汽油機(jī)顆粒捕集器的快速積灰與灰分分析＊

林延松 李楠 潘金沖 華倫 沈小云

（1.燕山大學(xué)，秦皇島 066000；2.清華大學(xué)蘇州汽車研究院，蘇州 215000）

主題詞：GPF 快速積灰 灰分分析 汽油機(jī)

1 前言

GDI發(fā)動機(jī)的燃油噴射特性會直接或間接導(dǎo)致發(fā)動機(jī)尾氣顆粒物排放增加，其顆粒物排放質(zhì)量、數(shù)量均高于傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)和配置柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）的柴油機(jī)的顆粒物排放。2016年12月23日國家發(fā)布了國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，增加了汽油車排放顆粒物限制，顆粒物質(zhì)量（PM）的限值由4.5 mg/km減少至3.0 mg/km[1]。因此，汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）在未來幾年內(nèi)將成為GDI發(fā)動機(jī)后處理系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)配置。

在GPF工作過程中，累積到GPF內(nèi)的灰分無法通過再生去除，灰分的增加會影響GPF的過濾效率、再生性能，增大排氣背壓和發(fā)動機(jī)油耗。在GPF累積的灰分中，約有一半的灰分來自于潤滑油的消耗，而潤滑油中的灰分很大程度上來源于潤滑油中的添加劑[2]。本文以潤滑油產(chǎn)生的灰分為主要灰分源，提出一種對GPF進(jìn)行快速積灰的方法，為分析灰分含量對GPF過濾性能、整車性能以及再生特性的影響提供借鑒。

2 快速積灰方法

2.1 試驗(yàn)用燃料及設(shè)備

試驗(yàn)以燃油與高、低兩種灰分含量的潤滑油的摻混油作為發(fā)動機(jī)燃料，以達(dá)到GPF快速積灰的目的。表1為兩種摻混潤滑油的主要參數(shù)，試驗(yàn)用汽油為92號國Ⅴ汽油。

為排除碳煙對積累灰分的干擾，對試驗(yàn)裝置采用二次補(bǔ)氣，以實(shí)時對GPF進(jìn)行再生，并在補(bǔ)氣裝置下游安裝氧傳感器，對補(bǔ)氣后排氣中的氧含量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并利用相應(yīng)的傳感器對排氣管路中重要部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集。傳感器布置位置如圖1所示。

圖1 傳感器布置位置

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)采用緊耦合三效催化器（CC-TWC）配合催化型汽油機(jī)顆粒捕集器（UF-cGPF）的尾氣凈化方案，這種布置方案能夠滿足國Ⅵ排放法規(guī)的限值要求，此處不做贅述。TWC和GPF載體參數(shù)如表3所列。

表2 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

為保證發(fā)動機(jī)長時間穩(wěn)定運(yùn)行，采用普通汽油與摻混油交替作為發(fā)動機(jī)燃料的方式進(jìn)行試驗(yàn)，采用普通汽油的目的是清除摻混油燃燒過程中積累在缸內(nèi)未燃燒完全的碳煙，從而改善發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況。

表3 TWC和GPF載體參數(shù)

試驗(yàn)用測功機(jī)為凱邁電力測功機(jī)系統(tǒng)，其中冷卻液溫度控制系統(tǒng)及油耗儀等裝置的參數(shù)如表4所列。

表4 試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)

試驗(yàn)采用拆卸稱重的方式對GPF進(jìn)行定期稱重，以獲取GPF的灰分累積量。計重工具為雙杰TC20K-HB電子秤，計重精度為0.1 g。為防止波紋管凸凹處積累的灰分對稱重的影響，對原廠GPF進(jìn)行改裝，將波紋管與GPF進(jìn)行了分離。

GPF的稱重流程為：首先對GPF進(jìn)行激活，確定GPF的初始質(zhì)量；然后在每次灰分加載結(jié)束后，將GPF從排氣系統(tǒng)中拆離，放入200℃保溫爐中保溫1 h，以去除GPF中的水分，確保稱重的準(zhǔn)確性；保溫后對GPF稱重3次，取平均值作為最終質(zhì)量。

3 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工況的選擇

試驗(yàn)所用摻混油燃燒工況如表5所列，其中工況2[3]下改變摻混比例3次。

表5 發(fā)動機(jī)摻混油燃燒工況

工況1為發(fā)動機(jī)廠商推薦，此工況下發(fā)動機(jī)排放最佳。工況1共運(yùn)行56 h，期間被迫停機(jī)保養(yǎng)3次。3次停機(jī)保養(yǎng)均因?yàn)榘l(fā)動機(jī)扭矩出現(xiàn)較大程度波動，通過觀察發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)存在未燃液體，切換普通汽油燃燒一段時間后扭矩波動消失。原因可能為：高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況下，摻混油對噴油器的霧化效果和燃燒的充分性有較大影響，導(dǎo)致缸內(nèi)積累未燃液體，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行累積的未燃液體過多，最終使試驗(yàn)無法繼續(xù)進(jìn)行。但由于試驗(yàn)過程中除去扭矩波動時間段外，其它時間灰分都正常積累，因此該工況下積累的灰分認(rèn)為有效。

