發動機顆粒排放和再生頻率對汽油機顆粒捕集器效率的影響

F.ADAM J.OLFERT K.F.WONG S.KUNERT J.M.RICHTER

汽油機顆粒捕集器（GPF）是1種重要的排放后處理系統，能使汽油缸內直噴（GDI）發動機達到現行的排放標準。現行標準規定的非揮發性顆粒物直徑大于23.0 nm。然而，隨著排放法規的逐漸嚴格，GPF過濾效率需要進一步提高，并且可能會對直徑低至10.0 nm的非揮發性顆粒物排放進行限制。GPF過濾效率取決于在發動機運行期間聚集在GPF上的炭煙量。在車輛運行期間，當排氣溫度足夠高且含有足夠的氧氣時，GPF通常是“被動”再生的。研究了發動機廢氣顆粒數排放（PN）和GPF再生頻率對GPF過濾效率的影響。采用2種GPF技術，分別在2臺發動機臺架上進行了測試，并匹配2臺量產車在轉轂臺架上進行了測試。試驗發動機顆粒物排放數量分布的帶寬很廣，幾乎達到1個數量級，更具實際排放代表性。GPF的過濾效率通過符合規定的顆粒數系統（非揮發性顆粒直徑大于23.0 nm、下限為2.5 nm）的粒子計數器，以及差分遷移率光譜儀進行測量計算獲得。結果顯示，GPF有規律地達到可再生的條件，并且GPF的平均駕駛循環過濾效率高度依賴于發動機顆粒物排放量;當發動機顆粒物排放量增加約1個數量級時，GPF的過濾效率顯著提高。研究表明，根據發動機顆粒物排放量選擇合適的GPF技術非常重要。

顆粒物排放;汽油機顆粒捕集器;過濾效率;尺寸分布;缸內直噴汽油機

0 前言

歐盟引入汽油直噴（GDI）發動機的顆粒數（PN）限值，始于2014年9月的歐六排放法規，采用新歐洲行駛循環（NEDC）的PN限值為6×1011 /km。2017年9月，隨著更嚴苛的全球統一輕型車輛測試循環（WLTC）和實際行駛循環（RDE）工況的引入，該法規變得更加嚴格。WLTC工況試驗結果顯示，未安裝汽油機顆粒捕集器（GPF）的大多數車輛，其PN排放量超過了排放限值。因此，對于不同的發動機顆粒物排放水平，GPF需要有1個最低的過濾效率，以滿足現有排放限值法規。

GPF過濾效率取決于捕集器性能和顆粒物性質。顆粒物沉積機理包括：擴散、碰撞、攔截、熱泳和靜電沉積[1]。顆粒物沉積作用效果取決于顆粒大小、密度、形態、排氣流量，以及過濾器特性（例如孔隙度、孔徑等）[2-5]。過濾器過濾效率也會因顆粒物在過濾器上的累積而顯著改變。眾所周知，在柴油機顆粒捕集器（DPF）中，炭煙顆粒物聚集在DPF表面，形成炭煙層。作為過濾介質，炭煙層大大提高了DPF的過濾效率[6]，并在GPF中也能觀察到類似的現象[7]。如果過濾器上的炭煙層過厚，則過濾器的壓降增加，發動機效率降低。通過氧化炭煙，可以定期清除（再生）炭煙層。在柴油發動機中，如果排氣溫度足夠高，過量的O2和排氣中的NO2會導致炭煙氧化。柴油機排氣溫度通常比再生所需溫度低，因此主動再生策略通常需要向DPF提供再生所需要的高溫[8-10]。

另一方面，GDI發動機大多在接近化學當量比的條件下運行，這會導致較高的排氣溫度，而且排氣中幾乎沒有O2。然而，在常規駕駛過程中，發動機在減速時會切斷燃油，從而導致富氧廢氣流經后處理系統，這樣可以被動地再生GPF。同時，也有研究提出了主動再生策略。

Boger等研究了GPF中炭煙的氧化過程，并進行了道路試驗以確定炭煙氧化速率。該試驗發現，在城市和高速公路行駛過程中，即使排氣溫度低于400 ℃，GPF通常也會被動再生。同時，在駕駛過程中，發動機斷油是相當頻繁的。由于在駕駛過程中沒有研究炭煙的積累或氧化過程，GPF的過濾效率會如何變化并不清楚。

