機外凈化技術(shù)對GDI發(fā)動機顆粒排放的影響

王亞， 李君， 劉宇， 尹乾熙

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春　130025)

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機外凈化技術(shù)對GDI發(fā)動機顆粒排放的影響

王亞， 李君， 劉宇， 尹乾熙

(吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春130025)

通過缸內(nèi)直噴汽油機顆粒測量試驗，研究了怠速工況、最大扭矩工況及常用工況下三效催化器(TWC)和汽油機用顆粒捕集器(GPF)對發(fā)動機尾氣中顆粒數(shù)量濃度及質(zhì)量濃度的處理效率。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況，三效催化器與顆粒捕集器對顆粒具有較高的處理效率;隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增加，兩者的處理效率均下降，三效催化器對顆粒處理能力明顯降低，而顆粒捕集器整體保持較高的捕集效率;當(dāng)二者聯(lián)合工作時，在常用行駛工況下對顆粒的捕集效率達(dá)到80%以上。在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況，由于尾氣空速增加，顆粒捕集器捕集效率下降導(dǎo)致整個后處理系統(tǒng)對顆粒的處理效率降低。

缸內(nèi)直噴汽油機； 顆粒; 排放控制； 催化轉(zhuǎn)化器； 顆粒捕集器

汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)是汽油機發(fā)展史上重要的里程碑，由于燃油直接在氣缸內(nèi)霧化蒸發(fā)，提高了發(fā)動機充氣效率且避免了進氣門油膜濕壁問題，提高了噴油系統(tǒng)控制精度和發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)特性[1-2]。然而燃油直噴技術(shù)導(dǎo)致混合氣混合時間縮短，出現(xiàn)局部混合氣過濃的現(xiàn)象，因此缸內(nèi)直噴汽油機(GDI)的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量顯著高于傳統(tǒng)汽油機和帶顆粒捕集器(DPF)的柴油機。同時考慮顆粒對人體的危害以及對大氣環(huán)境的破壞，進一步降低GDI發(fā)動機顆粒排放迫在眉睫[3-4]。

顆粒捕集器是目前公認(rèn)的能夠有效消除顆粒的后處理裝置[5]，利用捕集器載體多孔介質(zhì)的特性對顆粒進行物理捕集，使顆粒在載體內(nèi)逐漸積累，以達(dá)到消除顆粒的目的[6-7]?，F(xiàn)階段在柴油機顆粒捕集器(DPF)基礎(chǔ)上衍生出汽油機顆粒捕集器(GPF)，乘用車在現(xiàn)有三效催化器(TWC)的基礎(chǔ)上，增加GPF組合而成的復(fù)式機外凈化后處理技術(shù)成為業(yè)內(nèi)研究的重點和熱點。本研究主要探討不同工況下TWC+GPF復(fù)合式機外凈化技術(shù)對顆粒排放的影響規(guī)律，為GDI汽油機尾氣后處理技術(shù)奠定理論和試驗基礎(chǔ)。

1　試驗設(shè)備及方案

試驗發(fā)動機選擇現(xiàn)階段國內(nèi)技術(shù)較成熟的4G76-1.4 L增壓GDI汽油機，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該發(fā)動機使用的后處理器為兩段式三效催化器，使用的GPF為不含涂覆的GPF白載體，后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

顆粒測量設(shè)備主要有EEPS 3090 粒徑分析儀和MEXA7100廢氣分析儀。由于GDI汽油機相對于傳統(tǒng)柴油機顆粒排放粒徑小、質(zhì)量輕[8]，為適應(yīng)EEPS密度量程范圍，本試驗自行設(shè)計稀釋系統(tǒng)對排氣進行適當(dāng)?shù)南♂尯屠鋮s[9](見圖1)。該系統(tǒng)包括稀釋通道、流量控制閥、空氣泵、電加熱管(避免稀釋通道內(nèi)的尾氣由于溫度過低造成凝結(jié))。試驗表明，如采用過小的稀釋比，稀釋后的顆粒濃度仍然較大，超過粒徑分析儀的測量范圍；如采用較大的稀釋比，稀釋后的顆粒濃度過小，造成測量誤差較大。因此通過調(diào)節(jié)流量控制閥，控制稀釋比為100左右，得到了較好的測量精度，試驗重復(fù)性誤差低于5%。

試驗工況選擇包含怠速工況、最大扭矩工況(250 N·m，2 000 r/inm)在內(nèi)的發(fā)動機常用工況。顆粒采集點a，b，c三處(見圖1)分別代表發(fā)動機原始顆粒排放、經(jīng)TWC處理和經(jīng)GPF處理后的顆粒排放。TWC及GPF對尾氣中顆粒的數(shù)量及質(zhì)量處理效率分別可按以下公式計算：

