炭載量對缸內直噴汽油機顆粒捕集器性能的影響

樓狄明，余玉麒，房亮，張允華，楊小東

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804; 2.無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司,江蘇 無錫 214177)

近些年來，汽油缸內直噴(GDI)發動機因其具有更好的動力性和經濟性得到廣泛應用，但采用缸內直噴的方式會產生油氣混合時間縮短、混合不均，以及噴射濕壁造成池火燃燒的現象，使顆粒物排放增多[1-2]。研究表明,汽油機顆粒物普遍比柴油機顆粒粒徑小，而顆粒越小對人體危害越大，已證實超細核態顆粒物(sub-23 nm)會對人體健康產生嚴重危害[3-5]。2021年1月國Ⅵ第一階段法規開始實施，對汽油機PM(<5 mg/km)和PN(<6.0×1011個/km)排放提出了新的限制[6]。另一方面，為應對嚴格的排放法規，特別是削減顆粒物的排放，目前加裝汽油機顆粒捕集器(GPF)已成為GDI發動機后處理系統主流配置。

雖然針對柴油機顆粒捕集器(DPF)的研究對GPF有一定的借鑒作用，但由于排氣流量、排溫、排氣組分、顆粒物組成、粒徑分布等差異，還需對GPF進行針對性研究。Heeje Seong等[7]通過X射線斷層掃描技術(XRT)研究了催化劑涂覆和灰分沉積對GPF孔徑和孔隙率的影響，發現灰分的沉積對GPF過濾的效率提高有著積極作用，但同時會造成GPF壓降的升高。Jian Chen等[8]研究發現，涂層涂覆量越高，平均孔徑越小，壓降增大，同時GPF過濾效率提高，壁面涂覆相比較壁內涂覆而言，有助于提高過濾性能。Xia等[9]發現，炭煙層的形成在提高過濾效率方面發揮著重要作用，特別是對于低灰分累積的GPF而言。可以看出，GPF在使用一段時間后由于有一定的炭煙灰分積累，過濾性能會得到提升，但過高的累炭同時導致背壓升高，且GPF在再生過程也可能因局部高溫而失效[10-11]。

L. Rubino[12]等研究了在低速循環和高速循環下灰分和炭煙積累對GPF性能的影響，發現低速循環下灰分和炭煙的積累速率高于高速循環，壓降和平均過濾效率隨著里程數的增加而提升。Zheng[13]等研究了在新歐洲測試循環(NEDC)和全球統一輕型車測試循環下(WLTC)催化劑涂覆對GPF性能的影響，發現經催化劑涂覆后，GPF過濾性能在無催化劑涂覆基礎上增加10%以上，但100 g/L催化劑涂覆量會導致約15 kPa的背壓提升。現有文獻針對不同炭載量對GPF性能影響研究較少，從以往的研究以及試驗結果來看，缸內直噴汽油機排放的顆粒物粒徑范圍主要集中在100 nm以內。本研究通過對GPF進行炭煙加載，探究了在不同炭載量下改變發動機工況參數對GPF背壓和過濾性能的影響，重點是粒徑范圍在5～125 nm的核態及積聚態顆粒物的排放規律和GPF的過濾效果，為GPF炭煙控制及再生提供理論和試驗支撐。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

試驗所用發動機為上汽乘用車NF1增壓發動機，發動機具體的參數見表1。

表1 試驗用發動機相關參數

試驗臺架布置如圖1所示。測試設備包括PUMA控制臺、AVL電力測功機(測量功率、扭矩、轉速)、壓力和溫度傳感器(測量GPF前后的壓力和溫度)、轉化閥等，尾氣經過二級稀釋處理，由發動機廢氣顆粒物粒徑譜儀(EEPS-3090)對顆粒物排放進行測定。

圖1 臺架布置

1.2 試驗方案

本研究所做試驗為不同炭載量的GPF性能試驗，選取常用工況點來研究發動機顆粒排放特性及對GPF性能的影響，選取發動機轉速為1 000 r/min,2 000 r/min和3 000 r/min，選取負荷(平均有效壓力)為0.2 MPa，0.5 MPa和1.0 MPa。試驗用GPF載體材料為堇青石，其具有熱膨脹系數低、滲透率高的特點，同時成本較低。試驗用GPF具體參數見表2，該型號GPF在炭載量4～5 g/L時再生較為合適。

表2 試驗用GPF相關參數

本次試驗在穩態條件下研究不同炭載量對GPF性能的影響，具體試驗方案如下。

1) 不同炭載量的試驗分為4組，GPF貴金屬涂覆量相同，在試驗前分別將4個GPF累炭到1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L。

