潤滑油灰分對GPF過濾效率影響的試驗研究

湯東，劉勝，華倫

(1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013;2.清華大學蘇州汽車研究院(吳江)，江蘇 蘇州 215200)

缸內直噴(GDI)汽油發動機由于具有良好的動力性和燃油經濟性而被廣泛接受，其市場占有率不斷提高[1]。同時，GDI發動機的使用也存在一些問題，與進氣道噴射(PFI)發動機相比，GDI發動機的顆粒物(PM/PN)排放更高，特別是PN排放，已有的缸內凈化與TWC技術已經不能滿足中國第六階段輕型車排放法規要求[2]。與第五階段排放法規相比較，第六階段的循環測試標準由 NEDC 改為全球輕型車統一測試循環(WLTC)，增加了實際道路測試(RDE)，并且在不區分PFI和GDI發動機的前提下，增加了顆粒物數量(PN)6.0×1011個/km 的限值要求。因此，如何解決汽油車顆粒物排放問題已迫在眉睫。目前，汽油機顆粒物捕集器(GPF)被認為是解決GDI發動機排放問題最有效的技術[3-6]。

GPF 技術早已用于解決GDI發動機顆粒物排放問題，其過濾機理與柴油機顆粒捕集器(DPF)基本相同。排氣氣流以一定的流速穿過多孔性壁面，這個過程稱為壁流。壁流式顆粒捕集器一般由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成，通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道壁面通過，顆粒物分別經過擴散、攔截、重力和慣性四種方式被捕集過濾[7]。

灰分的累積一定程度上會影響GPF的耐久性能，對排氣背壓與顆粒物的過濾效率產生一定的影響。本研究基于潤滑油摻燒快速老化的方法，對GPF進行快速老化，通過發動機與整車轉轂臺架試驗以及實際道路測試(RDE)，研究了在整個20萬 km耐久里程內，灰分對GPF性能的影響。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本研究采用潤滑油摻燒的方式來實現GPF的快速老化。快速老化裝置(布置簡圖如圖1所示)主要由缸內直噴汽油機、摻燒燃油供給系統、補氣系統以及后處理系統組成，后處理系統包括三元催化轉換器(TWC)與汽油機顆粒捕集器(GPF)。摻混燃油供給系統中潤滑油與正常汽油按照一定比例均勻混合作為發動機的燃料，在發動機缸內燃燒產生的灰分隨著排氣一起進入后處理系統，大量灰分被捕集在GPF內部。補氣裝置為排氣系統提供氧氣，用于GPF內部的炭煙再生，最終留在GPF內部的只有灰分。快速老化試驗和發動機性能試驗采用的是1臺增壓中冷GDI發動機，主要參數如表1所示。

圖1 快速老化臺架布置簡圖

表1 發動機參數

本研究所用的TWC與GPF載體材料均為堇青石，GPF涂覆催化劑，載體樣件的相關參數如表2所示。

表2 GPF與TWC技術參數

經灰分老化后，將GPF樣件安裝在1臺搭載國六GDI發動機的車輛上，試驗車輛的相關參數如表3所示。

表3 試驗車輛參數

車輛轉轂排放試驗的底盤測功機采用HORIBA的VULCAN II-EMS-CD48-2WD測功機，環境倉尺寸為18 000 mm×9 060 mm×4 000 mm，溫度控制范圍為-20～48 ℃，控制精度為±1 ℃。含濕量控制范圍為5～12.2 g/kg干空氣。尾氣分析系統采用全套的HORIBA全流稀釋定容取樣系統。實際道路排放試驗所用的車載排放測試設備是HORIBA的OBS-ONE PM unit和OBS-ONE GS unit，其中OBS-ONE PM unit主要測量尾氣中的顆粒物，OBS-ONE GS unit主要測量尾氣中的氣體污染物。

1.2 試驗方法

基于潤滑油摻燒快速老化方法，首先在發動機臺架上對GPF進行快速積灰老化，然后在發動機臺架上進行外特性試驗，研究灰分對排氣背壓、油耗和發動機動力性能的影響。最后基于WLTC循環，在整車轉轂臺架上進行過濾效率測試，同時，針對國六法規，將積灰后的排氣系統裝配在整車上，進行RDE測試。臺架與整車試驗后處理系統布置簡圖一致，如圖2所示。

圖2 后處理布置簡圖

快速老化時，將潤滑油與汽油按照一定比例均勻混合，作為燃料進入發動機缸內燃燒產生灰分，灰分隨著排氣進入排氣系統，大部分被GPF捕集。由于摻混油在缸內的霧化與燃燒較差，為保證發動機的正常運行，在特定的積灰工況下運行8 h后，切換正常汽油作為發動機燃油，同時打開GPF前端補氣系統補充氧氣，在特定工況運行2 h，使得排氣溫度達到700 ℃，用以去除摻燒油帶來的缸內、噴油器、火花塞處、GPF內的積炭。GPF進行一定時間積灰試驗后，拆卸放至馬沸爐中，在200 ℃下保溫2 h，去除冷凝水對質量的影響，重復稱重3次，取平均值作為最終質量，反復積灰稱重，直到達到目標積灰質量。