在工況1下被迫停機(jī)后，對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了手動清缸。主要對缸內(nèi)、活塞頂部以及進(jìn)排氣口處的固體附著物進(jìn)行清除，清缸后發(fā)動機(jī)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

清缸前、后對缸體各部分進(jìn)行稱重，計算出的4個缸的固體附著物質(zhì)量如表6所列。由表6可知，氣缸活塞頂部的固體物質(zhì)量均高于缸蓋的固體物質(zhì)量，通過檢測得到固體沉積物中灰分占比為18.9%，質(zhì)量為2 g。

表6 各缸積累固體顆粒物質(zhì)量 g

在工況2下保持0.25%摻比不變，運(yùn)行25 h，GPF增重1.1 g，捕集效率（即捕集到GPF中的灰分占總灰分的比例）為3.6%。將摻比調(diào)整至0.5%，其后再次調(diào)整至0.75%，捕集效率僅提高到5.8%，無法達(dá)到快速加載灰分的目的。

工況3下的摻比為0.75%，保證進(jìn)氣量為50 g/s左右，灰分的捕集效率提高到18%左右。持續(xù)以工況3為試驗(yàn)工況，捕集效率緩慢上升，最終穩(wěn)定至30%左右。

3種工況可概括分為高速中負(fù)荷、中速中負(fù)荷及低速中負(fù)荷。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于低速工況時，由于耗油量較小，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的總灰分較少，導(dǎo)致GPF中的灰分較少。另一方面，低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的排氣流量較小，產(chǎn)生的大部分灰分停留在GPF前端排氣管內(nèi)及缸內(nèi)，導(dǎo)致GPF的灰分捕集效率較低。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于高速工況時，活塞運(yùn)行更為劇烈，燃油的消耗率較高，單位時間內(nèi)受到摻混油的影響更多，因此發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀況較為惡劣，會出現(xiàn)缸內(nèi)嚴(yán)重積碳、淹缸、機(jī)油稀釋等問題。綜合考慮發(fā)動機(jī)處于中速中負(fù)荷下運(yùn)行更為穩(wěn)定。

發(fā)動機(jī)處于工況2時，潤滑油與燃油的質(zhì)量比由0.25%提升到0.75%，發(fā)動機(jī)排溫從670℃上升至720℃。由此可知，發(fā)動機(jī)排氣溫度會隨摻混比例的提升而升高。原因是發(fā)動機(jī)燃油摻混后使缸內(nèi)混合氣燃燒過程較為緩慢，火焰?zhèn)鞑ミ^程較慢，導(dǎo)致傳熱不充分，最終使得發(fā)動機(jī)排溫過高。也可能是摻混油的燃燒不完全，在排氣處產(chǎn)生后燃，從而導(dǎo)致尾氣溫度過高[4]。排溫過高現(xiàn)象在整個試驗(yàn)階段均存在，但不影響試驗(yàn)的進(jìn)行及灰分的積累。

4 快速積灰結(jié)果與討論

4.1 摻混油燃燒對發(fā)動機(jī)的影響

在快速積灰過程中，保證轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度不變進(jìn)行試驗(yàn)。測功機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，發(fā)動機(jī)在整個試驗(yàn)階段存在扭矩下降的情況。截取試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)，30 h的試驗(yàn)時間內(nèi)扭矩下降6.8%。這是由于燃燒摻混油導(dǎo)致發(fā)動機(jī)氣缸壁、活塞頂部以及進(jìn)排氣門處均附著一層灰分，對發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣效率、噴油霧化效果、燃燒效率均產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)整體效率的下降。

燃燒摻混油對發(fā)動機(jī)機(jī)油稀釋影響較大，以試驗(yàn)過程中某一階段的機(jī)油稱重結(jié)果及檢測結(jié)果為例，7 h的摻混油燃燒，發(fā)動機(jī)潤滑油增重在5.5%左右浮動，而送檢的樣品中汽油含量僅為3%左右。證明稀釋成分中有很大一部分的非汽油成分，分析可能是氣缸內(nèi)的燃燒產(chǎn)物以及摻混油中的機(jī)油成分通過缸壁及活塞環(huán)間隙進(jìn)入油底殼中[5-6]。稀釋數(shù)據(jù)見表7。

