缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器低溫冰堵問(wèn)題試驗(yàn)研究

馮海濤 李光磊 曲函師 姜思君 陳俊杰

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：汽油機(jī)顆粒捕集器 低溫 結(jié)冰堵塞 低地板 緊耦合

1 前言

GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》將于2020年7月1日起實(shí)施，除對(duì)氣體排放物如HC、CO、NOx的排放限值降低約50%，顆粒物（Particulate Matter，PM）和粒子數(shù)量（Particle Numbers，PN）的限值更是對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更大的挑戰(zhàn)。汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)已成為市場(chǎng)主導(dǎo)產(chǎn)品，但其相比于進(jìn)氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生更多顆粒物，因此降低PN成為應(yīng)對(duì)中國(guó)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)所面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。

中國(guó)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡階段的PN限值尚能通過(guò)升級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)軟、硬件系統(tǒng)及優(yōu)化標(biāo)定控制參數(shù)進(jìn)行應(yīng)對(duì)[3]，但過(guò)渡階段結(jié)束后，汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）作為降低PN的有力手段必將被引入發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。此外，針對(duì)2023年即將實(shí)施的對(duì)實(shí)際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）的監(jiān)控，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)存在巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因此GPF被視為降低PN的主要技術(shù)手段而被逐步應(yīng)用到所有滿足第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輛[3-4]。

GPF在推廣使用過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題，某早期開(kāi)發(fā)車(chē)型的試驗(yàn)車(chē)在寒區(qū)進(jìn)行低溫標(biāo)定測(cè)試（該車(chē)輛主要進(jìn)行低速低負(fù)荷相關(guān)試驗(yàn)）過(guò)程中，車(chē)輛起動(dòng)怠速或低速行駛?cè)舾纱魏蟪霈F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法起動(dòng)現(xiàn)象，分段拆解分析后確認(rèn)GPF存在結(jié)冰問(wèn)題?？紤]到中國(guó)北方大部分城市冬季漫長(zhǎng)，部分用戶用車(chē)工況與此類(lèi)似，本文以一臺(tái)帶有GPF的V型GDI發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)GPF結(jié)冰堵塞問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了GPF冰堵判斷依據(jù)，并利用高原高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)、分析給出了解決方案，同時(shí)縮短了開(kāi)發(fā)周期。

2 GPF工作原理及吸水性分析

2.1 GPF工作原理

汽油機(jī)顆粒物主要由不同粒徑的碳煙組成，GPF通過(guò)壁流式過(guò)濾，應(yīng)用攔截和擴(kuò)散為主導(dǎo)的顆粒補(bǔ)集機(jī)制，通過(guò)各性能參數(shù)間優(yōu)化組合，過(guò)濾效率到達(dá)90%～98%[5-8]，壁流式過(guò)濾器如圖1所示。

圖1 GPF壁流式過(guò)濾器工作原理[9-10]

壁流式過(guò)濾器以其極高的過(guò)濾效率而被廣泛應(yīng)用，但同時(shí)也應(yīng)注意到，GPF在過(guò)濾顆粒的同時(shí)也能攔截水分，尤其是低溫環(huán)境下排氣系統(tǒng)后端溫度低，水蒸氣冷凝析出被GPF攔截并吸附儲(chǔ)存于組織內(nèi)部，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，隨溫度升高，冷凝水被再次氣化并隨高速尾氣氣流排出，而溫升速率與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及GPF布置形式強(qiáng)相關(guān)。

2.2 GPF吸水性能分析

目前，GPF載體材料主要是堇青石蜂窩陶瓷，該材料以其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)而具有熱膨脹系數(shù)低、密度小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、耐火溫度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于尾氣后處理系統(tǒng)[11-12]。但堇青石作為硅酸鹽礦物的一種，吸水率、孔隙率是其結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，研究表明，通過(guò)陶瓷吸水率測(cè)定儀測(cè)得堇青石的吸水率和孔隙率（加入ZrO2添加劑）如圖2所示。

