基于燃燒器的GPF快速累灰測試方法及其應(yīng)用

鄧俊，李笑杰，李夢迪，李理光,2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海 201804)

0 引言

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提高[3]，國六排放法規(guī)的實施及對汽油機(jī)顆粒物排放的嚴(yán)格限制，使乘用車汽油機(jī)顆粒捕集器(Gasoline Particulate Filter，GPF)成為解決GDI汽車較高顆粒物排放問題的必備裝置[4]。由于發(fā)動機(jī)工作過程中，極少量機(jī)油會進(jìn)入燃燒室燃燒并隨廢氣一同排出，對發(fā)動機(jī)排放及后處理部件產(chǎn)生影響[5]?；曳殖煞譃闄C(jī)油各種添加劑中的鈣、磷、鋅等化合物[6]，無法通過再生的方式去除，只能將GPF從排氣系統(tǒng)中拆下用物理方法除去[7]，因此，探究機(jī)油灰分在GPF上積累的影響以及GPF的耐久性很有必要[8]。但灰分在GPF內(nèi)部沉積是一個漫長的過程，需要經(jīng)過長時間積累和再生后才能達(dá)到一定的累灰水平[9]，給科研工作帶來極大的不便。因此，探究灰分積累需要尋找一種快速、可靠的GPF快速累灰的方法。

2008年，Sloan汽車研究所的Alexander G.Sappok等人[10]設(shè)計了一個機(jī)油-柴油混合燃燒器，并將得到的尾氣與發(fā)動機(jī)尾氣一起通入DPF中來快速累灰，該臺架可在10 h內(nèi)達(dá)到40 g/L灰分積累量。2010年，NGK的Shuji Fujii[11]介紹了一種新的灰分快速積累方法，即在天然氣燃燒器及DPF之間補(bǔ)充顆粒物直徑為1.9～2.4 μm，密度為2.7～2.8 g/cm3的碳酸鈣顆粒，并將結(jié)果與文獻(xiàn)進(jìn)行比較，證明了所提出測試方法的有效性。2010年，Cambustion公司的TimHands等人介紹了一種基于燃燒器的柴油機(jī)顆粒物生成器[12]，該儀器每小時可以產(chǎn)生超過1.5 g的灰分顆粒，并且依靠真空泵調(diào)節(jié)燃燒器的燃燒壓力，使其不受DPF加載程度的影響。2019年亞琛工大Stefan Sterlepper等人設(shè)計了一個燃燒器試驗臺[13]，并與摻雜機(jī)油燃燒的實車試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明新的累灰方法與實車結(jié)果相當(dāng)，并發(fā)現(xiàn)在燃燒器中過大貫穿距將導(dǎo)致極小的顆粒主要聚集在GPF壁面，引起不合理的高背壓。

上述工作設(shè)計的快速累灰臺架，均可以較好地實現(xiàn)快速地捕集器累灰，但都僅能實現(xiàn)單一燃燒工況或手動進(jìn)行預(yù)設(shè)的幾個工況切換，無法自動實現(xiàn)精準(zhǔn)控制的任意工況。

本文設(shè)計并建立了一種可實現(xiàn)自動控制的任意燃燒工況的快速累灰臺架，在此臺架基礎(chǔ)上對GPF開展累灰測試，對樣件進(jìn)行了掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分析、能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析，并進(jìn)行了發(fā)動機(jī)臺架測試及整車上的全球輕型汽車測試循環(huán)(World-wide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC)試驗。

1 快速累灰臺架系統(tǒng)設(shè)計

本文基于燃燒器進(jìn)行了臺架設(shè)計與搭建，整體設(shè)計簡圖如圖1所示。臺架由燃燒器、油路、壓縮空氣、協(xié)流空氣、排氣管系統(tǒng)，以及GPF等組成，各部分放大圖如圖2所示。

燃燒器硬件部分最主要的部件為自行設(shè)計的基于空氣/燃油霧化燃燒方式的燃燒盤。為了滿足大比例摻混機(jī)油燃燒，燃燒盤的中心為一個四孔的空氣輔助霧化噴嘴，并在兩側(cè)對稱布置兩個圓弧狀協(xié)流孔。通過試驗結(jié)合仿真的方法，對噴嘴噴霧特性進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化噴嘴直徑和輔助空氣壓力可以改善燃油霧化，并實現(xiàn)了小油滴在燃燒器點(diǎn)火區(qū)域的均勻分布。通過仿真結(jié)果確定燃燒盤幾何尺寸及火花塞位置。

圖1 基于燃燒器的GPF灰分快速積累臺架設(shè)計

圖1是基于燃燒器的GPF灰分快速積累臺架設(shè)計簡圖，在GPF的累灰試驗中，需要實時監(jiān)控和記錄GPF前的溫度、壓力和排氣流量等數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)燃燒工況的自動控制?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集框架的搭建實現(xiàn)了傳感器的穩(wěn)定采集，在整個試驗過程中遠(yuǎn)程實時監(jiān)控并記錄采集數(shù)據(jù)，如圖3(a)。為實現(xiàn)進(jìn)氣流量及溫度的變化，搭建點(diǎn)火噴油及進(jìn)氣流量控制程序如圖3(b)、3(c)，測試循環(huán)綜合控制界面如圖3(d)，可以根據(jù)實際需求在手動控制和自動控制之間進(jìn)行切換。