Chan等進行了2輪研究，在對量產車輛上的GPF進行改裝后，在轉轂臺架上試驗研究了其過濾效率。在這些試驗中，量產車輛（沒有加裝GPF）首先在轉轂上進行試驗，測量車輛排放，然后將GPF改裝到車輛上。假設安裝GPF后發動機排放沒有變化，研究人員對車輛重新測量排放，并計算過濾效率。研究人員對2輛車進行了試驗，發現2輛車在FTP75試驗循環中似乎沒有出現GPF再生，而在US06試驗循環中似乎觀察到了GPF再生。

①為了符合行業計量習慣，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

上述研究表明，GPF是被動再生的，目前還不清楚再生發生的頻率，以及炭煙在GPF上的累積在多大程度上影響了GPF的過濾效率。有研究[2]假設，因為再生如此頻繁，發動機排出的炭煙量足夠小，以至于在GPF中的炭煙層對過濾效率的影響很小。然而，如果再生次數較少，或者如果炭煙累積率較高，則可以預計GPF效率將隨著炭煙在過濾器中的累積而增加。

本研究擴展了Chan等人的工作，并探討了發動機顆粒物排放、GPF再生的頻率，以及再生時間對GPF過濾效率的影響。在底盤測功機上，試驗人員將2種GPF技術分別應用于2臺量產車輛上，并在2臺發動機臺架上對2種不同駕駛循環下的運行工況進行了測試（始終在22 ℃下冷起動）。試驗人員測量了顆粒物排放、過濾效率、再生的頻率和持續時間，并了解炭煙累積如何影響GPF效率的全過程。

1 試驗方法

1.1 發動機和后處理系統

如表1所列，研究人員在4臺汽油直噴發動機上進行了試驗。這些發動機具有不同的顆粒物排放認證等級。在轉轂臺架上，試驗人員測試了2輛配備了GPF的量產車輛（搭載發動機A和發動機B）。在發動機臺架上，試驗人員測試了發動機C和D。全部發動機在WLTC（冷態）或冷態激烈行駛循環（RTS95）下進行測試，以產生具有寬廣濃度范圍和再生條件的發動機排放。

大多數現代汽油機后處理系統由三元催化器（TWC）和GPF組成。本研究中測試的后處理系統包括布置在第一緊耦合位置（CC1）的TWC和布置在第二緊耦合位置（CC2）的GPF。本研究對2種帶TWC的GPF進行了測試。表2為TWC和GPF的相關技術參數。2種GPF均由相同的壁流式載體構成，壁厚為0.2 mm，貴金屬含量較低，2種GPF容積相似。2種GPF的主要區別在于其中1種GPF是量產的，另1種GPF為新開發的，具有更先進技術，分別標記為“GPF-1”和“GPF-2”。試驗內容包括在1輛車上測試2種GPF，并在2臺發動機上測試2種GPF。

1.2 顆粒測量系統

如圖1所示，使用顆粒儀器直接測量3個位置的PN排放：TWC上游（位置500）、TWC和GPF之間（位置520）和GPF下游（位置600）。試驗采用Horiba公司符合顆粒物計數（PMP）標準的固態顆粒計數系統（SPCS）測量直徑大于23.0 nm的固態顆粒數濃度。試驗人員對SPCS系統進行了改進，使超細冷凝粒子計數器（TSI公司，型號CPC3776）可以與普通粒子計數器同時進行測量。CPC3776的測量顆粒直徑下限為2.5 nm。由于CPC3776位于SPCS中揮發性顆粒移除設備的下游，因此其測量了直徑大于2.5 nm的所有固態顆粒的粒子數濃度。在本研究中，不論其實際的物理或化學成分如何，固態顆粒的定義和PMP一樣，是指排氣經過SPCS系統中的揮發性顆粒移除設備處理后，由顆粒計數器計數的顆粒。因此，CPC3776可以用來測量廢氣后處理系統所有直徑大于2.5 nm的固態顆粒物的過濾效率。此外，試驗人員還使用1臺差分遷移光譜儀（DMS，Cambustion公司DMS500）實時測量4.9～1 000.0 nm范圍內的顆粒物尺寸分布。所有粒子儀器在測試前都經過廠家校準。