表7 機(jī)油稀釋數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，通過ECU監(jiān)測發(fā)動機(jī)點(diǎn)火提前角數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)存在小概率的爆震，但不影響試驗(yàn)進(jìn)行?？赡茉蚴牵焊變?nèi)累積了一層致密的灰分，影響缸壁的散熱；缸內(nèi)積灰過多，間接導(dǎo)致壓縮比提升；噴油器噴嘴累積灰分，影響燃油的霧化效果等。

由于試驗(yàn)屬于摸索階段，因此為保證試驗(yàn)的安全性，在試驗(yàn)進(jìn)行階段定期對缸內(nèi)、噴油器、火花塞進(jìn)行觀察。結(jié)果顯示，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行缸內(nèi)累積的灰分不斷增多；通過內(nèi)窺鏡觀察，2 h普通汽油燃燒能夠有效清除缸內(nèi)積碳，觀察結(jié)果如圖2所示。

圖2 2 h普通汽油燃燒前、后缸內(nèi)除碳效果對比

摻混油的燃燒同樣對噴油器與火花塞造成影響，表面均附著一層灰分與碳煙的混合物。但噴油器上的固體附著物并不影響發(fā)動機(jī)的燃油消耗，但會增加顆粒物（PM、PN）的排放[7]，因此并不影響積累灰分的合理性。

為保證試驗(yàn)的穩(wěn)定進(jìn)行，定期對火花塞進(jìn)行更換，更換周期為30 h。并且定期對噴油器進(jìn)行清理，保證噴油器的正常運(yùn)行。

4.2 GPF的積灰效率

以高灰分潤滑油的積灰過程為例，試驗(yàn)共進(jìn)行138.5 h，并定期對GPF按流程進(jìn)行稱重，總積灰量為105.2 g。其中燃油消耗率為12 kg/h，摻混比為0.75%，摻混潤滑油中的灰分含量為1.25%。通過計算可得出在整個試驗(yàn)周期內(nèi)灰分的捕集效率如圖3所示。

圖3 灰分積累量及積累效率

由圖3可以看出，灰分捕集量隨摻混油燃燒時間的增長而增加，捕集效率在開始階段陡峭上升，其后穩(wěn)定在28%左右。試驗(yàn)開始階段，由于排氣管路為清潔狀態(tài)，產(chǎn)生的灰分有很大一部分累計在GPF前端的排氣管路內(nèi)，導(dǎo)致初始階段捕集效率較低。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，GPF前端的排氣管路灰分累積達(dá)到“飽和”，更多的灰分開始累積到GPF中，導(dǎo)致捕集效率呈初始陡峭上升，其后穩(wěn)定波動的特點(diǎn)。

除沉積到GPF內(nèi)的灰分外，其余產(chǎn)生的灰分則沉積到缸內(nèi)、排氣管路中、波紋管縫隙處，或隨尾氣排出。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，排氣管路中的波紋管處可以累積大量的灰分及碳煙。

4.3 GPF的灰分分析

試驗(yàn)過程中，以20萬公里的實(shí)際行駛里程為目標(biāo)進(jìn)行快速積灰。經(jīng)計算，GPF中積灰總量達(dá)100 g時相當(dāng)于實(shí)車行駛20萬公里的灰分累積量。用高、低兩種灰分含量的潤滑油對兩個GPF分別積灰102 g與105.2 g。

積累灰分到目標(biāo)值后，在GPF的載體截面上取9個點(diǎn)，其中點(diǎn)1、4、8作為典型位置進(jìn)行分析，具體如圖4所示。在點(diǎn)1、4、8處取10 mm×10 mm的矩形區(qū)作為截面將載體沿軸向激光切割。將切割后的樣件沿軸向分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個區(qū)域。切割樣件如圖5所示。

將切割后載體按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域分為3段。將3段載體分別研磨后進(jìn)行XRF組分分析。由于樣本為載體與灰分的混合態(tài)粉末，考慮到主要分析部分為潤滑油產(chǎn)生的灰分，因此只關(guān)注樣本中Ca、P、Zn元素（因?yàn)镸o含量極低，在此不做分析）及其化合物的含量及分布。高、低灰分潤滑油產(chǎn)生灰分的XRF組分分析結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖4 GPF檢測區(qū)域劃分

圖5 切割樣件示意

由圖6可看出，在徑向上Ca、P、Zn化合物的含量隨采樣點(diǎn)半徑的增加而遞減。在軸向上P與Ca的化合物的分布形式相似，Zn化合物在點(diǎn)1、4處的分布從入口處依次增加，而在點(diǎn)8處沿軸向的分布幾乎相等。

從潤滑油的參數(shù)來看，潤滑油中P與Ca的含量分別為1 001×10-6與3 212×10-6，而GPF中累積的P元素與Ca元素的百分比含量平均為9.6%與6.2%左右，由比例分析可以得到GPF對Ca的捕集效率約為P的1/2。同理，GPF中累積的Zn元素的百分比含量為0.83%，而潤滑油中Zn元素含量為1 113×10-6，可得GPF對Zn元素的捕集效率約為P元素的1/8。