圖2 燃燒臺架各部分結(jié)構(gòu)

(a)數(shù)據(jù)采集程序前面板

為實現(xiàn)指定排氣溫度，對燃燒器噴油工況進(jìn)行標(biāo)定，噴油量與著火邊界關(guān)系如圖4所示。圖中將噴油量脈譜圖分為三個區(qū)域：失火工況、燃燒不穩(wěn)定工況、燃燒穩(wěn)定工況區(qū)域。試驗中在穩(wěn)定工況區(qū)域?qū)崿F(xiàn)指定排氣溫度。

圖4 噴油量與著火邊界的關(guān)系

為了實現(xiàn)可控排氣流量，需要通過變頻器對供氣風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。其中，變頻器控制參數(shù)的整定包括提供協(xié)流進(jìn)氣量的大風(fēng)機(jī)和提供稀釋進(jìn)氣量的小風(fēng)機(jī)PID控制整定，經(jīng)過整定的風(fēng)機(jī)流量控制效果如圖5。

圖5 變流量的PID控制性能

當(dāng)變化梯度為50 m3/h時，相比于設(shè)定值，此時超調(diào)量穩(wěn)定在10%以內(nèi)，且階躍響應(yīng)下只有兩個較明顯的波峰，符合試驗過程中對變流量PID控制性能的要求。當(dāng)變化梯度從50 m3/h增大至100 m3/h時，此時超調(diào)量為18%，也在要求范圍之內(nèi)。當(dāng)變化梯度進(jìn)一步增大至150 m3/h甚至200 m3/h時，此時超調(diào)量也滿足通常30%以內(nèi)的要求。

此外，累灰試驗中會包含多種排氣工況，排氣工況的變化需要排氣溫度能夠快速變化并穩(wěn)定在設(shè)定值。因此在排氣工況變化時，不僅需要排氣流量的快速轉(zhuǎn)換，也需要排氣溫度能夠在較短的時間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)。圖6為通過噴油點(diǎn)火控制排氣溫度變化的PID控制性能圖。其中，350 ℃到600 ℃的設(shè)定溫度范圍也基本涵蓋了GPF積炭、累灰以及再生所需要的排氣溫度。

圖6 噴油點(diǎn)火控制排氣溫度變化的PID控制性能

在排氣流量與噴油點(diǎn)火均可實現(xiàn)控制的基礎(chǔ)上，對綜合排氣工況控制性能進(jìn)行驗證。采用6段排氣工況，每段持續(xù)300 s。試驗中為排氣溫度和排氣流量的響應(yīng)設(shè)置不同梯度值的工況點(diǎn)切換，目標(biāo)值根據(jù)圖5和圖6的試驗工況范圍進(jìn)行設(shè)定。1～2段排氣工況具有相同的排氣流量和不同的排氣溫度，可用來表示該臺架系統(tǒng)的恒流變溫控制性能，2～3段排氣可表示變流恒溫控制性能，3～4段、4～5段以及5～6段表示變流變溫過程，其中3～4段為升溫降流，4～5段為升溫升流。由圖7總體可得，該臺架系統(tǒng)能夠提供可控并穩(wěn)定的排氣工況。

圖7 排氣工況的控制性能

2 SEM及EDS分析

在實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，本文利用試驗臺架對表1中的9種機(jī)油與汽油進(jìn)行體積比1∶2的摻混，通過大幅度提高機(jī)油混合比例加速灰分的累積。進(jìn)行了不同程度的累灰試驗，并選取其中的部分樣件進(jìn)行了多種測試，從表中可以看出，機(jī)油灰分量的大小與金屬元素，尤其是鈣元素含量相關(guān)性較大[14]。

首先選取5號機(jī)油的四種不同灰分累積量的GPF進(jìn)行了掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分析，灰分載量0、11.4、19.1、30.6 g/L的捕集器分別記為A0、A1、A2、A3。為了研究灰分在捕集器內(nèi)的累積分布，對捕集器內(nèi)部不同位置取點(diǎn)進(jìn)行SEM測試。該檢測的電子受5 kV的電壓加速，工作距離9.7～11.2 mm不等，放大倍數(shù)均為50倍。

圖8為進(jìn)氣入口不同灰分積累量下的SEM圖像。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

對比進(jìn)氣端的四種灰分累積量的圖像，發(fā)現(xiàn)不同灰分累積量的捕集器孔道內(nèi)無明顯變化，說明灰分較難沉積在進(jìn)氣端，這是由于在入口端的氣體內(nèi)顆粒的流速較快，動能較大，無法通過重力等因素沉積下來。

如圖9所示為中部不同灰分積累量下的SEM圖像，在中部可以看到在10 g/L的沉積量和20 g/L的沉積量下，無法看到明顯的灰分沉積，但是在30 g/L的沉積情況下，可以看到少量的灰分沉積。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

