潤滑油灰分對直噴汽油車GPF性能影響的試驗(yàn)研究*

潘金沖，華 倫，張文彬，林延松，張?jiān)讫?/p>

（1.清華大學(xué)蘇州汽車研究院（吳江），蘇州 215200； 2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

前言

缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機(jī)（GDI）具有更高的動力性和更好的燃油經(jīng)濟(jì)性［1-2］，市場占有率正在不斷的提高。但從現(xiàn)階段的研究與發(fā)展趨勢來看，GDI發(fā)動機(jī)在應(yīng)用層面仍舊面臨著許多問題，其中最嚴(yán)重的問題是顆粒物的排放特別是顆粒數(shù)量（PN）的增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國機(jī)動車顆粒物排放總量達(dá)到50.9萬t，汽油車排放在顆粒物中貢獻(xiàn)比例接近10%［3］，各地的限購、限行政策也在不斷實(shí)行，已成為大氣污染的重要源頭之一。所以，如何解決汽油車污染物排放尤其是GDI汽油車顆粒物排放已成為一個迫在眉睫的問題。

隨著《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》排放法規(guī)的正式頒布，標(biāo)志著我國正式步入汽油車超低排放實(shí)施階段。相比較國五排放法規(guī)要求，國六新增了更加適合中國道路實(shí)際情況和駕駛習(xí)慣的WLTC測試工況和RDE測試要求，同時在不區(qū)分進(jìn)氣道噴射（MPI）與缸內(nèi)直噴（GDI）車型的基礎(chǔ)上引入了更加嚴(yán)格的PN排放限值。綜合考慮以上因素，雖然GDI發(fā)動機(jī)會有不斷的技術(shù)更新和發(fā)展，但依靠傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)凈化和TWC技術(shù)已不能滿足未來更加嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，尤其是滿足顆粒物（PM與PN）的排放限值要求，而GPF技術(shù)被認(rèn)為是有效解決GDI發(fā)動機(jī)顆粒物排放的一種技術(shù)手段［4-5］。

但是在實(shí)際的應(yīng)用中，GPF仍舊面臨諸多問題，GPF的耐久特性被認(rèn)為是最關(guān)鍵的問題之一。影響GPF耐久的主要原因是灰分在GPF內(nèi)部的不斷積累且不能被去除，最終可能堵塞GPF從而嚴(yán)重影響整車的排放特性、動力性和油耗等重要指標(biāo)。近年來，國外有一些研究開始關(guān)注灰分對GPF耐久特性的影響［6-9］，但是國內(nèi)目前尚無類似研究出現(xiàn)，相對國外研究嚴(yán)重滯后。

本文中利用發(fā)動機(jī)臺架通過潤滑油與汽油相混合的摻燒方法對GPF進(jìn)行快速積灰，同時結(jié)合整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺架對沉積有灰分的GPF進(jìn)行了耐久特性研究，最后對沉積有灰分的GPF進(jìn)行CT掃描和XRF灰分成分分析，為今后GPF的快速老化評價及在整車的實(shí)際應(yīng)用提供了理論數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

臺架試驗(yàn)（GPF積灰試驗(yàn)）總體布置如圖1所示，主要包括汽油機(jī)、摻燒燃油系統(tǒng)、正常燃油系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)以及與實(shí)車排氣系統(tǒng)布置形式相似的TWC催化器和GPF催化器等。試驗(yàn)中摻燒燃油系統(tǒng)主要為積灰試驗(yàn)提供穩(wěn)定的潤滑油與汽油混合型燃油（由摻燒燃油系統(tǒng)供油進(jìn)行的試驗(yàn)簡稱為“摻燒試驗(yàn)”），該燃油直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室燃燒產(chǎn)生灰分；正常燃油系統(tǒng)為在一定摻燒試驗(yàn)后用以去除由摻燒試驗(yàn)帶來的缸內(nèi)、噴油器和火花塞積碳／積油等雜質(zhì)（由正常燃油系統(tǒng)供油進(jìn)行的試驗(yàn)簡稱為“正常燃油試驗(yàn)”），用以盡量恢復(fù)發(fā)動機(jī)重要零部件的原始工作狀態(tài)；補(bǔ)氣系統(tǒng)用以在適當(dāng)?shù)臅r間增加排氣中氧氣濃度，去除GPF內(nèi)沉積碳煙，保證最后僅有灰分沉積在GPF內(nèi)部。發(fā)動機(jī)為一臺增壓中冷型GDI汽油機(jī)，同時配置一輛與該發(fā)動機(jī)型號一致的GDI車輛，主要參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 GPF積灰試驗(yàn)簡要示意圖

