某汽油車顆粒捕集器設(shè)計(jì)研究

李晶 錢錚

泛亞汽車技術(shù)中有限公司 上海市 201210

1 引言

環(huán)保部發(fā)布的《2016年中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》，2015年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量2.79億輛，納入年報(bào)統(tǒng)計(jì)的有26002.5萬(wàn)輛，其中汽車16169.7萬(wàn)輛，占比62.2%。按排放標(biāo)準(zhǔn)分類，國(guó)1前標(biāo)準(zhǔn)的汽車占1.6%，國(guó)1標(biāo)準(zhǔn)的汽車占6.9%，國(guó)2標(biāo)準(zhǔn)的汽車占8.0%，國(guó)3標(biāo)準(zhǔn)的汽車占51.6%，國(guó)4標(biāo)準(zhǔn)的汽車占30.5%，國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)的汽車占1.4%。汽車在2015年排放的顆粒物（PM）為53.6萬(wàn)噸。機(jī)動(dòng)車排放在世界范圍內(nèi)成為大氣污染的重要因素。隨著機(jī)動(dòng)車保有量的逐年快速增加，空氣污染日益嚴(yán)峻，而環(huán)境容量又極大地制約著保有量的增長(zhǎng)。要使環(huán)境能夠容納更多的機(jī)動(dòng)車，就必須降低單車污染排放負(fù)荷，尤其是顆粒物排放（PM2.5）?，F(xiàn)在頻發(fā)的霧霾現(xiàn)象是多種污染成分（可揮發(fā)性有機(jī)物，顆粒物等）綜合作用的結(jié)果。

在能源和環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的今天，隨著機(jī)動(dòng)車油耗法規(guī)和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，尤其《乘用車燃料消耗量限值》的進(jìn)一步加嚴(yán)，及2020年5L/100km的節(jié)能目標(biāo)和已經(jīng)頒布的《輕型車污染物排放限值及測(cè)試方法（中國(guó)第六階段）》。GDI技術(shù)已成為新型汽油車大功率輸出并高效節(jié)油的新趨勢(shì)。但缸內(nèi)直噴技術(shù)在降低油耗的同時(shí)也帶來了新的排放問題：采用缸內(nèi)直噴技術(shù)后，由于濕壁及缸內(nèi)燃燒的不充分，顆粒物排放量較采用非直噴技術(shù)時(shí)上升。日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)對(duì)車輛的顆粒物排放要求，使內(nèi)燃機(jī)的燃燒及后處理面臨很大的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理系統(tǒng)主要針對(duì)氣體排放物碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）和一氧化碳（CO），這三種污染物通過在催化器的載體孔道表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而生產(chǎn)無害的二氧化碳、水及氮?dú)狻Ｆ漕w粒物排放主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)凈化技術(shù)來滿足法規(guī)要求。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放也是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)技術(shù)來滿足法規(guī)要求。

本文針對(duì)汽油機(jī)尾氣的顆粒物排放，研究了汽油機(jī)顆粒捕集器的設(shè)計(jì)，將現(xiàn)有直噴車型的顆粒物數(shù)目排放降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足歐六C及國(guó)六的顆粒物數(shù)量排放標(biāo)準(zhǔn)6x1011#/km。

2 直噴車輛顆粒物排放水平調(diào)查

本文對(duì)某公司現(xiàn)有的幾款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車型的顆粒物排放進(jìn)行了摸底。試驗(yàn)采用了圖1的GB18352.3規(guī)定的NEDC工況，顆粒排放結(jié)果如表1。結(jié)果顯示此幾款直噴發(fā)動(dòng)機(jī)車型在NEDC工況下的顆粒物質(zhì)量部分車型可以滿足要求，但顆粒物數(shù)量水平，均無法滿足歐六C及國(guó)六要求，且顆粒數(shù)排放水平是限值的4-8倍。

3 汽油機(jī)顆粒捕集器工作原理

汽油機(jī)顆粒捕集器通過其壁流式蜂窩陶瓷載體孔道的物理結(jié)構(gòu)起到對(duì)顆粒的捕集作用。其結(jié)構(gòu)見圖2捕集器載體結(jié)構(gòu)，載體孔道的一端設(shè)置有用于封閉孔道的孔底，且相鄰孔道的孔底分別位于載體在軸向上的不同端，氣體在流經(jīng)捕集器，由于末端孔底的阻攔，只能穿越孔壁從隔壁通道流出，從而使該結(jié)構(gòu)起到對(duì)顆粒的部分?jǐn)r截作用。