圖2 堇青石蜂窩陶瓷的吸水率和孔隙率[12]

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

試驗(yàn)選用一臺(tái)帶有三元催化轉(zhuǎn)換器（Three Way Catalyst，TWC）及GPF的V型GDI發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示，排氣后處理系統(tǒng)布置方式如圖3所示，GPF采用低地板布置形式。利用高原高低溫環(huán)境模擬系統(tǒng)HQC-500（環(huán)境艙）進(jìn)行低溫冷凍試驗(yàn)；為建立GPF內(nèi)部溫度場(chǎng)模型，安裝若干溫度、壓力傳感器，如圖4所示；同時(shí)，安裝HORIBA FQ-2100DP油耗儀用于燃油消耗量記錄，配備METTLER TOLEDOXK3123電子天平用于GPF樣件稱(chēng)重，配備納博熱馬弗爐N500/85HA進(jìn)行GPF樣件烘烤。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣后處理系統(tǒng)布置

圖4 排氣系統(tǒng)溫度及壓力傳感器布置

針對(duì)該GPF樣件，通過(guò)進(jìn)氣量及燃油消耗量計(jì)算得到尾氣中的含水量，通過(guò)稱(chēng)重得到GPF內(nèi)水分的增量，進(jìn)而估算出GPF的吸水率，并建立與其他參變量間的關(guān)系，表2所示為該GPF樣件的性能參數(shù)。

表2 GPF性能參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案

主要應(yīng)用環(huán)境艙進(jìn)行低溫冷機(jī)怠速試驗(yàn)，控制環(huán)境艙內(nèi)目標(biāo)溫度分別為-30℃、-25℃、-20℃和-10℃，發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)并靜置后，根據(jù)不同的冷機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（120 s、300 s、600 s）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)前、后分別對(duì)GPF在目標(biāo)溫度下稱(chēng)重，得到GPF的基準(zhǔn)質(zhì)量及每次試驗(yàn)后的質(zhì)量增量，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行直到出現(xiàn)GPF冰堵而無(wú)法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)應(yīng)用ETAS軟、硬件系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫冷機(jī)怠速的各處溫升進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，建立GPF前、后及內(nèi)部的溫度場(chǎng)模型。試驗(yàn)后對(duì)GPF樣件應(yīng)用馬弗爐烘烤或運(yùn)行世界統(tǒng)一輕型車(chē)測(cè)試循環(huán)（Worldwide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC）進(jìn)行處理。

針對(duì)上述工況，本文應(yīng)用低地板和緊耦合兩種方案，并通過(guò)優(yōu)化標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 GPF冰堵問(wèn)題定性判斷

北方地區(qū)部分用戶單位與住宅距離近，冬季每天早、晚高峰時(shí)段低速行駛，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間過(guò)短而無(wú)法熱機(jī)，到達(dá)目的地后停機(jī)靜置時(shí)間長(zhǎng)，以相近溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)10次作為北方地區(qū)部分用戶的用車(chē)習(xí)慣?？紤]到低速行駛區(qū)域廣泛而不易規(guī)范化，且低速行駛相比于冷機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)由于排氣流量大且具有溫升速率快等優(yōu)勢(shì)，并非最苛刻的用車(chē)環(huán)境，從擴(kuò)展邊界條件考慮極端用戶體驗(yàn)，應(yīng)用低溫冷機(jī)怠速工況進(jìn)行摸底，因此以10次冷機(jī)起動(dòng)是否產(chǎn)生冰堵作為GPF冰堵的判斷依據(jù)。

首先在目標(biāo)溫度（-25℃和-30℃）下冷機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行300 s，停機(jī)靜置4 h，重復(fù)多次直至GPF出現(xiàn)冰堵。GPF布置方案為低地板和緊耦合兩種，低地板方案使用原標(biāo)定數(shù)據(jù)和特殊優(yōu)化后的標(biāo)定數(shù)據(jù)（提升怠速轉(zhuǎn)速和延長(zhǎng)催化器加熱時(shí)間等），結(jié)合用戶實(shí)際使用工況，低溫起動(dòng)10次以?xún)?nèi)產(chǎn)生冰堵現(xiàn)象，定為存在冰堵問(wèn)題；低溫起動(dòng)10次以上出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象，認(rèn)為不影響實(shí)際使用，可以接受。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 各方案冷機(jī)起動(dòng)次數(shù)與GPF冰堵的關(guān)系

