汽油車GPF耐久排放特性的試驗(yàn)研究

孫國斌 潘炳佳

摘要：依照國六標(biāo)準(zhǔn)GBl8352.6-2016，對(duì)一輛裝備GPF的國六輕型直噴汽油車，采用標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）在整車耐久轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行16萬km耐久試驗(yàn)，每間隔1萬km里程進(jìn)行國六I型排放試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨耐久里程增加，PN/PM排放明顯降低，其他排放污染物略有上升，CO2變化不明顯。跑行至5萬km時(shí)，PN排放比0km時(shí)下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并在后續(xù)的耐久跑行中趨于穩(wěn)定。在WLTC排放測(cè)試循環(huán)的49速度段中，低速段（Low）對(duì)PN排放的貢獻(xiàn)權(quán)重最大。

關(guān)鍵詞：GPF;PN;WLTC;耐久試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）04-0026-04

孫國斌

現(xiàn)就職于廣汽本田汽車有限公司，主要從事汽車的測(cè)試認(rèn)證和項(xiàng)目管理等工作。

1引言

近年來，隨著中國CAFC法規(guī)的日趨加嚴(yán)，渦輪增壓（Turbocharger）+汽油缸內(nèi)直噴（GasolineDirect injection）因可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性，已經(jīng)成為輕型汽油車的主流動(dòng)力總成技術(shù)路線。但是，采用汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)會(huì)減短燃料與空氣的混合時(shí)間，導(dǎo)致混合氣混合不均勻，使得汽油機(jī)的顆粒物排放的質(zhì)量和數(shù)量都顯著增加。

當(dāng)前國六排放法規(guī)GBl8352.6-2016即將在全國范圍內(nèi)實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)明確要求生產(chǎn)商對(duì)汽油車的顆粒物排放進(jìn)行控制，并且新增了顆粒物數(shù)量（PN）需滿足6×1011的法規(guī)限值要求。GPF（汽油機(jī)顆粒捕集器）作為降低直噴汽油機(jī)顆粒物排放的主要后處理技術(shù)之一，已逐步在國內(nèi)直噴汽油車型上得到了廣泛的應(yīng)用。

2GPF工作原理

目前應(yīng)用最為廣泛的GPF載體材料是堇青石，其主要優(yōu)點(diǎn)在于成本低、熱膨脹系數(shù)低以及耐高溫和機(jī)械強(qiáng)度高。GPF構(gòu)造上具有許多平行的軸向蜂窩孔道，而且相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵塞。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

GPF的過濾機(jī)理為讓燃燒產(chǎn)生的尾氣流經(jīng)多孔介質(zhì)載體壁面，尾氣中的微粒通過各種機(jī)制被捕集在載體壁面內(nèi)及載體壁面上。當(dāng)微粒的吸附量達(dá)到一定程度后，通過再生機(jī)制將吸附在上面的積碳微粒燒掉，變成對(duì)人體無害的二氧化碳排出。微粒被捕集的主要機(jī)制有：擴(kuò)散沉積、慣性沉積、重力沉積以及攔截沉積，如圖2所示。其中，攔截沉積跟GPF的耐久特性最為相關(guān)，在載體壁面形成碳煙層之前，攔截沉積作用并不顯著，而在碳煙層形成后，其對(duì)微粒捕集起最主要作用。

國內(nèi)當(dāng)前主流的GPF都涂覆了催化劑，也就是兼ATWC和GPF的功能，在排氣管中的布置方式一般有兩種：緊耦合布置（Closed-coupled簡稱CC）和后置式布置（Under-Chassis簡稱UC），見下圖3。緊耦合式布置即把GPF和TWC集成到一起，安裝在距離排氣歧管較近的地方，后置式布置是把GPF安裝在距離TWC較遠(yuǎn)的下游位置。兩種布置方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。緊耦合式因排氣溫度高，具有易于再生的優(yōu)點(diǎn)。后置式布置的優(yōu)點(diǎn)是排氣溫度、速度都較低，有利于形成PM層，從而提高PN的過濾效率。

3試驗(yàn)方案

依照國六標(biāo)準(zhǔn)GBl8352.6-2016，對(duì)裝備GPF的一輛國六輕型直噴汽油車，采用下圖4的標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）在整車耐久轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行16萬km耐久試驗(yàn)，每間隔1萬km里程時(shí)進(jìn)行國六I型排放試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為圖5所示的WLTC輕型車測(cè)試循環(huán)。

試驗(yàn)整車為1臺(tái)符合國六（b階段）PN6×1011限值的1.5T直噴汽油車，GPF型式為緊耦合布置：前級(jí)單元為TWC，后級(jí)單元為兼具TWC功能的CGPF。試驗(yàn)樣車參數(shù)如表1，排放試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見表2：