由上述分析可知，Zn的捕集效率較低，這可能是由于二烷基二硫代磷酸鹽（ZDDP）中一些成分的揮發(fā)性較高。ZDDP在早期分解生成富含P的薄膜和揮發(fā)性較高的含Zn副產(chǎn)物[8]，導(dǎo)致Zn元素隨尾氣排出。

由圖7可看出，在徑向上Ca、P、Zn化合物的分布與高灰分潤滑油產(chǎn)生的積灰效果相似，均沿徑向依次遞減。在軸向上P、Ca、Zn化合物的分布形式相似，在點(diǎn)1處分布沿軸向遞增；在點(diǎn)4處沿軸向依次遞減；而在點(diǎn)8處Ⅱ區(qū)域的含量較低，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域含量較高，其結(jié)果與高灰分潤滑油的積灰結(jié)果存在較大差異。推算得到GPF對Ca、P、Zn的捕集效率之比與高灰分潤滑油相同。

對比高、低兩種灰分含量潤滑油的積灰情況，發(fā)現(xiàn)隨著潤滑油種類的變化，GPF對3種元素的捕集效率的比例并未變化。在徑向上，各元素化合物在不同半徑（點(diǎn)1、4、8）內(nèi)分布的總量隨著半徑的增大而減少。

在軸向上，元素化合物的分布受外部條件變化的影響較為敏感。不同半徑上，化合物的軸向分布各不相同。軸向分布可能會受到包含質(zhì)量流量、溫度場、粒子的遷移特性以及元素的分布形態(tài)等因素的影響[9-10]。但總體來說高灰分潤滑油積累的灰分相對集中在中后端，前端較少；而低灰分潤滑油積累的灰分在軸向上較為平均。這可能是由于高灰分工況的平均質(zhì)量流量高于低灰分工況平均質(zhì)量流量的結(jié)果，導(dǎo)致灰分粒子更容易向中后方遷移。

在兩種潤滑油所積累的灰分中，都發(fā)現(xiàn)存在一定程度的Fe元素，但其分布特點(diǎn)與Ca、P、Zn的分布均不相同，這也證明了發(fā)動機(jī)磨屑在GPF的積累過程中是單獨(dú)存在的，檢測結(jié)果如圖8所示。在XRF元素分析中，還發(fā)現(xiàn)GPF中存在少量的硫化物。

圖8 GPF內(nèi)Fe2O3分布

將積灰后的GPF進(jìn)行比表面（BET）分析，高、低灰分潤滑油BET分析結(jié)果如圖9所示。由圖9a可看出，在軸向上，比表面數(shù)值逐漸減小，點(diǎn)1和點(diǎn)8的比表面積下降較快，而點(diǎn)4的比表面積變化較為緩和。由圖9b可看出，比表面積沿軸向逐漸遞增，點(diǎn)4和點(diǎn)8的比表面積上升較快，點(diǎn)1變化較為緩和。

圖9 高、低灰分潤滑油BET分析結(jié)果

通過以上分析可知，軸向上灰分的比表面積受外部因素影響較明顯，導(dǎo)致兩種潤滑油積累灰分的比表面積變化趨勢是相反的，這種相反的趨勢可能與顆粒物的遷移特性及再生周期等因素有關(guān)。

圖10為高灰分潤滑油積灰105.2 g后GPF的入口及出口端對比。由圖10可看出，GPF的孔道內(nèi)已經(jīng)累積了大量的灰分。相同孔道內(nèi)入口端的灰分明顯少于出口端的灰分累積，且越靠近載體中心，孔道末端的堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重。該趨勢與前面的元素分析結(jié)果相吻合。

圖10 積灰后GPF入、出口灰分分布對比

通過以上分析可知，對于潤滑油來源的灰分，GPF對灰分中Ca元素的捕集效率大約是P元素的1/2，而對Zn元素的捕集效率大約是P元素的1/8；Ca、P、Zn的化合物沿徑向逐漸減少，沿軸向分布受外部因素影響較大，變化較多；Fe元素的分布規(guī)律與Ca、P、Zn元素均不相同；孔隙率受外部因素影響較為明顯。

5 結(jié)束語

針對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，以潤滑油和汽油的摻混油作為發(fā)動機(jī)燃料，在發(fā)動機(jī)臺架上對GPF進(jìn)行快速積灰，并將積灰后的GPF切割進(jìn)行X射線熒光光譜分析及比表面積分析，得到了GPF對灰分中的Ca、P、Zn元素的捕集效率之比，以及灰分在GPF軸向、徑向的分布特點(diǎn)及孔隙率變化特點(diǎn)。該快速積灰為研究灰分含量對GPF過濾性能、整車性能以及再生特性的影響提供了方便。