嚴格執行相關的規定和要求，達到要求的項目要進行裸露泥土的全綠化覆蓋，施工中的主干道一律進行硬化處理，及時的設置沉淀池，科學有效的減小泥土中的揚塵對大氣的污染。同時，重視對施工道路兩側的綠化工作，在不影響施工工作的前提下對道路兩側提高植被覆蓋。其次，根據具體的施工情況，安裝全自動噴霧降塵系統，通過先進的儀器，達到降塵加濕的作用，同時對工程中的植被進行澆灌，最大化的利用水資源更好的提升空氣質量。第三，重視對新技術的使用，如在路面硬化中，可以采用新式預制混泥土道路施工技術，不僅可以更好的節約資源，還能有效的減少施工現場及后期產生的垃圾和揚塵對空氣的污染。

本試驗所用的GPF樣件有4個，1個新鮮樣件和3個積灰樣件。積灰質量分別為0 g，3 g，30 g，60 g，用編號G0，G3，G30，G60表示。根據以往試驗經驗，本次試驗中潤滑油與汽油的摻混比例為1%，摻混比例太高影響缸內燃燒，比例太低積灰速率太慢。整車機油消耗量約為0.1 mL/km，所用機油中的灰分含量為1.2%，密度為850 g/L，根據OEM提供的試驗數據，排氣中的灰分實際被捕集在GPF內部的只占30%。根據上述數值計算，積灰質量3 g，30 g，60 g 分別代表車輛的1萬 km，10萬 km，20萬 km行駛里程。

臺架試驗結束后，將GPF樣件裝配到車輛上進行車輛試驗。值得注意的是，更換樣件時只更換GPF樣件，前端統一搭載同一個TWC。車輛試驗嚴格按照國六法規要求進行，整車轉轂試驗開始前先進行預處理，隨后浸車6 h以上，使得車輛的水溫油溫為環境倉狀態，每個GPF進行2次WLTC循環試驗。實際道路測試在蘇州當地進行，包含市區、郊區和高速路線。

2 試驗結果與分析

2.1 背壓結果與分析

4個GPF樣件積灰結束后，裝配于發動機臺架上進行試驗，在外特性點研究灰分對發動機性能的影響。試驗裝置的布置方式如圖3所示。后處理系統在臺架上的布置方式與整車的布置方式一致，GPF為后置式，前端搭載緊耦合的TWC。外特性點GPF的背壓和發動機燃油消耗率、扭矩結果分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 試驗室布置

圖4 外特性點GPF背壓對比

圖5 外特性點燃油消耗率對比

圖6 外特性點扭矩對比

隨著發動機轉速的增加，GPF的背壓不斷上升，這主要是由于排氣流量的增加導致的。發動機轉速在1 000 r/min時，4個樣件的背壓均小于5 kPa，而5 000 r/min時GPF的背壓最大高達30 kPa，并且發動機轉速越高，不同積灰樣件之間的差異越大，可見在高轉速工況下，灰分對GPF背壓的影響比較顯著。同時比較4個不同積灰量GPF之間的背壓變化，與G0樣件相比，G3、G30、G60樣件的背壓最大分別增加了1.4 kPa，3.7 kPa，8.8 kPa，由此可見GPF的背壓隨著灰分量的增加而升高。這是因為灰分沉積在GPF孔道內，減小了有效過濾面積，導致GPF背壓上升。

發動機的燃油消耗率由試驗臺架燃油消耗儀直接測量，圖5示出外特性點不同灰分加載量下發動機燃油消耗率的對比情況。低轉速時，灰分對發動機燃油消耗率的影響較小，2 500 r/min時，最大增加0.61 g/(kW·h)。這主要是因為低轉速時發動機的排氣流量小，灰分帶來的背壓較小，還不足以對燃油消耗率造成較大的影響。高轉速時，由于排氣流量較大，灰分帶來的背壓增大，5 000 r/min時，G60樣件的燃油消耗率為170.97 g/(kW·h)，相比于G0樣件增加4.14 g/(kW·h)。

扭矩是評價發動機動力性能的重要指標，隨著GPF內灰分量的增加，排氣系統的背壓增大，帶來的泵氣損失增加，導致缸內燃燒變差，影響發動機的動力性能。在3 000 r/min時，與G0樣件相比，G3，G30，G60的扭矩分別下降了0.43 N·m，1.7 N·m，3.7 N·m，可見發動機的扭矩隨著灰分量的增加而減小，灰分的累積在一定程度上影響了發動機的動力性能。

