GPF對實際行駛污染物排放的影響研究

閆峰，顏燕，王玉偉，戴春蓓

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

2016年底，環(huán)境保護部、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，公布的輕型汽車第六階段標準采用分步實施的方式，設置國六a和國六b兩個排放限值方案，分別于2020年和2023年實施[1]。

在國六標準中采用全球輕型車統(tǒng)一測試程序[2]，全面加嚴了測試要求和標準限值，并且采用燃料中立原則，對柴油車的氮氧化物和汽油車的顆粒物不再設立較松的限值，此外還引入實際行駛排放測試(RDE)，對車輛在實際使用狀態(tài)下的排放控制水平進行監(jiān)管?？梢钥闯鰢鶚藴实纳墝⒔o汽車、發(fā)動機、后處理裝置制造企業(yè)帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，各主機廠需要下大力進行研發(fā)、標定、后處理匹配等工作才能達到國六標準要求，同時由于燃料中性的要求，不得不關注在國五階段并沒有限值的汽油車顆粒物數(shù)量排放水平[3]。

鑒于越來越嚴格的排放及油耗要求，動力性和燃油經(jīng)濟性更好的增壓缸內(nèi)直噴汽油機(TGDI)在乘用車的應用越來越廣泛。但采用缸內(nèi)直噴技術后缸內(nèi)油氣混合時間很短，容易形成局部濃區(qū)，造成顆粒物排放明顯增加[4-5]。國六嚴格的法規(guī)限值和RDE測試要求TGDI發(fā)動機在各工況運行時都可以有效控制顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放，因此僅僅依靠發(fā)動機缸內(nèi)排放控制技術已經(jīng)無法滿足法規(guī)對顆粒物排放的要求。為此針對國六標準開發(fā)的TGDI車輛普遍傾向于加裝汽油車顆粒物捕集器(GPF)，其被認為是最有效的降低直噴汽油車顆粒物排放的技術手段之一[6-8]。

鑒于各主機廠在積極進行國六車輛的升級儲備，而GPF升級后對TGDI車輛排放尤其是RDE排放的影響研究很少，因此本研究基于一輛國五升級以應對國六排放標準的TGDI車輛，研究安裝/未裝GPF在RDE測試工況下排放的變化，以探究GPF對RDE污染物排放的影響，并對TGDI車輛國六升級進行建議。

1 試驗

1.1 試驗車輛、測試工況和測試設備

所選車輛為1臺國五升級以應對國六排放標準的TGDI汽油車，采用1.5 L渦輪增壓直噴直列4缸發(fā)動機，六擋手動變速箱。對于量產(chǎn)車輛而言，即便采用直噴技術，依舊會將過量空氣系數(shù)控制在1附近，因此為了有效控制氣態(tài)污染物和顆粒物排放，該車加裝了三元催化器(TWC)和汽油車顆粒物捕集器(GPF)。

測試工況為滿足國六標準要求的RDE測試，在相同環(huán)境條件、相同測試路線、相同設備及流量計安裝狀態(tài)和相同駕駛員情況下，研究安裝/未裝GPF對RDE測試工況污染物排放的影響。

RDE試驗所用車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)為奧地利AVL公司的AVL M.O.V.E is，所用PEMS設備的污染物測量范圍和精度見表1。

表1 PEMS設備的測量范圍及測量精度

1.2 測試路線

RDE測試工況包括以車速界定的市區(qū)工況(小于60 km/h)、市郊工況(60～90 km/h)和高速工況(大于90 km/h)。各工況行駛里程不得少于16 km，里程比例依次為34%，33%和33%，允許有±10%的偏差，但市區(qū)里程比例不得少于29%。此外還有平均車速、最大車速和停車時間的要求。

本研究采用的測試路線基本信息見表2。其中，市區(qū)、市郊、高速的行駛距離分別為20.5 km，21.3 km和23.4 km，各階段占比分別為31.4%，32.7%和35.9%，路線無論是行駛里程、里程占比、行駛時間還是平均車速等均符合國六法規(guī)要求。

表2 測試線路基本信息

2 試驗結果及分析

相同試驗車輛安裝/未裝GPF下的RDE測試選取相同環(huán)境條件、相同測試路線、相同設備及流量計安裝狀態(tài)和相同駕駛員，以盡量減少上述條件對測試結果的影響。最終的污染物排放結果見表3，由于國六標準中RDE僅對NOx和PN排放有限值要求，因此重點考察這兩種排放的變化情況。從表3可以看出，安裝GPF可有效降低RDE總行程的PN排放，從4.126E12 個/km下降到1.362E11 個/km，但安裝GPF后，總行程的NOx排放有所上升，從0.143 g/km 上升到0.201 g/km。

