WLTC工況下汽油機顆粒捕集器性能研究

封碩，張鐵臣，劉曉日，鐘祥麟，付佳樂，靖春勝

(1.河北工業大學能源與環境工程學院，天津 300400；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

汽油缸內直噴(Gasoline direct injection，GDI)技術因可以有效地提高發動機的動力性與燃油經濟性已經成為了內燃機重要的發展方向[1-4]。但是，采用汽油缸內直噴技術會減短燃料與空氣的混合時間，導致混合氣混合不均勻，這會使得GDI汽油機的顆粒物排放量增加[5-7]。有研究表明，GDI發動機的顆粒排放量在柴油機和進氣道噴射(PFI)汽油機之間，顆粒物質量和數量排放量約為10 mg/km和1013個/km，約為PFI汽油機的10倍[8-9]。當前國六排放法規即將實施，新駕駛循環(WLTC)與之前的測試循環差別較大，工況復雜，顆粒物排放控制尤為重要。目前針對發動機循環工況對發動機后處理系統影響的模擬研究較少，不能準確地了解到在變工況下汽油機后處理系統的工作情況。

通過分析三元催化轉化器與汽油機微粒捕集器的內部流動與反應規律，利用AVL BOOST 軟件對不同工況下三元催化轉化器的反應效率與汽油機微粒捕集器壓降變化進行了模擬，對GDI汽油機后處理裝置的設計或選擇有一定的參考作用。

1 試驗儀器及設備

試驗發動機為4缸GDI汽油機，其主要性能參數見表1。本次臺架試驗采用AVL DynoRoad202/12 Sx電力測功機，使用AVL puma測控系統對GDI汽油機進行工況控制，顆粒物測量采用AVL 489顆粒計數器進行測量。

表1 GDI汽油機結構參數

2 數學分析及方法

本研究采用AVL BOOST軟件對發動機瞬態及穩態性能進行計算，同時可以優化進、排氣系統等一些影響性能的主要零部件設計。

2.1 GPF內部流場模型

壁流式 GPF 的排氣進、出口通道示意見圖1。發動機的排氣流入過濾通道 1，然后穿過具有多孔介質的壁面流入通道2，炭煙顆粒物沉積在壁面內。炭煙顆粒物經過深層過濾(depth filtration)和濾餅過濾(soot cake)分別被捕集在 GPF 過濾通道內。其中深層過濾層沉積在過濾通道介質內部，在表面則堆積形成濾餅過濾層[10]。

圖1 GPF通道示意

其中， GPF 內部流體(進出口通道)的流動模型基于一維穩態的連續性方程及動量方程：

(1)

(2)

式中：ρg,n為通道內的氣相密度(n=1 代表入口通道，n=2 代表出口通道)；νg,n為氣相流速；AF,n為通道前端表面積；νw,n為壁面流速；AS,n為過濾通道的濕周半徑。

GPF入口和出口通道的動量平衡方程為

(3)

(4)

式中：pg,i為進出口通道氣體壓力(i= 1.2)；Fi為通道內氣體摩擦損失系數；μ為氣體動力黏度。

壁面流速為

(5)

上述連續性方程和動量方程的初始條件為：

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內部壓降模型

GPF的壓降是決定GPF技術實現的重要依據，因此研究GPF壓降模型對GPF工作效率和優化有著重要意義。本研究所采用的GPF壓降模型基于Darcy 定律中對于多孔介質壓降的定義。

對于完整的進出口通道，其壓降模型為

(10)

其中，壁面壓降為

(11)

深層過濾壓降為

(12)

濾餅過濾壓降為

(13)

進出口通道摩擦產生的壓降為

(14)

(15)

Δpac=Δpinl+Δpout。

(16)