圖1 NEDC工況

圖2 捕集器載體結(jié)構(gòu)

4 捕集器樣件設(shè)計(jì)

體積1.1L，車輛底盤下布置了三種體積：1.4L，1，5L，1.68L。

為了考察不同涂敷含量對(duì)捕集效率的影響，本文設(shè)計(jì)了不同的涂敷上載量：0g/L，60g/L，100g/L，120g/L。

GPF的安裝位置有：位置一CC2位置，安裝于靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口的位置，GPF載體位于三元催化器載體下游，兩者同時(shí)封裝在同一殼體結(jié)構(gòu)中，如圖3所示；位置二UF位置，GPF安裝于車輛的底盤位置，位于現(xiàn)車輛的副消聲器前，見圖4示意圖和圖5實(shí)車安裝圖。

綜上，5種不同參數(shù)組合的GPF設(shè)計(jì)方案詳見表2。

本文根據(jù)GPF的載體目數(shù)，尺寸/體積，孔隙率，微孔徑，涂層設(shè)計(jì)方案，以及整車安裝布置的位置，設(shè)計(jì)了5種不同參數(shù)組合的GPF設(shè)計(jì)方案。

2.1.6 穩(wěn)定性試驗(yàn) 取KC粉末0.30 g，精密稱定，按照“2.1.3”項(xiàng)下方法制備試品溶液，室溫放置，分別于0、4、8、12、16、20、24 h按照“2.1.1”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣，記錄峰面積，金絲桃苷、朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷I峰面積的RSD值分別為0.15%、0.58%、0.32%、1.11%、0.98%、1.58%、0.55%、0.68%、1.03%、0.25%，表明供試品溶液在室溫下24 h內(nèi)穩(wěn)定。

GPF的常規(guī)載體孔數(shù)/壁厚規(guī)格有200 cpsi/8mil，300cpsi/8 mil，300cpsi/10 mil，300cpsi/12mil。這里設(shè)計(jì)涉及到了多有常規(guī)規(guī)格。cpsi（cell per square inch）代表每平方英寸面積的孔數(shù)。另，1mil=0.0254mm。

現(xiàn)有常規(guī)捕集器載體的孔隙率有兩種50%和60~65%。50%孔隙率載體的微孔孔徑是15μm，60~65%孔隙率載體的微孔孔徑是20μm。不同規(guī)格的載體孔隙率及應(yīng)用環(huán)境不同，高孔隙率載體需要配合涂敷來提升捕集效率；低孔隙率載體本身就可以得到較高的捕集效率。

考慮試驗(yàn)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)前艙和底盤空間問題，本文選擇了118.4mm尺寸的載體直徑。在發(fā)動(dòng)機(jī)前艙布置了較小體積的載體

5 試驗(yàn)及結(jié)果分析

5.1 試驗(yàn)車輛及燃油

本文所用試驗(yàn)車輛，具體配置為搭載1.4TSIDI的直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)車輛所用燃油為市售國(guó)五95#汽油。

圖3 CC2位置

圖5 GPF在底盤位置UFC的布置圖

表2 GPF設(shè)計(jì)方案

5.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況1為GB18352.3規(guī)定的NEDC工況，見圖1。試驗(yàn)工況2為WLTP循環(huán)，即歐盟排放委員會(huì)在歐六即將實(shí)行的排放測(cè)試循環(huán)，其試驗(yàn)具體工況見圖6。安裝在CC2位置即靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口的位置的方案一和方案二進(jìn)行了試驗(yàn)工況NEDC。安裝在UFC位置即車輛的底盤位置，位于現(xiàn)車輛的副消聲器前的其他三個(gè)方案進(jìn)行了試驗(yàn)工況WLTP。

圖6 試驗(yàn)工況WLTP

5.3 試驗(yàn)條件

本文所有試驗(yàn)條件遵循GB 18352.5輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法中的附錄C常溫下冷啟動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)（I型試驗(yàn)）中的相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)架以及試驗(yàn)環(huán)境和要求。本文中試驗(yàn)臺(tái)架見圖7，F(xiàn)roude Hofmann公司的48寸單驅(qū)轉(zhuǎn)轂，可達(dá)最高車速200km/h，可加載最高車重5450KG，顆粒物質(zhì)量最高可測(cè)能力2.1g，承重設(shè)備可測(cè)量精度達(dá)0.0001g。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)架