2) 對每一組GPF試驗組分別在選取的工況進行臺架試驗，測量GPF前后顆粒物數量排放及背壓變化，每一工況點重復測3次并取平均值。

3) 固定工況點，探究炭載量對GPF前后不同粒徑顆粒物排放特性以及對GPF過濾效率的影響。

GPF對尾氣中顆粒物數量處理效率可按以下公式計算：

ηn-GPF=(nu-nd)/nu。

(1)

式中：ηn-GPF為顆粒數量過濾效率；nu為GPF前顆粒物數量；nd為GPF后顆粒物數量。

2 試驗結果及分析

2.1 炭載量對GPF背壓的影響

GPF中總壓降損失主要由四個部分構成，如圖2所示，1代表管道錐角損失，2代表收縮和膨脹損失，3代表通道流通損失，4代表氣流通過炭煙層或貴金屬涂覆層以及多孔壁面產生的流動損失。隨著炭載量的增加，GPF多孔壁面平均孔隙減少，孔隙率降低，穿過多孔介質層產生的流動損失增加，排氣壓力損失隨著炭載量的增大而增大。

圖2 GPF壓力損失構成

圖3示出在不同GPF炭載量下，背壓隨轉速和負荷的變化關系。隨著轉速和負荷的增加，相同炭載量下GPF背壓升高，這是因為負荷和轉速增大時，節氣門開度增大，單位時間做功循環次數變多，兩者都會使排氣流量增大，從而使流速增加，背壓升高。在3 000 r/min,1.0 MPa 穩態工況下，炭載量從1 g/L增長到3 g/L時，背壓由11.65 kPa增長到18.20 kPa，此時GPF內部由深床捕集階段逐漸過渡到濾餅捕集階段，背壓增加幅度較大；繼續增大炭載量，炭載量分別為3 g/L，5 g/L和7 g/L時，GPF背壓分別為18.20 kPa，18.50 kPa和19.85 kPa，由于GPF內部已經形成穩定的碳餅層，GPF背壓增加幅度不大。

圖3 不同轉速和負荷下炭載量對GPF背壓的影響

2.2 炭載量對GPF前后顆粒排放特性的影響

GDI發動機采用缸內直噴的方式，存在缸內混合氣分布不均的情況，燃燒方式為非均相燃燒，在高溫、高壓環境及缺氧條件下，會形成初生態顆粒，經過表面增長、凝聚及吸附過程，最終形成顆粒物排放。核態顆粒的粒徑范圍為1～50 nm，為納米級顆粒，積聚態顆粒粒徑在50～1 000 nm之間，屬于超細顆粒。

為了探究炭載量對GPF前后顆粒物數量排放特性的影響，選取發動機常用工況3 000 r/min，1.0 MPa，圖4示出該穩態工況下，不同炭載量下GPF前后顆粒物數量排放規律。從圖4可以看出，發動機顆粒物排放主要為核態顆粒物。GPF對于核態顆粒物的過濾效果極好，保持在99%以上，對積聚態顆粒物，尤其是粒徑在50～120 nm顆粒的過濾效果較差。隨著積聚態顆粒物粒徑的增加，GPF過濾效率逐漸降低，甚至低于50%，在以前的研究中也顯示出類似的趨勢[14]。

圖4 炭載量對GPF前后顆粒排放的影響 (3 000 r/min，1.0 MPa)

GPF對顆粒的過濾主要有以下幾種機制，分別為擴散機制、攔截機制、慣性沉積機制以及篩分機制[15-16]。顆粒的粒徑越小，它的布朗運動效應越強，越容易被GPF載體捕獲。隨著粒徑的增大，擴散效應減弱，但慣性效應不明顯，顆粒會隨著氣流運動，當與載體表面的距離小于其半徑的1/2時，該顆粒就會被攔截[17]。慣性沉積效應指的是顆粒粒徑較大具有一定的慣性，氣體流線繞過載體表面時，顆粒因慣性保持原來的運動方向脫離氣體流線被載體捕獲。當顆粒粒徑大于孔隙直徑時，則通過所謂的“篩分”機制進行捕獲。當顆粒物經過GPF時，大多數核態顆粒物由于擴散作用被捕集在GPF載體上。粒徑處在50～100 nm的積聚態顆粒物因為其粒徑相對于核態顆粒物已顯得足夠大，布朗運動效果減弱，不再容易因擴散作用被捕獲，但又沒有積聚起較大的質量和體積，也不容易因慣性效應和攔截作用被捕獲。在顆粒物經過GPF的這一段時間內，顆粒物之間還存在吸附黏結的過程，使顆粒物以較大尺寸向GPF下游排出。因此，造成上述現象是多方面因素共同作用的結果。