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

正常燃油系統(tǒng)與摻燒燃油系統(tǒng)主要由油箱、濾清器、穩(wěn)壓罐、換向開關(guān)等組成，區(qū)別在于所供燃油不同；補(bǔ)氣系統(tǒng)由壓縮空氣源、流量計(jì)、調(diào)壓閥等組成，可以根據(jù)流量大小調(diào)節(jié)尾氣中的氧氣濃度。

表2 試驗(yàn)用整車主要參數(shù)

TWC催化器與GPF催化器采用OEM推薦型號，由康寧公司提供載體，均選取材料熱膨脹系數(shù)低、價格低廉、應(yīng)用最廣的堇青石，并涂覆貴金屬作為催化劑。具體參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)所用汽油為市售國V標(biāo)準(zhǔn)汽油，潤滑油為本試驗(yàn)發(fā)動機(jī)用潤滑油的濃縮油。

試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺配備恒溫恒濕環(huán)境艙，可用于滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的WLTC試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)用催化器主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)主要利用發(fā)動機(jī)臺架進(jìn)行GPF的快速積灰，利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺架對沉積有灰分的GPF進(jìn)行整車排放、動力、油耗、背壓等特性的試驗(yàn)研究。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后處理布置方式如圖2所示，試驗(yàn)總體流程圖如圖3所示。

試驗(yàn)前首先將濃縮潤滑油與汽油以一定比例混

圖2 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后處理布置方式

合作為摻混燃料存儲于油桶中，同時攪拌均勻取樣留存、分析；在發(fā)動機(jī)選定合理的試驗(yàn)工況后將摻混油作為燃料直接供給發(fā)動機(jī)，使其在缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生所需灰分，同時灰分經(jīng)排氣排出最終捕集在GPF內(nèi)；改變發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)，調(diào)整試驗(yàn)工況，進(jìn)行正常燃油試驗(yàn)，同時打開補(bǔ)氣系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣，從而將發(fā)動機(jī)缸內(nèi)、噴嘴等處沉積物及GPF內(nèi)的碳煙進(jìn)行燃燒去除；當(dāng)GPF內(nèi)灰分達(dá)到一定量時，停止發(fā)動機(jī)試驗(yàn)，將GPF放置在200℃的恒溫箱內(nèi)保溫除濕2h；除濕后所得GPF為純灰GPF，將該GPF重復(fù)稱量3次取平均值跟初始GPF質(zhì)量作對比得出最終的灰分捕集量；最后將GPF連同TWC催化器一起安裝至整車，進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓WLTC試驗(yàn)。重復(fù)上述步驟，直至完成所有試驗(yàn)。

本試驗(yàn)中汽油與濃縮油的摻比最高為0.5%，在GPF灰分量達(dá)到30，60和100 g左右（相當(dāng)于整車行駛10萬km，20萬km，33萬km）時進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，GPF內(nèi)灰分含量與整車行駛里程數(shù)按式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

式中：Mash為 GPF內(nèi)灰分含量，g；moil為整車實(shí)際道路行駛機(jī)油消耗量，L／萬km；a為機(jī)油中灰分含量；ρoil為機(jī)油密度，g／L；b為 GPF實(shí)際灰分捕集效率；Dv為整車模擬行駛里程數(shù)，104km。各參數(shù)取值如表4所示。

快速積灰試驗(yàn)方法首先以濃縮潤滑油為基礎(chǔ)，提高摻燒用潤滑油灰分含量（濃縮后的潤滑油灰分含量為4.8%），同時選擇較為溫和的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)工況，再輔助以“正常燃油試驗(yàn)”，以實(shí)現(xiàn)在較低的摻比條件下快速有效的積灰目的。

圖3 試驗(yàn)總體流程圖

表4 試驗(yàn)中各參數(shù)取值

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 GPF快速積灰

試驗(yàn)研究了發(fā)動機(jī)在某種工況下通過“摻燒試驗(yàn)”得到的GPF積灰速率與效率。圖4給出了在潤滑油與汽油摻比為0.5%條件下GPF積灰量隨著摻燒試驗(yàn)時間的變化趨勢以及通過計(jì)算得到的實(shí)際積灰效率（GPF捕集的灰分量／理論產(chǎn)生灰分量），并通過擬合得到了積灰效率曲線和摻燒時間與實(shí)際產(chǎn)生灰分的關(guān)系。