以上公式中：Fnfw,A，Fnfw,B為過濾通道的幾何系數，用來描述入口通道所處的位置；kw，ksd，ksc分別為壁面、深層過濾層、濾餅過濾層的滲透率，其中，壁面滲透率kw在軟件中的取值范圍為1×E-15～1×E-12 m2，在本研究中壁面滲透率為1×E-13 m2，濾餅過濾層的滲透率ksc在軟件中的取值范圍為1×E-16～1×E-13 m2，在本研究中濾餅過濾層的滲透率為5×E-15 m2，深層過濾層的滲透率與濾餅過濾層的滲透率相同,在本研究中深層過濾層滲透率為1×E-13 m2；δw，δsd，δsc分別為壁面、深層過濾層和濾餅過濾層的厚度，在軟件中根據實際設置相應的壁面厚度為0.203 2 mm；μ為氣體的運動黏性系數；ζ為摩擦損失系數；ρsd，ρsc分別為深層過濾層和濾餅過濾層的填充密度。

3 試驗驗證

為了驗證模型的準確性與合理性，對模型進行試驗驗證。圖2示出WLTC市內高速工況下汽油機微粒捕集器壓降的數值模擬分析結果與實際發動機試驗結果的對比。從圖2中可以看出，部分工況數值模擬結果與發動機試驗結果有差距，這是由于模擬過程中簡化了部分反應過程，所以造成了壓降偏低的情況，但是二者趨勢基本一致，模擬結果可以準確體現出試驗結果的趨勢與變化規律，說明模型有一定可靠性。

圖2 GPF壓降的數值模擬結果與試驗結果對比

4 結果與討論

模型主要模擬了WLTC循環的中速段、高速段以及超高速段，計算時間為590—1 800 s。

4.1 中速段計算結果及分析

在WLTC循環中中速段運行時間為590—1 022 s。中速段工況下三元催化轉化器對HC的轉化效率受排氣溫度和排氣流量的影響，計算結果見圖3和圖4。

由圖3可知，HC的轉化效率隨時間變化波動較大，這是由于瞬態工況下排氣溫度與排氣流量等因素使得進入催化器的反應物量不穩定，并且反應物溫度波動造成了反應效率不穩定。從圖3可以看出，排氣溫度在235～415 ℃之間，平均HC轉換效率為84%。隨著溫度的上升，HC的轉換效率也會上升，上升的趨勢與溫度上升的趨勢基本一致，這是由于高溫有利于HC的轉化反應，加速了HC轉化，所以提高了HC的轉化效率。

從圖4可以看出，排氣流量在10～95 kg/h之間，隨著排氣流量的變化，HC的轉化效率也隨之改變。排氣流量上升HC的轉化效率隨之下降，排氣流量下降HC轉化效率隨之上升，這是由于排氣流量上升時，有更多的HC化合物進入到三元催化轉化器中，過多的HC化合物進入催化器中，使其轉化率下降。

圖3 中速段工況下HC轉化效率和排氣溫度的關系

圖4 中速段工況下HC轉化效率和排氣流量的關系

在WLTC循環中速段工況下GPF壓降受排氣流量的影響見圖5。從圖5可以看出，GPF的壓降隨著排氣流量的上升而上升，GPF壓降的變化趨勢與排氣流量值基本一致。說明影響GPF壓降的主要因素是排氣流量。這是由于排氣流量的上升導致進入GPF的顆粒數量增多，進而導致GPF壓降上升。從圖5還可以看出，GPF壓降平均值為1.1 kPa，最高壓降為5.5 kPa，一般GPF壓降允許值為8 kPa以下，所以GPF壓降滿足實際要求。

從圖6可以看出，在變工況下GPF捕集效率隨時間劇烈波動，這是由于在循環工況下排氣流量不穩定。可以看出，捕集效率基本維持在90%，可以達到排放要求。

圖6 中速段GPF捕集效率

4.2 高速段計算結果及分析

在WLTC循環中高速段運行時間為1 023—1 478 s。高速段工況下三元催化轉化器對HC的轉化效率受排氣溫度與排氣流量的影響，計算結果見圖7和圖8。

圖7 高速段HC轉化效率和排氣溫度的關系

圖8 高速段HC轉化效率和排氣流量的關系

從圖7可以看出，高速段排氣溫度有所上升，排氣溫度在275～439 ℃之間。高速段的HC整體轉化效率較中速段有所穩定，高速段HC轉化效率同樣隨著溫度的上升而上升，隨著溫度的下降而下降。這表明，高溫有利于三元催化轉化器對HC化合物的轉化。