5.4 試驗(yàn)結(jié)果

表3 方案一試驗(yàn)結(jié)果

圖8 方案一試驗(yàn)結(jié)果

安裝設(shè)計(jì)方案二在車輛的CC2位置進(jìn)行圖1的NEDC試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)結(jié)果見表4及圖9，結(jié)果一致性相對(duì)方案一較好，從9.59*1011#/km到12.35*1011#/km不等，但平均結(jié)果10.85*1011#/km不滿足歐六C/國(guó)六PN排放要求，其顆粒捕集效率平均55.5%。

安裝設(shè)計(jì)方案三在車輛的UFC位置進(jìn)行圖6的WLTP試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)結(jié)果見表5及圖10，其首次試驗(yàn)結(jié)果5.53*1011#/km，后面隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，結(jié)果越來越好。各次結(jié)果都滿足歐六C/國(guó)六PN排放要求，其顆粒捕集效率平均91.9%。

表4 方案二試驗(yàn)結(jié)果

圖9 方案二試驗(yàn)結(jié)果

表5 方案三試驗(yàn)結(jié)果

圖10 方案三試驗(yàn)結(jié)果

安裝設(shè)計(jì)方案四在車輛的UFC位置進(jìn)行圖6的WLTP試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)結(jié)果見表6。由于試驗(yàn)設(shè)備故障，僅一次結(jié)果有效，該次結(jié)果滿足歐六C/國(guó)六 6*1011#/km排放要求，其顆粒捕集效率88.9%。

表6 方案四試驗(yàn)結(jié)果

安裝設(shè)計(jì)方案五在車輛的UFC位置進(jìn)行圖6的WLTP試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)結(jié)果見表7及圖11，其首次試驗(yàn)結(jié)果2.63*1011#/km，后面隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，結(jié)果越來越好。結(jié)果滿足歐六C/國(guó)六 PN排放要求，其顆粒捕集效率平均93.9%。

表7 方案五試驗(yàn)結(jié)果

圖11 方案5試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過所有測(cè)試，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)為方案5。該方案在整車上的布置照片如圖5，顆粒物捕集效率如圖11，隨著試驗(yàn)里程的增加，顆粒物的捕集效率逐漸上升，并最終趨于穩(wěn)定。

5.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.5.1 捕集效率與溫度的關(guān)系

當(dāng)GPF安裝在底盤的UFC位置時(shí)，其入口排氣溫度比安裝在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的CC2位置低，見圖12為車輛在運(yùn)行NEDC工況時(shí)，GPF在CC2和UF位置的入口溫度，兩位置最高溫度差別360攝氏度。理論上由于低排溫下的分子布朗運(yùn)動(dòng)，使得粒子的黏附效應(yīng)變大，從而使得粒子互相黏附在GPF本體內(nèi)，從而獲得較高的GPF捕集效率，使顆粒物排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于法規(guī)要求。這和我們實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果也相符。見圖13 GPF在不同位置的捕集效率。GPF在UFC的位置捕集效率遠(yuǎn)高于其在CC2位置的表現(xiàn)。從而得出結(jié)論：GPF入口溫度越低，捕集效率越高。

圖12 NEDC工況下CC2/UFC的催化器入口溫度

圖13 捕集效率與安裝位置的關(guān)系

5.5.2 捕集效率與載體孔徑的關(guān)系

如圖14所示孔徑孔隙率對(duì)捕集效率的影響，圖中可以看出50%孔隙率的載體的捕集效率普遍高于65%孔隙率的載體的捕集效率。15um孔徑的載體的捕集效率高于20um孔徑載體的捕集效率孔隙率越小，孔徑越小，GPF的捕集效率越高。

6 結(jié)語(yǔ)

圖14 孔徑孔隙率對(duì)捕集效率的影響

通過本項(xiàng)目GPF的相關(guān)試驗(yàn)研究，得出了影響捕集效率的相關(guān)因素的結(jié)論：入口溫度越低，捕集效率越高；UFC位置的捕集1效率高于CCC位置；壁厚越厚，捕集效率越高；孔徑越下，孔隙率越低，捕集效率越高；體積越大，捕集效率越高；初始排放越高，捕集效率越高，但無益于尾管排放。