DMS有自己的排氣采樣處理系統。先樣本將進行一級稀釋，接著用加熱的取樣管在190 ℃下轉移到儀器中，再進行二級稀釋，然后進行測量。當樣本在取樣管路中稀釋和轉移時，許多氣溶膠過程可能發生，如成核、蒸發或冷凝。這取決于氣相和顆粒相濃度及樣本在取樣系統中的時間-溫度特性。取樣的發動機排氣通常非常熱（>500 °C），因此樣本在通過取樣系統并進行測量時要進行冷卻和稀釋。與SPCS取樣系統不同，DMS不會有意去除揮發性顆粒，也不會有意抑制其成核，因此揮發性顆粒由儀器測量。此外，DMS的粒徑分布也可以進行整合，以獲得直徑大于4.9 nm的固體和揮發性顆粒的總顆粒數。

所有儀器都在每個后處理系統3個取樣位置進行了測量，即在TWC之前（位置500）、TWC和GPF之間（位置520）和GPF之后（位置600）。測量儀器在每個測點會進行3～6次測試。不確定度分析解釋了在一些系統測試中樣本大小不同的原因。本研究中給出的誤差，代表95%置信度的不確定度。

過濾效率η定義為從排氣中去除的顆粒的分數，計算公式如式1。

η=1-NoutNin（1）

式中：Nin和Nout分別是進出后處理裝置的每公里顆粒數排放量。該公式用于確定TWC、GPF或TWC+GPF組合系統的過濾效率，并采用不同測試循環檢測每個測量位置的顆粒物排放量。

對于發動機試驗，研究人員使用2個SPCS系統，其中1個SPCS系統放置在所有試驗的TWC上游。在這種情況下，過濾效率是通過比較SPCS系統實時測量值得到的，因為這樣可確保較低的不確定度。2個SPCS系統之間存在系統偏差，過濾效率計算如式2。

η=1-K·NoutNin（2）

式中：K為2個SPCS系統之間的校正系數。當2個SPCS系統放置在發動機排氣處（位置500）時，確定每個發動機的校正系數及其不確定度。

1.3 其他測試

試驗人員實時測量了GPF排氣中的氧濃度。GPF的溫度是由布置在中心線和距離GPF正面25 mm處，直徑0.5 mm的熱電偶測量的。熱電偶通過GPF的背面安裝，以避免通道損壞。

2 結果與討論

2.1 再生條件

圖2給出了發動機A運行RTS95激進工況行駛循環的示例數據。如圖2所示，在車輛減速期間，GPF后的氧濃度數值經常上升到大于5%，這與發動機斷油相關。圖2還顯示，在行駛不到1 min內，GPF溫度達到500 ℃以上。Boger等指出，如果排氣中有足夠的O2，即使在低于400 ℃的溫度下，GPF也可以氧化炭煙。在較高的溫度下，炭煙將以更高的速率氧化。由圖2可知，在行駛循環期間，共有32次氧濃度高于5%，即每分鐘略多于2次。GPF溫度高于500 ℃，這些情形的總時間累計為133 s，占總行駛循環時間的15%。因此，GPF經常可以達到可再生的條件。

在表3所示的2個行駛循環中，可觀察到其他發動機也具有類似現象。如表3顯示，試驗中的GPF達到再生的條件為：溫度大于500 ℃，氧濃度大于5%，平均再生頻率為每分鐘1.17～2.47次，約占行駛循環時間的11.5%～26.7%。試驗人員對1臺發動機進行了WLTC行駛循環試驗，并與激進的RTS95行駛循環作了對比。就平均數而言，WLTC行駛循環具有更低的再生頻率和較低的再生時間比例。此外，即使運行相同的行駛循環，不同發動機之間也存在一定程度的差異。例如，在RTS95循環中，各發動機的GPF再生頻率范圍為每分鐘1.67～2.47次，約占平均駕駛時間的14.7%～26.7%，其中下限值（發動機B）接近WLTC行駛循環（發動機D）的試驗結果。

表3還列出了在連續行駛循環試驗期間，GPF相對壓差的變化。每臺發動機的第1次測試是采用干凈的GPF，然后對GPF進行額外的11～17次測試，在測試之間不對GPF進行調節或再生。因此，如果在每個行駛循環中都有炭煙的累積，那么通過GPF的壓降預計會隨著多次測試而增加。然而，如表3所示，在試驗過程中，有些壓差略有增加，而有些壓差則略有下降。幾次試驗測量的壓差差異約為5%。在每個行駛循環中，似乎沒有明顯的炭煙累積。此外，研究人員預計在每經歷1個測試循環后，GPF壁上會持續累積炭煙，然而實際所測得的過濾效率并沒有增加。在整個行駛循環中，炭煙的凈累積量為零或非常小，這與再生條件的實際情況相一致。通過該研究可以觀察到，預加載炭煙的GPF在正常駕駛期間將存在炭煙質量的凈損失。