由圖5可知，對(duì)于低地板布置方案，無(wú)論標(biāo)定數(shù)據(jù)優(yōu)化與否，在不同的目標(biāo)溫度下都會(huì)出現(xiàn)GPF結(jié)冰堵塞情況，區(qū)別在于起動(dòng)次數(shù)的差異，而緊耦合方案則不存在該問(wèn)題，GPF冰堵樣件及局部如圖6所示。

4.2 GPF水份累積定量分析

4.2.1 起動(dòng)次數(shù)對(duì)GPF水分累積量的影響

設(shè)定起動(dòng)溫度為-25℃，起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為300 s，研究起動(dòng)次數(shù)對(duì)GPF內(nèi)水分累積量、吸水效率及排氣系統(tǒng)各處溫升的影響，結(jié)果如圖7所示。由于試驗(yàn)以V型發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)GPF左、右兩側(cè)分支分別稱(chēng)重，對(duì)比兩側(cè)一致性，選取運(yùn)轉(zhuǎn)條件相對(duì)較差的一側(cè)作為研究對(duì)象。

圖6 GPF冰堵樣件及局部放大圖

圖7 GPF水增量、吸水率與起動(dòng)次數(shù)的關(guān)系

由圖7可知，在相同運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，燃燒產(chǎn)生等量水，GPF內(nèi)水分增重隨著起動(dòng)次數(shù)的增加而上升，吸水率也同時(shí)增長(zhǎng)，為了解釋其原因，給出排氣系統(tǒng)和GPF內(nèi)各處溫升曲線如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，每次起動(dòng)排氣出口和GPF入口處的溫升一致，說(shuō)明起動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)基本相同，而GPF內(nèi)部溫升隨起動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸降低，源于GPF內(nèi)吸熱時(shí)間增加，水分蒸發(fā)和冷凝相變歷程變長(zhǎng)，而排氣溫度低導(dǎo)致水的冷凝多于蒸發(fā)排出，更多水分聚集而產(chǎn)生冰堵問(wèn)題。由圖8可知，排氣系統(tǒng)左側(cè)分支溫升速率較右側(cè)分支緩慢，水分累積量較多，運(yùn)行條件更惡劣，故后續(xù)試驗(yàn)只針對(duì)左側(cè)分支進(jìn)行分析。

4.2.2 起動(dòng)溫度對(duì)GPF水分累積量的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選取第7次作為基準(zhǔn)起動(dòng)溫度研究溫升速率，主要包括-30℃、-25℃、-20℃和-10℃（-10℃驗(yàn)證未完成），試驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖12所示。

圖8 排氣系統(tǒng)各處溫升曲線

由圖12可知，GPF水分累計(jì)量和吸水效率隨起動(dòng)溫度的升高而降低，而各處溫升趨勢(shì)隨溫度的升高而加快，主要源于溫度的上升使得GPF內(nèi)水分冷凝結(jié)冰程度下降，蒸發(fā)速度變快，相變歷程縮短，更多水分轉(zhuǎn)化成水蒸氣隨尾氣排出而帶來(lái)吸水率降低。

4.2.3 起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)水分累積量的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選取-30℃起動(dòng)溫度和第7次起動(dòng)作為起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間研究的基準(zhǔn)，起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間模擬近距離低速行駛工況，主要包括120 s、300 s和600 s 3種時(shí)長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖9 GPF內(nèi)部各處溫升曲線