式中：ηm為顆粒質(zhì)量處理效率； ηn為顆粒數(shù)量處理效率。

表1　發(fā)動機基本參數(shù)

表2　后處理系統(tǒng)基本參數(shù)

圖1　發(fā)動機臺架布置方案

2　試驗結(jié)果分析

2.1發(fā)動機怠速工況顆粒處理特性

圖2和圖3分別示出怠速工況下，顆粒數(shù)量和質(zhì)量粒徑分布結(jié)果。圖4和圖5分別示出怠速工況下，發(fā)動機原始排放、流經(jīng)TWC和流經(jīng)GPF顆粒數(shù)量和質(zhì)量濃度變化情況。怠速工況發(fā)動機原始排放顆粒物數(shù)量以核態(tài)顆粒為主，主要由于怠速工況轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)氣流運動較弱，殘余廢氣量較大，導(dǎo)致燃燒不完全。并且缸內(nèi)燃燒溫度較低，不利于顆粒物氧化，產(chǎn)生較多的核態(tài)顆粒物，同時顆粒物中易揮發(fā)的有機物含量較高[8]。試驗表明尾氣經(jīng)過TWC后，核態(tài)顆粒數(shù)量濃度明顯降低，TWC對核態(tài)顆粒數(shù)量濃度的處理效率高達(dá)81.37%。尾氣經(jīng)過GPF后，由于GPF載體的物理捕集作用，核態(tài)顆粒數(shù)量分布已經(jīng)不存在波峰，此時GPF的捕集效率同樣高達(dá)83.61%。

圖2　怠速工況顆粒數(shù)量粒徑分布

圖3　怠速工況顆粒質(zhì)量粒徑分布

圖4　怠速工況顆粒數(shù)量濃度變化

圖5　怠速工況顆粒質(zhì)量濃度變化

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機原始排放中顆粒質(zhì)量粒徑分布呈現(xiàn)為核態(tài)顆粒與積聚態(tài)顆粒的雙峰分布，尾氣流經(jīng)TWC后，顆粒整體質(zhì)量明顯下降。核態(tài)顆粒質(zhì)量降幅較大，質(zhì)量濃度從89.52 μg/m3降低到11.83 μg/m3，進一步說明TWC在怠速工況下對核態(tài)顆粒有較高處理效率。同時積聚態(tài)顆粒質(zhì)量也有所降低，從105.12 μg/m3降低到75.81 μg/m3。依據(jù)數(shù)量和質(zhì)量處理效率公式，TWC對顆粒質(zhì)量濃度的處理效率為54.98%(其中核態(tài)顆粒處理效率86.79%，積聚態(tài)顆粒處理效率為27.89%)，GPF對顆粒質(zhì)量濃度的捕集效率為70.03%(其中核態(tài)顆粒捕集效率76.83%，積聚態(tài)顆粒捕集效率為68.97%)。

同時結(jié)合圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)TWC處理后的尾氣中積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度變化不大。結(jié)果表明TWC能夠大幅降低核態(tài)顆粒，主要由于TWC起燃后氧化還原反應(yīng)放熱提高了載體內(nèi)部溫度，且空速較低，為顆粒物在TWC中氧化創(chuàng)造了良好條件，有助于顆粒中附著的部分易揮發(fā)有機物以及核態(tài)顆粒氧化或部分氧化。而對于積聚態(tài)顆粒，由于粒徑相對較大，不易于在TWC載體中氧化消失，因此相比于TWC化學(xué)反應(yīng)對顆粒的處理作用，GPF物理捕集作用對積聚態(tài)顆粒具有更高的捕集效率，同時還能有效降低核態(tài)顆粒。

2.2發(fā)動機最大扭矩工況顆粒處理特性

圖6表明在最大扭矩工況下，顆粒排放以積聚態(tài)單峰分布為主。尾氣流經(jīng)TWC后，由于TWC對積聚態(tài)顆粒處理作用有限，顆粒數(shù)量有所減少但變化很小，此時TWC對顆粒數(shù)量濃度的處理效率僅為11.78%。圖7表明，尾氣經(jīng)過TWC后顆粒質(zhì)量降低也不明顯。尾氣流經(jīng)GPF后大部分顆粒被載體捕集，GPF對核態(tài)顆粒數(shù)量濃度捕集效率為68.82%，對積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度捕集效率為63.10%。同時GPF降低顆粒質(zhì)量濃度，對核態(tài)顆粒、積聚態(tài)顆粒和總顆粒質(zhì)量的捕集效率分別為60.16%，47.84%，48.99%。對比怠速工況，GPF顆粒捕集效率有所降低，這主要由于大負(fù)荷工況尾氣空速增加，布朗運動壁面捕集效果下降，導(dǎo)致顆粒捕集器的捕集作用降低。