由圖8可知，隨著排氣流量的上升，HC的轉化效率下降。通過對比排氣溫度與排氣流量對HC化合物的影響可以看出，HC的轉化效率與排氣溫度的變化趨勢更吻合，所以排氣溫度對三元催化轉化器催化HC較排氣流量影響更大。

在WLTC循環高速段工況下GPF壓降受排氣流量的影響見圖9。從圖9可以看出，在高速段GPF壓降與排氣流量的變化趨勢仍然非常吻合，GPF壓降隨著排氣流量的變化而變化。這也再次證明了在WLTC循環工況中，排氣流量是影響GPF壓降的主要因素。在高速段工況后半段壓降上升過快的主要原因是顆粒的捕集量快速上升。高速段GPF平均壓降為1 050 Pa，最高壓降為2 580 Pa，滿足壓降要求。

圖9 高速段GPF壓降和排氣流量的關系

從圖10看出，高速段的GPF捕集效率最高為90.15%，最低為89.7%，由于排氣流量的變化GPF捕集效率依然會產生波動，但是整體捕集效率可以穩定在90%，滿足排放要求。

圖10 高速段GPF捕集效率

4.3 超高速段計算結果及分析

在WLTC循環中超高速段運行時間為1 479—1 800 s。超高速段工況下三元催化轉化器對HC的轉化效率受排氣溫度與排氣流量的影響，計算結果見圖11和圖12。

從圖11可以看出，HC化合物在超高速工況下整體轉化效率較高速工況有所提高，平均效率在93%。排氣溫度在超高速工況下也有所上升。溫度的上升使得整體的HC轉化效率得到了提升。在溫度較低時HC轉化率波動較大，在排氣溫度逐漸上升達到400 ℃時，HC轉化效率基本穩定在90%以上。

從圖12可以看出，在超高速工況下排氣流量有所提升，最高可達140 kg/h。從圖中還可以看出，隨著排氣流量的上升，HC化合物的轉化率有所下降，尤其是在流量突增的時候，HC化合物的轉化效率有明顯下降。

圖11 超高速段HC轉化效率和排氣溫度的關系

在WLTC循環超高速段工況下GPF壓降受排氣流量的影響見圖13。從圖13可以看出，在超高速段GPF壓降與排氣流量基本吻合。由于超高速段排氣流量的增加，GPF顆粒的加載量增加，使得GPF的壓降增加。超高速段的GPF壓降平均值為2 200 Pa，最高值為5 300 Pa，滿足GPF壓降要求。

圖13 超高速段GPF壓降和排氣流量的關系

從圖14可以看出，在超高速段內GPF的捕集效率較中速段和高速段更穩定，雖然有小幅度的波動，但捕集效率穩定在90%，滿足排放要求。

圖14 超高速段GPF捕集效率

5 結論

a) 在WLTC循環工況下HC化合物轉化效率隨著排氣溫度的上升而上升，HC轉化效率與排氣溫度變化趨勢基本一致，在排氣溫度較低時HC轉化效率波動較大，在排氣溫度到達400 ℃時相對穩定；從不同速度段HC化合物的轉化效率可以看出，隨著速度的升高，HC轉化效率上升，中速段轉化效率波動最大，轉化率不穩定；超高速段轉化效率波動最小，轉化效率最高；

b) 在WLTC循環工況下HC化合物轉化效率隨著排氣流量的上升而下降；

c) 在WLTC循環工況下GPF壓降與排氣流量變化趨勢基本一致，排氣流量是影響GPF壓降的主要因素；

d) 在WLTC循環工況下GPF的捕集效率受排氣流量的影響產生波動，超高速段相較于中速段和高速段的捕集效率更穩定；GPF整體捕集效率可以穩定在90%，滿足排放要求，并且各速度工況下壓降最高值滿足GPF壓降允許值。