從圖4可以看出，炭載量在1 g/L，3 g/L和5 g/L時顆粒物過濾效果較好，而當炭載量繼續增長到7 g/L時，GPF前后顆粒物排放數量差距變小，GPF的過濾效率反而下降。為進一步探究在過量炭載量下GPF在不同工況點的工作效率，選取了隨機工況點1 000 r/min，0.5 MPa和2 000 r/min，0.2 MPa進行對比，結果如圖5和圖6所示。發現在7 g/L炭載量時， GPF前后不同粒徑下的顆粒物數量排放數量級接近，說明GPF工作效率顯著降低，這是因為GPF積炭過多，早已超出了GPF再生限值，GPF在工作過程中會出現累炭破碎脫落的情況，使GPF下游顆粒物排放增加。

圖5 7 g/L炭載量下GPF前后顆粒物粒徑分布 (1 000 r/min，0.5 MPa)

圖6 7 g/L炭載量下GPF前后顆粒物粒徑分布 (2 000 r/min，0.2 MPa)

圖7示出在固定工況點(3 000 r/min，1.0 MPa)，不同炭載量下GPF前后核態顆粒物和積聚態顆粒物排放占比情況。可以看出，經過GPF的過濾作用，1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L炭載量下GPF核態顆粒物占比分別從上游的99.67%，97.92%，98.75%，99.72%下降到下游的89.54%，26.97%，65.37%，99.58%，不同炭載量下GPF下游核態顆粒物占比要低于GPF上游核態顆粒物占比，進一步說明GPF對于核態顆粒物的過濾效果要優于對積聚態顆粒物的過濾效果。

圖7 核態顆粒物和積聚態顆粒物排放占比

2.3 炭載量對GPF過濾效率的影響

圖8示出穩態工況點3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量下GPF過濾效率隨顆粒物粒徑的變化。炭載量在5 g/L及以下時，GPF工作狀況良好，炭載量1 g/L，3 g/L和5 g/L的三組試驗GPF對核態顆粒物的過濾效率基本接近，保持在98%以上，其中炭載量為3 g/L的GPF過濾效率最佳。隨著顆粒物粒徑的逐漸增大，尤其在積聚態顆粒物粒徑范圍內，炭載量為1 g/L的GPF過濾效率下降趨勢明顯大于3 g/L和5 g/L炭載量的GPF試驗組。而炭載量為3 g/L和5 g/L的GPF過濾效率下降趨勢較為接近，不同于對核態顆粒物的過濾效率，炭載量為5 g/L的GPF對積聚態顆粒物的過濾效率要略優于炭載量為3 g/L的GPF試驗組。當炭載量為7 g/L時，GPF對于顆粒物的過濾效率大幅降低，GPF過濾效率隨顆粒物粒徑的變化曲線出現振蕩波動的狀態，說明此時GPF內部累炭過多，GPF不能正常工作，應及時再生清除GPF內部過多積炭。

圖8 炭載量對GPF過濾效率的影響

圖9示出在固定工況點3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量GPF的核態顆粒物過濾效率、積聚態顆粒物過濾效率以及總過濾效率對比。從圖9可以看出，雖然各組GPF對于積聚態顆粒的過濾效率較差，但是總過濾效率同核態顆粒物過濾效率較為接近，這是因為缸內直噴汽油機的顆粒物排放主要集中在核態顆粒物粒徑范圍內。由圖5可知，核態顆粒物平均排放量要比積聚態顆粒物排放量高兩個數量級以上，說明GPF的總過濾效率主要取決于對核態顆粒物的過濾效率。炭載量為1 g/L，3 g/L和5 g/L的GPF核態顆粒過濾效率分別為98.85%，99.70%和99.36%，總過濾效率分別為98.71%，98.91%和99.04%。炭載量為5 g/L的GPF對積聚態顆粒物的過濾效率最好，過濾效率為73.33%。當炭載量為7 g/L時，GPF過濾效率急劇下降，其總過濾效率為75.60%。此時GPF已不滿足工作需求，易造成發動機動力性和經濟性的衰退。

圖9 不同炭載量下核態顆粒物、積聚態顆粒物過濾效率及總過濾效率對比

3 結論

a) GPF背壓同炭載量、轉速和負荷密切相關，GPF中累炭量越高，背壓和壓降上升越大，但上升的趨勢由快變緩；負荷和轉速上升時，背壓和壓降增大，增長的趨勢變快；

b) 缸內直噴汽油機顆粒物排放主要集中在核態顆粒物粒徑范圍內，不同炭載量GPF對于核態顆粒物過濾效果理想，對于積聚態顆粒物，尤其是粒徑范圍在50～100 nm的顆粒物過濾效果較差；

c) GPF內部保持一定炭載量有助于過濾效率的提高，但過多的炭載量反而造成背壓上升，過濾效率急劇下降，因此，定期地配合主動再生，降低GPF中炭載量有利于發動機經濟性和動力性的提升。