圖6　最大扭矩工況顆粒數(shù)量粒徑分布

圖7　最大扭矩工況顆粒質(zhì)量粒徑分布

2.3發(fā)動機常用工況顆粒捕集特性

除2.1和2.2提及的兩個工況點外，本研究選擇發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速范圍1 000～4 000 r/min，負(fù)荷0%～100%進行了發(fā)動機常用工況顆粒排放測試試驗，拓展研究TWC和GPF對顆粒捕集效率的影響規(guī)律。結(jié)果見圖8和圖9。

圖8　后處理系統(tǒng)對顆粒數(shù)量處理效率

圖9　后處理系統(tǒng)對顆粒質(zhì)量處理效率

圖8對比了TWC、GPF及TWC+GPF對顆粒數(shù)量的處理效率。在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時，TWC與GPF對顆粒數(shù)量濃度都表現(xiàn)出較高處理效率，但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，TWC對顆粒數(shù)量處理效率下降趨勢明顯，GPF對顆粒的捕集效率下降幅度較小，常用工況范圍內(nèi)對顆粒數(shù)量的捕集效率最低為60%，平均效率能達(dá)到75%以上。從整個后處理系統(tǒng)效率看，TWC+GPF聯(lián)合作用能保持較高的顆粒數(shù)量處理效率，平均效率能達(dá)到82.5%。

圖9對比了TWC、GPF及TWC+GPF對顆粒質(zhì)量的處理效率?？傮w上看，TWC與GPF對顆粒質(zhì)量的處理效率變化趨勢相似，都呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速及負(fù)荷增大而降低的趨勢。但與圖8對比可以發(fā)現(xiàn)，TWC對顆粒質(zhì)量處理效率整體低于顆粒數(shù)量處理效率。這主要由于TWC對顆粒中的小粒徑核態(tài)顆粒處理效果明顯，而對大粒徑的積聚態(tài)顆粒捕集效果欠佳。而GPF對核態(tài)和積聚態(tài)顆粒均表現(xiàn)出較好的捕集效果。發(fā)動機運行在常用行駛工況時，采用TWC+GPF的布置方式，整個后處理系統(tǒng)對顆粒質(zhì)量的捕集效率能達(dá)到80%以上。

3　結(jié)論

a) 在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷工況，TWC對顆粒具有較高的處理效率,但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加，其處理效率明顯下降;從整體上看，TWC對顆粒數(shù)量的處理效率優(yōu)于對顆粒質(zhì)量的處理效率，主要是由于TWC更適用于小粒徑核態(tài)顆粒的氧化消除，而對于大粒徑的積聚態(tài)顆粒氧化作用有限，而積聚態(tài)顆粒盡管數(shù)量較低，但質(zhì)量比重較大;

b) 與TWC對顆粒的處理效率相比，GPF的捕集效率具有相似的規(guī)律，在低轉(zhuǎn)速小負(fù)荷時具有較好的捕集效率，但隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，受空速的影響，其捕集效率降低，但降幅不明顯，并且GPF對核態(tài)顆粒和積聚態(tài)顆粒均具有較高的捕集效率;

c) TWC與GPF聯(lián)合工作能使發(fā)動機在常用工況下保持80%以上的顆粒質(zhì)量和顆粒數(shù)量捕集效率;但在高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時，隨尾氣空速增加，載體壁面對于顆粒過濾、沉積能力減弱,導(dǎo)致后處理系統(tǒng)整體捕集效率下降。

[1]楊世春，李君，李德剛.缸內(nèi)直噴汽油機技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].車用發(fā)動機，2007(5)：8-13.

[2] 薛云，劉伍權(quán)，趙麒.缸內(nèi)直噴技術(shù)在小型汽油機上的應(yīng)用研究[J].車用發(fā)動機，2010(1)：41-43.

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[編輯: 李建新]

WANG Ya， LI Jun， LIU Yu, YIN Qianxi

(State Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Jilin University, Changchun130025, China)

The purification efficiencies of three-way catalyst (TWC) and gasoline particulate filter (GPF) on particulate emission number concentration and mass concentration under the conditions of idle, maximum torque and common running speed were researched on a GDI engine bench. The results showed that TWC and GPF had higher processing efficiency at low load and low speed. Their purification efficiency decreased with the increase of speed and load, but GPF remained a relative higher efficiency than TWC. The joint operation of TWC and GPF could lead to 80% purification efficiency in common running operation conditions. At high load and high speed, the purification efficiency of the whole aftertreatment system decreased due to the decrease of GPF efficiency led by the increase of exhaust velocity.

GDI engine; particulate; emission control; catalytic converter; GPF

2016-02-26;

2016-07-23

國家國際科技合作專項項目(2014DFA91200)

王亞(1990—)，男，碩士，研究方向為發(fā)動機污染物排放控制；1731315998@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.011

TK411.5

B

1001-2222(2016)05-0057-04