4試驗(yàn)結(jié)果

圖6是試驗(yàn)樣車16萬km耐久的排放結(jié)果，包括CO、THC、NMHC、NOx、PM、N2O以及PN等七種排放污染物，其中，N2O和PN是國六標(biāo)準(zhǔn)新增的污染物。在整個(gè)16萬km耐久全程各污染物均低于國六（b階段）限值，判定試驗(yàn)結(jié)果OK。氣態(tài)排放物CO、THC、NMHC、NOx、N2O在不同的耐久里程測(cè)試結(jié)果會(huì)有一定幅度的波動(dòng)，但整體上變化不大，顆粒物質(zhì)量PM和顆粒物數(shù)量PN整體上呈降低趨勢(shì)，尤其是PN，到16萬km耐久結(jié)束時(shí)已比初始值下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖7、圖8分別是根據(jù)耐久試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出的加算劣化修正值DF（+）、乘算劣化系數(shù)DF（×），DF（+）遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)推薦值，而DF（×）與標(biāo)準(zhǔn)推薦值比較接近，這是因?yàn)楦髋欧盼镌谀途闷陂g都遠(yuǎn)低于限值造成的。

GPF的導(dǎo)入，主要是為了降低國六標(biāo)準(zhǔn)新增的PN顆粒物數(shù)量，由圖6可知，在0km時(shí)PN排放很高，達(dá)到限值的90%以上，跑行到1萬km時(shí)就大幅下降至1/3，到2萬km基本下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，5萬km下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，之后基本就穩(wěn)定在限值的1%以內(nèi)了。這是因?yàn)樾萝嚨臅r(shí)候GPF腔壁上的過濾孔隙大小不一，0-5萬km期間，隨著耐久里程增加，灰分的累計(jì)和再生不斷重復(fù)進(jìn)行，灰分層的積累使汽油機(jī)顆粒過濾器過濾機(jī)理中的攔截沉積作用增強(qiáng)，有效過濾孔率提高，過濾效率隨之增大。嗍5萬km以后，有效過濾孔率達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的水平，PN顆粒物排放數(shù)據(jù)也就保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平。

為了更清楚的了解GPF對(duì)顆粒物數(shù)量PN排放控制的耐久特性，把每1萬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結(jié)果繪制如圖9。由圖可知，低速段（Low）的PN結(jié)果對(duì)Total結(jié)果的貢獻(xiàn)權(quán)重最大，在5萬km時(shí)高達(dá)98%。中速段（Medium）、高速段（High）、超高速段（ExtraHigh）GPF的過濾效率較為穩(wěn)定，而且隨耐久里程的增加，這三個(gè)速度段的PN排放比Low-V_況下降更快，在2萬km時(shí)就比0km降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)并趨穩(wěn)，而L0w工況的PN排放到5萬km才真正結(jié)束下降趨勢(shì)，這也是造成Total的PN排放結(jié)果直到5萬km之后才趨于穩(wěn)定的主要原因。因此，車輛低速工況在GPF耐久性開發(fā)設(shè)計(jì)中尤其需要重點(diǎn)關(guān)注。

隨車輛里程增加，GPF過濾效率提高的同時(shí)，會(huì)否造成排氣背壓增加，從而導(dǎo)致C02/油耗增多，也是裝備GPF的整車標(biāo)定中需重點(diǎn)關(guān)注的。本次試驗(yàn)，在整個(gè)0-16萬km的過程中，CO2排放一直呈正常的穩(wěn)中有降的趨勢(shì)，說明該GPF的排氣背壓的變化并未對(duì)CO2、油耗產(chǎn)生惡化的影響，詳見圖10。

5結(jié)論

1）裝備GPF的國六輕型直噴汽油車，在耐久試驗(yàn)前段，GPF過濾效率隨里程增加持續(xù)提升，PN/PM排放持續(xù)降低。尤其是PN，1萬km時(shí)大幅下降了約2/3，到2萬km下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，5萬km下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，之后基本穩(wěn)定在限值的1%以內(nèi)。

2）WLTC排放測(cè)試循環(huán)的4個(gè)速度段中，低速段（Low）對(duì)PN排放結(jié)果的貢獻(xiàn)權(quán)重最大，而且隨耐久里程增加，低速段（Low）的PN排放下降速度遠(yuǎn)低于中速段（Medium）、高速段（High）及超高速段（Extra High），因此，在GPF耐久性開發(fā)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注車輛低速段的PN排放水平。

3）在本次16萬km的耐久過程中，該GPF的排氣背壓的變化并未對(duì)CO2、油耗產(chǎn)生明顯惡化的影響。