表3 TGDI車輛安裝/未裝GPF RDE測試工況污染物排放

2.1 對PN排放的影響

本研究最關心的是TGDI車輛安裝/未裝GPF在RDE測試工況下的PN表現(xiàn)，因此首先對比了相同試驗車輛在不同車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，安裝/未裝GPF情況下RDE試驗過程的PN排放(見圖1和圖2)。由圖1和圖2可以看到，安裝GPF可顯著改善車輛的PN排放，尤其是在車速低于60 km/h的市區(qū)階段以及發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于2 000 r/min的工況，GPF可過濾掉大部分顆粒物排放，在低車速(30 km/h)、低發(fā)動機轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)工況下，未裝GPF的PN排放大約為6E6 個/cm3，安裝GPF后，PN排放可降低到5E4 個/cm3以下，排放下降兩個數(shù)量級，PN捕獲效率超過99%。通過圖1和圖2對比可發(fā)現(xiàn)，當車速升高時，GPF的過濾效率下降，同樣在1 500 r/min工況下，當車速提高到80 km/h時，未裝GPF情況下PN排放約為2E6 個/cm3，安裝GPF后約為2E5 個/cm3，排放僅下降一個數(shù)量級，PN捕獲效率下降到90%。這主要是因為當車速升高時，進、排氣流量均增加，排氣流速的增加會導致顆粒排放物經(jīng)過GPF過濾體的時間縮短，顆粒物捕獲的有效時間縮短，從而導致GPF捕集效率降低。

圖1 不同車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，安裝 GPF RDE試驗過程PN排放

圖2 不同車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，未裝 GPF RDE試驗過程PN排放

單純從車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速并不能透徹反映車輛安裝/未裝GPF對RDE測試PN的影響，還應結合發(fā)動機運行特性對排放進行描述。圖3和圖4示出了不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，安裝/未裝GPF對RDE測試PN排放的影響。由圖3和圖4可以看出，GPF可有效過濾發(fā)動機低速、高負荷情況下的顆粒物，如在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000 r/min，70%負荷時，未裝GPF的PN排放大約為5E6 個/cm3，安裝GPF后，PN排放可降低到2E4 個/cm3，PN排放降低到原始排放1/250左右。由圖3和圖4還可以看出，在相同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，隨著發(fā)動機負荷降低，GPF的過濾效率下降，同樣在1 000 r/min工況下，當負荷降低到20%時，未裝GPF情況下PN排放約為6E6 個/cm3，安裝GPF后約為5E4 個/cm3，PN排放僅降低到原始排放1/120左右。這是因為隨著負荷的增加，發(fā)動機排氣溫度升高，排氣黏度增大的同時，顆粒物的布朗運動加強，這些條件對GPF顆粒物的捕獲非常有利。此外，通過圖3和圖4對比可發(fā)現(xiàn)，在相同發(fā)動機負荷下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加，GPF的過濾效率降低，如在發(fā)動機70%負荷下，當轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，安裝GPF 可將PN排放降低到原始排放1/250左右，當轉(zhuǎn)速提高到2 000 r/min時，未裝GPF的PN排放約2E6 個/cm3，安裝GPF后的PN排放為2E5 個/cm3左右，PN排放僅可降低到原始排放的1/10左右。這主要是因為當發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高時，排氣流速增加， GPF的捕集時間縮短，捕集效率降低。

圖3 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，安裝 GPF RDE試驗過程PN排放

圖4 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，未裝 GPF RDE試驗過程PN排放

2.2 對NOx排放的影響

因為安裝GPF會改變發(fā)動機的排氣背壓，影響發(fā)動機綜合性能，因此有必要對其他排放物進行分析。鑒于RDE試驗法規(guī)僅對NOx排放有限值要求，因此分析了GPF對RDE NOx排放的影響。圖5和圖6分別示出了車輛安裝GPF和未裝GPF情況下RDE試驗在不同車速及不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的NOx排放。由圖5和圖6可以看出，當安裝GPF后，在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速中等負荷情況下出現(xiàn)了明顯的NOx高排放區(qū)，部分工況下NOx排放超過350×10-6，而當未裝GPF時，在相同運行工況下，NOx排放不到100×10-6。這主要是因為安裝GPF后，發(fā)動機排氣背壓增加，這會造成泵氣功損失增加，泵氣不暢會導致殘余廢氣增加，燃燒不充分，從而導致排氣溫度的改變，進而影響到催化器溫度。

圖5 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，安裝 GPF RDE試驗過程NOx排放

圖6 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，未裝 GPF RDE試驗過程NOx排放

圖7和圖8分別示出車輛安裝GPF和未裝GPF情況下RDE試驗在不同負荷及不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的催化器溫度。由圖7和圖8可以看出，安裝GPF后，在相同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，催化器的溫度均有不同程度的降低，這將影響催化器的工作效率，最終導致圖5和圖6所反映出來的安裝/未裝GPF后NOx排放的變化及圖6安裝GPF時部分工況出現(xiàn)較高NOx排放區(qū)。以上變化綜合作用導致安裝GPF后總行程NOx排放升高(見表3)。

圖7 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，安裝GPF RDE試驗過程催化器溫度

圖8 不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷下，未裝GPF RDE試驗過程催化器溫度

3 結論

a) GPF可有效過濾PN排放，尤其是在低轉(zhuǎn)速、高負荷的發(fā)動機運行工況下，GPF可將PN原始排放降低兩個數(shù)量級；

b) 對于TGDI車輛而言，安裝GPF可大幅降低RDE總行程PN排放，因此GPF成為此類車輛可否滿足國六排放測試的關鍵后處理裝置；

c) 在國五TGDI車輛升級國六過程中，僅升級GPF可能會引起其他污染物排放(如NOx)的惡化，對于本車而言，安裝GPF影響了RDE行程中催化器溫度，最終導致總行程NOx排放的上升。

參考文獻：

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