2.2 過濾效率結果與分析

2.2.1WLTC工況各階段顆粒排放分析

WLTC工況分為四個階段，分別為低速段、中速段、高速段和超高速段(見圖7)。其中，第一部分為市區工況，最高車速為56.5 km/h，平均車速為18.9 km/h；第二部分為市郊工況，最高車速為76.6 km/h，平均車速為39.5 km/h；第三部分為高速工況，最高車速為97.4 km/h，平均車速為56.7 km/h；第四部分為超高速工況，最高車速為131.3 km/h，平均車速為92.0 km/h。相比于國五法規的NEDC工況，WLTC工況的車速更高，發動機運行的工況范圍更廣，更加符合我國復雜多樣的實際路況。

圖7 WLTC工況車速

圖8示出WLTC工況下四個階段PN排放情況，該車輛發動機顆粒物排放高的區域主要集中在第一階段和第四階段。所有樣件第一階段的PN排放貢獻率超過90%，且第一階段的排放值隨著灰分量的增加而減少。這主要是因為第一階段為冷起動階段，缸內溫度較低，燃油霧化和缸內蒸發較差，并且發動機轉速低，缸內湍流強度較弱，不利于形成更加均勻的混合氣，造成PN排放較高。第四階段為超高速階段，轉速高，負荷大，缸內混合氣變濃，導致燃燒不完全，從而使顆粒物排放增加。

圖8 WLTC工況各階段PN排放

2.2.2WLTC工況顆粒物過濾效率

將4個GPF按原車布置方式裝配于整車上。基于WLTC循環在整車轉轂臺架進行試驗，顆粒物PN排放總值如圖9所示。

圖9 WLTC工況下PN排放總值

在WLTC工況下，該車輛PN的原排達到1.02×1012個/km，已經超出了國六排放限值要求；加裝GPF后，4套排氣系統的PN值均能滿足法規要求。隨著灰分量的增加，PN的過濾效率不斷增加，最大高達99%。3 g灰分量下GPF樣件的PN過濾效率達到96.6%，相比于新鮮件的75%提高了21%，說明少量灰分的累積可以顯著提高GPF的過濾效率。GPF對灰分的過濾分為深床過濾與餅層過濾，灰分沉積初期處于深床過濾階段，這一階段灰分進入過濾壁面孔隙，減小了GPF整體的孔隙率，可以顯著提高GPF對PN的過濾效率。

2.2.3RDE工況顆粒物排放

根據法規要求，實際道路測試路線包含市區、郊區和高速路段，其中市區路段車速應限制在60 km/h以下，郊區路段車速應限制在60～90 km/h，高速路段車速限制在90 km/h以上。三段路線的比例應該是34%的市區路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述比例的誤差應該控制在±10%以內，且市區路段的行駛比例不能低于總里程的29%。三段路程中每段路程的最小行駛距離為16 km，且整個試驗循環要在120 min內完成。

表4示出實際道路試驗各路段車速和里程結果。市區路段車速為29.4 km/h，小于60 km/h，郊區路段車速為75.5 km/h，位于60～90 km/h之間，高速路段車速為101.3 km/h，大于90 km/h。市區路段、郊區路段和高速路段所占比例分別為32.6%，34%，33.4%，整個試驗循環完成時間為96 min。

表4 RDE試驗車速和里程

目前國六b排放法規只對PN和NOx規定限值，實際道路測試限值略高于整車WLTC工況限值，影響因子為2.1，PN排放限值為1.26×1012個/km。 PN的排放結果如圖10所示。PN排放遠低于法規限值，隨著灰分量的增加，PN排放不斷減小，減排率((新鮮樣件PN排放值-積灰樣件PN排放值)/新鮮樣件PN排放值)不斷提高。60 g灰分樣件下PN排放為4.07×109個/km，相比于新鮮件降低了兩個數量級，3 g灰分量下減排率高達92.4%，少量灰分即可顯著提高GPF的過濾效率，減小PN排放。RDE工況和WLTC工況結果一致，結果都表明灰分的累積可以顯著提高GPF的過濾效率。

圖10 RDE工況下PN排放

3 結論

a) GPF背壓隨著灰分量和排氣流量的增加而增大，與無灰GPF相比，60 g灰分量下發動機背壓最大上升8.8 kPa；

b) 發動機的動力性能隨著灰分量的增加而下降，與無灰GPF相比，60 g灰分量下發動機扭矩最大下降3.7 N·m；

c) WLTC工況下，車輛PN排放主要集中在冷起動階段和超高速階段；

d) GPF的過濾效率隨著灰分量的增加而增大，且少量的灰分累積即可顯著提高GPF對PN的過濾效率。