高原輕型車用發動機PN排放特性的試驗研究

趙龍龍　羅飛　李瑞　侯春元　解禮兵

摘 要：基于1900m海拔的發動機試驗臺架，針對一臺國六輕型車用發動機，開展搭載后處理系統的整機PN排放特性的試驗研究，分析其在高原下原機PN與尾排PN的變化規律，為高原輕型車后處理系統開發提供數據支持。研究發現：高原汽油機原機PN排放隨著車速的升高而不斷降低，捕集效率隨車速的增加呈先增加后減小的趨勢，主要與載體孔隙及是否高溫灼燒相關；原機PN排放值對捕集效率的影響較大，尤其是冷啟動條件下，受發動機缸內溫度低、燃燒不充分等影響較大；為增大顆粒物捕集效率，可為GPF添加（或涂覆）部分不可灼燒的的灰分或其它成分以減小孔徑孔隙。

關鍵詞：高原 輕型車用發動機 PN排放特性

1 前言

隨著我國進入國六階段，后處理對汽車減排的作用越來越重要。自2016年正式發布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6-2016）提出了對顆粒數目（PN，Particle Num-ber）的限值要求[1-2]，顆粒物捕集器被廣泛應用于整車減排過程，但其效率受諸多因素影響，如海拔、溫度等，因此有必要展開高原輕型車用發動機的PN排放特性研究。

國六排放法規實施后，對汽油車顆粒物排放提出了更嚴格的要求，相比于國五，顆粒物質量（PM）要求大幅提高，且新增對顆粒物數量（PN）的限值要求。目前，為降低汽油機的顆粒排放，多通過裝配顆粒捕集器（GPF）的方式以實現滿足國VI新標準的目標。GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置，過濾體內有很多平行孔道，相鄰的兩個孔道一個進口開放，另一個出口開放。排氣從開放的進口孔道流入，通過GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內，從而實現捕集顆粒物的作用。

同時，嚴控顆粒污染物，不僅因其對環境的破壞極大，而且嚴重影響人類健康，主要損害人體呼吸系統，引發哮喘和慢性支氣管炎等，甚至引起死亡。顆粒物污染物主要由干碳煙、可溶有機組分、硫酸鹽、灰分和水分組成的復雜污染物[3-5]。汽車是產生該污染物的主要來源之一，因此亟需對車輛的排放進行控制，主要控制措施是利用顆粒捕集器進行顆粒污染物的捕集，利用高溫對捕集到的顆粒物進行灼燒，降低其危害程度。

近年，“雙碳”目標的提出，需要對我國中西部地區經濟快速發展過程中同步考慮高原地區環境保護、防患于未然，避免環境污染的進一步加劇。另外，我國高原地域面積廣闊，隨著國家的發展，高原地區的車輛也越來越多，輕型車的占比越來越大[2]，對高原環境的影響也日益突出。因此，依托于1900m的高原試驗條件，開展高原輕型車用發動機及后處理系統的PN排放特性研究，助力減少高原汽車顆粒物排放，保護高原環境。

綜上，我們需要對高原輕型車PN的排放特性進行研究，主要研究搭載后處理系統的輕型用汽油機各工況下的PN排放特性，從而協助管控汽車運行，減少排放，同時助力高原輕型車用后處理零部件的開發驗證，使其更好的適應車輛運行條件。

2 試驗方案

研究對象為一臺增壓中冷直列４缸汽油機，額定功率為88kw，其后處理主要配置為三元催化器（TWC）加顆粒物捕集器（GPF）。測試系統采用HORIBA公司的HT250電力測功機、雙路直采排放分析儀、雙路PN測試設備以及AVL7351油耗儀和進氣空調等搭建的測試平臺。汽油機主要參數如表１所示。

為探究汽車發動機在國六法規規定的工況下PN排放特性，采用符合GB 18352.6-2016要求的WLTC循環進行排放測試，其中WLTC循環工況見圖1。

試驗之前需按照標準要求進行邊界控制，設定發動機進氣負壓為-1.5kpa，進氣溫度為25℃，進氣濕度為45%，冷卻水溫度90℃，中冷后溫度為52℃，背壓為50kpa。額定點運轉10min左右，觀察并記錄邊界參數，待發動機轉速、扭矩、進氣流量、進氣溫度、排氣溫度、循環水溫度等穩定后即可開始對應的排放循環試驗。

