号机油30 g/L累灰的GPF记为B和C捕集器，研究了不同灰分累积量和不同灰分来源对PN、PM排放的影响。

如图20所示为配备了A0、A1、A2、A3捕集器的整车PN排放秒采值，从图中可以看出，颗粒物排放主要集中在第1阶段中的冷启动阶段，此时PN排放有一个极高的峰值，随后急剧降低。由于车辆原排较低，不同灰分积累件PM、PN测试值未显示出应有的差异，颗粒物捕集效率均超过了98%，PM、PN均处于同一数量级。秒采数据显示与新鲜捕集器相比，积累灰分后的捕集器整车测试过程中秒采峰产生了极大的下降，降幅从原峰值约400 个/厘米3附近降低至50 个/厘米3以下。峰型也产生了变化，A1、A2捕集器峰型由毛刺状变为由高逐渐降低的斜坡状，PN秒采值均在300 s处接近于0，而A3捕集器PN趋势显示为了拥有多个峰值的峰型，在300～600 s阶段其值在0～10 个/厘米3波动，但是总体排放相对于新鲜捕集器有所降低。以上现象均表明，经过灰分积累后的捕集器变得更加有利于颗粒物的捕集。

图20 配备A系列捕集器的整车WLTC循环测试颗粒物排放数量秒采值

如图21所示，为配备了A0、A3、B、C四种捕集器的整车颗粒物排放秒采数据。从图21中可以看出，相比于新鲜捕集器，积累灰分后的B、C捕集器整车测试过程中秒采峰产生了极大的下降，降幅从原峰值约400 个/厘米3附近降低至50 个/厘米3以下。峰型也产生了变化，峰型由毛刺状变为由高逐渐降低的斜坡状，PN秒采值均在300 s处接近于0，而A3捕集器的颗粒物排放数量的峰形虽然在低速段有多个峰值，但整体排放也远低于新鲜GPF，并逐渐降低后在300～600 s阶段低于10 个/厘米3。以上现象均表明，不同灰分来源对GPF的捕集效率影响并不显著，经过不同灰分积累后的捕集器均可十分有效地对颗粒物进行捕集。