從圖4中可以看出，通過本試驗(yàn)的快速積灰方法達(dá)到100 g積灰量（等同33萬km的整車GPF老化）所需時間在140 h左右，且實(shí)際灰分沉積量與摻燒的時間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。同時，從積灰效率曲線圖可以得出，本試驗(yàn)的GPF積灰效率在試驗(yàn)開始階段呈現(xiàn)上升趨勢，在36 h左右基本趨于穩(wěn)定，并最終達(dá)到30%左右的積灰效率，主要原因是產(chǎn)生的灰分前期會沉積在GPF的前置部件（如缸內(nèi)、增壓器、TWC、波紋管、排氣管等，如圖5所示），且前置部件對灰分的捕集效率也是一個逐步穩(wěn)定的過程。

圖4 GPF快速積灰效率圖

圖5 灰分沉積位置圖

從圖4的分析可以看出：后續(xù)在GPF快速老化方案的設(shè)計(jì)中，可以從優(yōu)化排氣結(jié)構(gòu)、布置等角度出發(fā)，減少GPF的前置部件，使得模擬試驗(yàn)產(chǎn)生的灰分全部沉積在GPF內(nèi)部，從而增加GPF的積灰效率，縮短試驗(yàn)時間；但是從GPF的整車實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，前置部件反而將更加有利 GPF的耐久性能。

2.2 顆粒物過濾效率

圖6和圖7分別為GPF在不同灰分含量下的PM（顆粒物質(zhì)量）過濾效率結(jié)果。圖8和圖9分別為GPF在不同灰分含量下的PN（顆粒物數(shù)量）過濾效率結(jié)果。PM和PN排放均基于WLTC循環(huán)。

圖6 不同灰分量GPF對PM過濾效率影響

圖7 新鮮態(tài)GPF對PM過濾效率影響（無灰分）

圖8 不同灰分量GPF對PN過濾效率影響

圖9 新鮮態(tài)GPF對PN過濾效率影響（無灰分）

其中 G0，G30，G60，G100分別代表 GPF沉積 0，30，60和100 g的灰分含量；G0-1，G0-2代表 GPF在新鮮態(tài)（灰分量為0）下的前后兩次WLTC試驗(yàn)，G0-1在WLTC試驗(yàn)前僅經(jīng)過1次預(yù)處理（3個EUDC循環(huán)），G0-2與G0-1前后間隔1次FTP與1次NEDC試驗(yàn)。

從圖6和圖7中可以看出，本試驗(yàn)所用整車的原車PM排放可達(dá)到CN6a限值（4.5 mg／km）要求，在加裝GPF后PM排放可進(jìn)一步降低，達(dá)到CN6b限值（3.0 mg／km）要求。隨著灰分的不斷積累，GPF對PM的過濾效率在一定范圍內(nèi)（10萬km內(nèi)，G30）影響較為顯著，后逐漸趨向于穩(wěn)定。值得注意的是，對于新鮮態(tài)GPF的前后兩次WLTC試驗(yàn)，雖然GPF對PM的過濾效率較低，從38.1%上升至50.8%，但均能滿足國六法規(guī)限值要求。

從圖8和圖9中可以看出，與原車PM排放不同的是，試驗(yàn)用整車的原車PN排放值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國六法規(guī)限值（6×1011＃／km）的要求，為 2.4×1012＃／km。在加裝GPF后，PN的排放值有明顯的下降，但是可以發(fā)現(xiàn)GPF在完全新鮮態(tài)情況下的第一次WLTC試驗(yàn)仍舊面臨PN不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，PN排放值達(dá)到1.1×1012＃／km；在經(jīng)過兩次 WLTC試驗(yàn)后，GPF對PN的過濾效率快速上升，達(dá)到99.8%，排放值降低至3.6×109＃／km，滿足CN6b限制要求。從新鮮態(tài)GPF對PN過濾效率影響結(jié)果可以看出，GPF中極少量的碳煙累積（G0-2）就能極大提高GPF的PN過濾效率（幾乎達(dá)到100%）。

從以上的試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，GPF對PM的過濾效率的影響是一個循序漸進(jìn)的過程，在G30之前，隨著灰分沉積量和碳載量的增加，PM過濾效率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，并在之后的過程中趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到80%左右。但GPF對PN過濾效率的影響極易受到灰分沉積量和碳載量的影響，少量的碳煙累積（圖9中G0-2相比G0-1）就能顯著提高PN的過濾效率。PN過濾效率從GPF第1次WLTC試驗(yàn)（碳載量基本為0）的54.7%上升至 GPF第2次WLTC試驗(yàn)（中間間隔1次FTP與1次NEDC試驗(yàn)，已有一定碳載量）的接近100%，這可能主要體現(xiàn)為GPF由最開始的深層過濾轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺舆^濾，形成的碳煙層使得碳煙的捕集效率顯著提高。