2.2 顆粒物尺寸分布

通過DMS設備測量的4臺發動機顆粒物排放尺寸分布如圖3所示，縱軸表示在整個行駛循環中計算的每種尺寸等級下每公里的顆粒數排放數量。顆粒物尺寸分布形態是典型的汽油直噴發動機的雙峰分布。第1種模態的粒子峰值直徑接近10.0 nm，稱為成核模態，通常由氣相成核形成的揮發性顆粒組成。第2種模態的粒子峰值直徑約為70.0～100.0 nm，稱為積聚模態，通常由炭煙顆?；虮砻婺塾袚]發性物質的炭煙顆粒組成。各發動機粒徑分布具有相似的形狀，但數量不同。有些發動機在成核模態和積聚模態下都產生大量的顆粒。雖然成核模態的顆粒數很多，但從法規的角度看，顯得并不重要。這是因為其直徑小于23.0 nm，而且是揮發性的。因為在這些試驗中，GPF溫度通常大于600 ℃，核模態顆粒在通過熱的GPF時可能處于氣相，并不會對炭煙層產生影響。據推測，成核模態顆粒不會對GPF過濾效率產生影響。

另一方面，如果在2次再生之間，GPF壁面上形成了以積聚模態顆粒為主的炭煙層，則可能會影響GPF的過濾效率。圖4給出了直徑大于23.0 nm的固態顆粒的發動機PN排放分布情況。與圖3所示一致，圖4顯示，發動機A的大顆粒（炭煙）排放量遠高于其他發動機，是B發動機排放量的23倍。

2.3 過濾效率

圖5示出了由DMS測量的發動機A的排氣下游、TWC下游和GPF下游的顆粒物排放的平均尺寸分布。如圖5所示，TWC大大降低了成核模態顆粒物的排放。在TWC中，成核模態減少的機理取決于其組分和形成的位置。在大多數行駛循環中，廢氣和TWC溫度很高，這導致揮發性物質在通過TWC時可能處于氣相。因此，TWC可能氧化揮發性物質，阻止其在TWC下游成核。進入TWC的顆粒（揮發性或非揮發性）將按照布朗擴散沉積或其他沉積機理（如慣性碰撞或熱泳）的方式被捕獲。從圖5還可以看出，TWC對積聚態顆粒排放的影響很小。

圖5還顯示了GPF下游的排放結果。PN排放非常低，表明這種特殊的GPF（GPF-2）具有非常高的過濾效率，這在其他發動機上也有類似的發現。TWC減少了成核模態的PN排放，但不是積聚模態，而GPF減少了所有尺寸的PN排放。

圖6為發動機A對于TWC、GPF和組合系統（TWC+GPF）在固態顆粒直徑大于23.0 nm、固態顆粒直徑大于2.5 nm，以及固體和揮發性顆粒直徑大于4.9 nm時的過濾效率。如圖6所示，對于直徑大于23.0 nm的固態顆粒，TWC具有較低的過濾效率。這與圖5所示的結果一致。從圖6可以看出，對于直徑大于2.5 nm的固態顆粒，TWC的過濾效率高于直徑大于23.0 nm的固態顆粒，這是因為23.0 nm以下的固態顆粒很容易通過布朗運動被GPF捕獲。此外，由于TWC還可以減少成核的氣相物質，因此大于4.9 nm的固體和揮發性顆粒的過濾效率更高（盡管不確定性較大）。同時，圖6還顯示，對于固體或揮發性顆粒物，GPF的過濾效率非常高，超過98%。