為保證試驗一致性，每次試驗均需要發動機在冷卻條件下進行，冷卻時間2-3h，確保發動機后處理溫度冷卻至室溫附近，且冷卻后的（窩后排氣）溫度盡可能接近以確保數據一致性。為同時觀測原機PN和尾排PN的變化規律，需配備兩路相同規格的PN設備對發動機出口（GPF前）和后處理后（GPF后）進行同步采樣處理，通過兩路PN的計算可以得出GPF捕集效率。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗數據分析

為證明數據的有效性及代表性，本次試驗選用4組樣件（樣件隨機選取不同批次載體和不同配方催化劑），每組樣件進行3次試驗，通過試驗數據的平均結果（如數據偏差過大，可進行剔除）對排放特性進行分析，從而得出汽油機PN的排放特性。

對12組數據進行平均化（去掉離散化最大的兩組數據之后取平均值）處理之后，數據結果如圖2，由圖可見發動機在啟動階段PN排放值較大，這主要是由于WLTC前段為冷啟動階段，其氣缸溫度和活塞溫度都比較低，導致霧化的油氣遇冷凝結沾壁（也稱為濕壁）從而導致燃燒不充分；并且啟動時混合氣較濃，空燃比低于理論空燃比（14.7）也促使燃燒不充分，從而使冷啟動時的PN排放偏高，尾排PN排放規律跟隨發動機PN排放規律。

分別對四個樣件PN結果進行統計（三組數據匯總平均所得），結果如圖3所示。由圖可見發動機原機排放較為穩定，在PN設備誤差要求范圍之內，因此判斷試驗數據有效性較高。

圖4為樣件的顆粒物捕集結果，圖示樣件1捕集效率略低，后3個樣件捕集效率較為接近，判斷是由于GPF載體捕集性能所致，如需選型，應從后面3個樣件中選取。

捕集效率計算公式為：

（1）

其中N1為上游PN測試值，N2為下游PN測試值；μ即為捕集效率。

本次采用全球輕型車統一測試循環—WLTC排放測試循環，該排放測試循環總計1800s，由低速區（low，589s），中速區（Medium，433s），高速區（High，455s），超速區（Extra High，323s）四部分組成[6-7]，按照以上四個區對測試數據進行統計處理后，得出原機PN排放結果如圖5所示。由圖可見原機排放結果隨著轉速的升高而不斷降低，該變化趨勢和圖1接近，低速區排放偏高，主要是燃燒不充分導致。

按照四個轉速區對GPF捕集效率進行統計（所有樣件測試結果進行平均化處理），結果如圖6所示。GPF在低速區和超速區捕集效率低，中速區和高速區捕集效率較高，且較為接近。上述變化的原因為：低速區由于原機PN排放較高，導致捕集難度偏高，且樣件上一循環經過高溫區時載體孔徑中的碳灰顆粒減少后導致GPF載體捕集效率降低[8-14]，因此低速區捕集效率較低。超速區PN排放較低，主要由于經歷過高溫高速區后載體孔徑中碳灰顆粒因灼燒而減少，導致捕集效率降低，且高流速下顆粒捕集難度較大，因此捕集效率較低。圖示超速區捕集效率較低速區要略高，判斷為超速區較低速區原機PN排放較低所致，因此認為原機PN排放對捕集效率也有較大影響，應盡可能在標定階段降低發動機原機PN排放。而中速區和高速區捕集效率較高，主要是經過較低的溫度區域時捕集的碳灰顆粒較多，GPF載體孔徑中顆粒較多使載體空隙變小，從而提升了顆粒捕集的效率，且未經歷過高溫（灼燒），使碳灰顆粒得以累積，因此捕集效率效率較其它區高[15-18]。

圖7是通過公式（1）計算得到GPF的瞬態捕集效率，由圖可清晰看出低速區數據多集中于中段（捕集效率70-80%），進入中高速后數據密集區域集中于上段（捕集效率80-90%），進入超速段后捕集效率下降（捕集效率70-80%），從而證明上述規律在瞬態下也能夠明顯體現。

4 試驗結論

a）高原汽油機原機PN排放隨著車速的提高而不斷降低，因此城市快速路的搭建也能有效的減少PN排放；

b）高原汽油機在低速區和超速區捕集效率較低，因此為降低PN排放應盡可能減少低速區段行駛路線；也可通過快速提升發動機溫度，也能有效的控制PN排放；

c）PN原機排放值對捕集效率影響較大，因此發動機的原機PN排放值應引起發動機生產廠的重視，降低PN原機排放需要作為發動機原機標定的方向之一；

d）為降低PN排放，可通過給GPF添加（或涂覆）部分不可灼燒的的灰分或其它成分以減小孔徑空隙，從而增大顆粒物捕集效率。

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