2.3 背壓、油耗

針對不同灰分量GPF的整車進(jìn)行了排氣背壓、油耗試驗(yàn)研究。

如圖10所示，隨著GPF內(nèi)灰分加載量不斷增大，排氣系統(tǒng)最大壓差和GPF前后最大壓差同時呈上升趨勢，在灰分累積量為100 g時GPF前后壓差上升6.5 kPa，同時可以看出，系統(tǒng)壓差和GPF前后壓差呈“平行增長”趨勢，也就是說系統(tǒng)背壓的增大主要是由GPF背壓變化導(dǎo)致，而由TWC和管道導(dǎo)致的背壓變化相對較小?？傮w來說，安裝了GPF的整車在WLTC循環(huán)下，GPF內(nèi)部灰分的不斷積累對整車排氣系統(tǒng)的背壓并不會造成特別大的影響，符合OEM廠商對排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用要求。

圖10 不同灰分量GPF對排氣壓差影響

由圖11可以看出，隨著GPF內(nèi)部灰分的不斷增加，在WLTC循環(huán)下整車油耗分別為8.0，8.0，8.0和8.1 L／100 km，在100 g灰分量時油耗僅增加約0.1 L／100 km，相較G0-1變化率為1.25%，并未出現(xiàn)明顯的上升趨勢；同時相較于OEM排氣系統(tǒng)（整車WLTC油耗為8.1 L／100 km），帶有GPF的排氣系統(tǒng)（G0-1，油耗僅為8.0 L／100 km）整車的油耗略微下降，幅度為1.25%，這主要是由于UF-CGPF比UF-TWC具有較低的孔密度與較少的貴金屬涂覆量引起的。

圖11 不同灰分量GPF對油耗影響

綜合以上數(shù)據(jù)分析可以看出，安裝GPF系統(tǒng)并不會造成整車的油耗出現(xiàn)明顯的變化；同時隨著灰分的不斷積累，整車油耗與排氣系統(tǒng)背壓的變化也在可接受范圍之內(nèi)，能夠滿足未來 GPF國六20萬km的耐久應(yīng)用要求。

2.4 灰分分布與成分

試驗(yàn)分別使用CT與XRF對50 g／L的GPF內(nèi)部灰分分布與成分進(jìn)行了分析研究。

如圖12所示，對GPF從入口端到出口端延軸向進(jìn)行全尺寸掃描，在灰分含量達(dá)到50 g／L時，GPF內(nèi)部出現(xiàn)明顯的壁面灰分層與末端灰分塊，而灰分塊長度達(dá)到35 mm，且主要集中在中心區(qū)域，接近GPF長度的 1／3。

由圖13可以看到，通過快速積灰方法得到的灰分主要由CaO，P2O5等組成，兩者含量超過灰分總量的70%。同時，灰分組成中包括其他微量物質(zhì)在內(nèi)沒有任何C及其化合物存在。

圖12和圖13的結(jié)果與實(shí)車標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)（SRC）得到的結(jié)果［9］相比，具有較好的一致性，同時也說明了快速積灰方法能夠反映GPF的實(shí)車積灰情況。

圖12 GPF內(nèi)部灰分分布

圖13 灰分中各物質(zhì)比例

3 結(jié)論

本文中通過發(fā)動機(jī)臺架研究了GPF的快速積灰方法，分析了GPF的實(shí)際有效積灰效率；同時在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺架上研究了裝有不同灰分捕集量的GPF對整車顆粒物排放、背壓、油耗等影響；最后對50 g／L灰分量的GPF進(jìn)行了灰分分布與成分分析，得出的結(jié)論如下：

（1）通過“摻燒試驗(yàn)”與“正常燃油試驗(yàn)”相結(jié)合的手段建立一種快速積灰方法，該方法可以快速模擬GPF的灰分積累過程，并至少達(dá)到50 g／L的灰分捕集量，模擬整車33萬km的GPF耐久里程；

（2）使用快速積灰方法的GPF有效積灰效率最終穩(wěn)定在30%左右，其余灰分會沉積在增壓器、TWC催化器、波紋管、排氣管等前置部件中；

（3）灰分可以促進(jìn)GPF對顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的過濾，同時在沉積有50 g／L灰分后對顆粒物的過濾效率仍然保持高效，可以滿足CN6b限值要求；

（4）GPF后處理在明顯降低顆粒物排放達(dá)到國六限值要求的同時，不會對整車的排氣背壓、油耗等造成明顯影響；

（5）通過快速積灰方法得到的灰分主要分布在GPF末端特別是中心區(qū)域，CaO與P2O5為主要組成成分，與GPF實(shí)車灰分積累結(jié)果基本一致。