如圖7所示，試驗人員在4種不同發動機上測試了GPF的PN過濾效率。具體操作是將GPF-1安裝在發動機B、C和D上進行了測試，將GPF-2安裝在發動機A、C和D上進行了測試。如圖7所示，GPF-1對于大于23.0 nm的固態顆粒的過濾效率在50%～80%，對于大于2.5 nm的固態顆粒物，其過濾效率范圍為67%～83%，具體范圍取決于發動機PN排放水平。GPF-2對于大于23.0 nm的固態顆粒物的過濾效率為78%～98%。對于大于2.5 nm的固態顆粒物，其過濾效率在85%～99%之間，這取決于發動機的PN排放水平。測試GPF的發動機在過濾效率方面有很大的差異。此外，研究人員還進行了2種GPF過濾效率的比較。這些GPF都在發動機C和D上進行了測試。在發動機C上，GPF-2將大于23.0 nm的固態顆粒物過濾效率從57%提高到78%。當固態顆粒物直徑大于2.5 nm時，過濾效率從71%提高到了85%。而在發動機D上，對于顆粒物直徑大于23.0 nm的固態顆粒物，GPF-2的過濾效率從80%提高到了92%。當顆粒物直徑大于2.5 nm時，過濾效率從84%提高到94%。試驗表明，GPF-2在測試的發動機上具有更高的過濾性能。

由圖7可知，測試GPF的發動機不同，則過濾效率有相當大的差異。GPF的過濾效率主要取決于過濾器特性（如孔隙度、孔徑等）、顆粒尺寸、密度和形態、排氣流量，以及是否存在炭煙層[2-5]。通過比較3種不同發動機上相同的過濾器，可以研究其他影響（顆粒特性、流量和炭煙層）的重要性。

首先，顆粒物直徑大于23.0 nm的固態顆粒的過濾效率主要與炭煙顆粒的過濾有關。如圖3所示，4臺發動機的積聚模態主要由炭煙組成，具有相似的中等尺寸分布（70.0～100.0 nm）。此外，Olfert等已經證明GDI發動機的炭煙在各種發動機上具有相當相似的形態和有效密度。因此，預計不同發動機之間的顆粒特性不會有顯著差異。

其次，廢氣流量也會影響過濾效率。因為炭煙顆粒的過濾主要是靠布朗運動[2]，較低的廢氣流量將導致更高的過濾效率。每臺發動機的循環平均廢氣流量如表3所示，平均廢氣流速范圍為10.0～15.3 L/s。這似乎不是這些試驗過濾效率差異的主要因素，因為GPF-1在發動機B上的流量幾乎最低，過濾效率最低;然而GPF-2在D發動機上的流量最低，過濾效率卻是中等。

再者，影響GPF過濾效率的另1個重要因素是炭煙層的形成。研究表明，即使是少量的炭煙也能形成一薄層的覆蓋效果，可以大大提高過濾效率[7]。從圖4可知，4臺測試發動機的炭煙排放量差異很大。圖8給出了GPF的過濾效率與TWC下游PN排放的關系曲線。采用TWC下游排放，而不是發動機排放，是為了避免因采用TWC而產生的任何可能的影響，盡管TWC對大于23.0 nm的固態顆粒的過濾效率影響很小。從圖8可以看出，GPF的過濾效率隨著粒子數的增加而提高。

如表3所示，本研究中測試的GPF在行駛循環期間達到了可能再生的條件。由圖8顯示，在2次再生之間，過濾器上會累積足夠數量的炭煙，從而提高了過濾效率。這種影響的大小取決于再生之間的持續時間和炭煙的累積速率。例如，當排氣溫度較低且不太可能再生時，在每個行駛循環開始時，發動機冷起動時會排放許多炭煙顆粒，可能會提高過濾效率。盡管如此，即使處于整個行駛循環的平均值，其結果顯示，炭煙層的影響仍然很顯著。

最后，研究結果表明，先進的GPF新技術（GPF-2）能夠顯著降低汽油直噴汽車的PN排放，尤其是在要求苛刻的應用中，GPF-2可作為首選技術。

3 結論

研究人員測試了2種GPF技術在4種不同發動機上的顆粒物過濾效率。結果表明，采用改進過濾技術的GPF-2可以大大降低GDI車輛的PN排放。因此，選擇正確的GPF技術是滿足當前PN排放法規的1個選擇。研究還表明，GPF的過濾效率在很大程度上取決于發動機的炭煙排放量。雖然GPF再生在汽油直噴式發動機中可能非常頻繁地發生，但本研究認為，在2次再生之間仍有足夠多的炭煙累積，從而提高了過濾效率。這一結果的實際意義是，在為特定車輛選擇GPF時，應考慮發動機原始PN排放。例如，對于原始PN排放量高的發動機可以通過使用GPF并將GPF放置在再生發生不太頻繁的位置（例如車底板下）來滿足排放限值。因此，對于具有挑戰性的應用，在為發動機選擇GPF時，應同時考慮GPF過濾技術和發動機原始PN排放。

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