圖10 GPF水分累計(jì)量、吸水率與溫度的關(guān)系

圖11 排氣系統(tǒng)各處溫升對(duì)比曲線

圖12 GPF內(nèi)部各處溫升對(duì)比曲線

圖13 GPF水分累計(jì)量、吸水率與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系

由圖15可知，起動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)300 s時(shí)GPF水分累計(jì)量多于其他兩種工況，主要因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間短（120 s）未產(chǎn)生足夠多的水分，而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度的攀升使水分部分被氣化，吸水率隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，分析得出起動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)300 s時(shí)水分累積量最多，工況最?lèi)毫印?/p>

圖14 排氣系統(tǒng)各處溫升對(duì)比曲線

圖15 GPF內(nèi)部各處溫升對(duì)比曲線

4.3 優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)水分累積量的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選取-30℃第7次起動(dòng)并運(yùn)轉(zhuǎn)300 s作為優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)，研究?jī)?yōu)化怠速轉(zhuǎn)速對(duì)GPF內(nèi)水分累積量、吸水效率及排氣系統(tǒng)各處溫升情況的影響，結(jié)果圖16～圖18所示。

由圖18可知，GPF水分累計(jì)量和吸水效率隨怠速轉(zhuǎn)速的升高而降低，各處溫升趨勢(shì)隨優(yōu)化后怠速轉(zhuǎn)速的升高而加快，主要源于提升怠速轉(zhuǎn)速使得排氣溫度升高，更多水分轉(zhuǎn)化成水蒸氣隨尾氣排出而帶來(lái)吸水率降低。雖然GPF內(nèi)水分累積量有所下降，起動(dòng)次數(shù)增加同樣會(huì)帶來(lái)GPF冰堵問(wèn)題，且提高怠速轉(zhuǎn)速會(huì)帶來(lái)燃油經(jīng)濟(jì)性變差等問(wèn)題，不能根本解決冰堵問(wèn)題。

圖16 優(yōu)化標(biāo)定對(duì)GPF水分累計(jì)量、吸水率的影響

圖17 排氣系統(tǒng)各處溫升對(duì)比曲線

4.4 GPF布置方式對(duì)冰堵的影響

完成GPF冰堵情況的定性判斷和定量分析后，針對(duì)GPF低地板和緊耦合兩種布置方式進(jìn)行研究，試驗(yàn)布置方式及樣件如圖19、圖20所示，選取測(cè)試溫度-30℃和-25℃，起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間300 s，應(yīng)用原標(biāo)定數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，研究GPF布置方式對(duì)水分累積量、吸水效率、排氣系統(tǒng)各處溫升情況及氣流均勻性的影響，結(jié)果如圖21～圖23所示。

由圖23可知，GPF布置方式的差異帶來(lái)GPF水分累計(jì)量和吸水效率的顯著變化，緊耦合方案明顯優(yōu)于目前整車(chē)使用的低地板方案，其原因主要是緊耦合方案GPF距離排氣出口近，排氣溫度高，GPF內(nèi)部溫升速率極快，導(dǎo)致水分幾乎全部隨尾氣排出，吸水率極低，多次起動(dòng)也未出現(xiàn)水分凝結(jié)，可徹底解決GPF冰堵問(wèn)題。

圖18 GPF內(nèi)部各處溫升對(duì)比曲線

圖19 GPF低地板和緊耦合布置方案

圖20 GPF低地板和緊耦合試驗(yàn)樣件

圖21 GPF布置形式對(duì)冰堵問(wèn)題的影響

圖22 排氣系統(tǒng)各處溫升對(duì)比曲線

圖23 GPF內(nèi)部各處溫升對(duì)比曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)安裝GPF后處理系統(tǒng)，在中國(guó)北方地區(qū)冬季存在低溫GPF吸水導(dǎo)致結(jié)冰堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)V型GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究表明：隨著起動(dòng)溫度的降低、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的減少、起動(dòng)次數(shù)的增加會(huì)加劇GPF結(jié)冰堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)可緩解冰堵風(fēng)險(xiǎn)；緊耦合布置形式可徹底消除冰堵風(fēng)險(xiǎn)。