表1 試驗機(jī)油參數(shù)

如圖10所示為出氣端不同灰分積累量下的SEM圖像，可以看出，隨著灰分累積量的增加，出氣端灰分累積越來越明顯，在灰分含量達(dá)到30 g/L時，出氣端的孔道已經(jīng)被灰分堵塞。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器 (c)A2捕集器 (d)A3捕集器

根據(jù)SEM圖可明顯觀測到汽油機(jī)顆粒捕集器中的灰分分布狀況為：灰分從進(jìn)氣端到出氣端逐漸變厚。隨累積量增加進(jìn)氣端厚度無明顯增加，中部和載體出氣端的孔道增厚較為明顯，灰分大部分堆積于載體出氣端的孔道內(nèi)。該現(xiàn)象說明隨著灰分捕集量的增加被捕集到的灰分向出氣端沉積。

如圖11所示為出氣端灰分沉積層的SEM掃描圖，該掃描圖的電子加速電壓為5 kV，工作距離分別為10.8 mm、10.9 mm，10.6 mm，放大倍數(shù)均為2000倍。

圖11 A捕集器出氣端灰分沉積層的SEM圖

從圖11中可以看出，隨著灰分沉積量的增加，灰分顆粒沉積的形狀越來越不規(guī)則。相比于30 g/L的灰分顆粒，10 g/L的灰分顆粒形態(tài)較均勻，大部分為均勻的球狀物，而30 g/L的灰分相互之間連成一片，形態(tài)不規(guī)則，粒徑較大。在粒徑方面，可以觀測到此次試驗在汽油機(jī)顆粒捕集器中形成的灰分沉積層顆粒粒度主要集中在1～5 μm之間。

為了研究不同元素在汽油機(jī)顆粒捕集器不同位置的分布情況，對A3捕集器的不同位置進(jìn)行了能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析。

如圖12所示為進(jìn)氣端測試位置外觀以及Ca、Zn、P元素地分布情況，從圖12中可以看出，Ca元素主要分布在圖片的上部，即灰分層當(dāng)中，而向內(nèi)部即載體壁方向Ca元素分布逐漸減少。Zn元素在灰分層分布稍多，但是總體在灰分層到載體壁方向上分布較均勻。P元素從灰分層到載體壁方向分布較多且較均勻。

(a)測試位置外觀 (b)Ca元素分布圖

如圖13所示為捕集器中部測試外觀和Ca、Zn元素的分布，Ca元素基本集中于灰分層中和涂層中，且灰分中的密度遠(yuǎn)高于涂層；Zn元素分布較為稀疏，灰分層中相對于涂層中分布較多，但總體比較均勻。

圖13 A3捕集器中部EDS分析圖

如圖14所示為出氣端的測試位置外觀和Ca、Zn、P元素分布圖。從圖14中可以看出，Ca元素很明顯密集地分布在灰分層中。Zn元素主要分布在灰分層與涂層中而且較為稀疏。P元素較為平均地分布在灰分層、涂層、載體壁中。

(a) 測試位置外觀 (b)Ca元素分布圖

綜合以上數(shù)據(jù)可以推測出5號機(jī)油引入Ca、Zn、P這三種主要元素到涂層和載體中的難易程度為P最易沉降，Zn其次，Ca元素最難沉降。

3 臺架試驗

在發(fā)動機(jī)臺架試驗中，選用了4號機(jī)油，進(jìn)行了6種不同程度的累灰。

為了研究GPF灰分加載量對GPF捕集效率的影響，選取1500 r/min、30%負(fù)荷率，測試0 g/L、2 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L和30 g/L灰分載量下的灰分捕集效率特性，結(jié)果如圖15所示。

圖15 灰分載量對GPF整體捕集效率的影響

在低灰分載量下，GPF捕集效率隨著灰分載量的提高有較快的提高。2 g/L灰分載量時捕集效率即可達(dá)到95.56%，5 g/L灰分載量時達(dá)到97.27%。在5 g/L灰分加載量之后，GPF捕集效率隨灰分載量的提升速度降低。10 g/L灰分載量時捕集效率達(dá)到98.51%，20 g/L達(dá)到99.22%，30 g/L達(dá)到99.64%，此時GPF可以將顆粒物數(shù)量降低2個數(shù)量級，具有顯著的后處理效果。

發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的顆粒物粒徑分布范圍較大，包含核膜態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物[15]，因此探究GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率，以及灰分對GPF捕集不同粒徑顆粒物的效率是否具有影響對于GPF的研究開發(fā)具有重要意義。對4號機(jī)油0 g/L和20 g/L灰分載量下GPF前后不同粒徑的顆粒物水平進(jìn)行了統(tǒng)計，計算了GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率。

對0 g/L和20 g/L灰分載量的GPF捕集效率進(jìn)行分析，如圖16所示，可以看出兩種灰分載量下，捕集效率最低的顆粒物直徑范圍均為200 nm上下，但20 g/L灰分載量時的最低捕集效率已達(dá)到85%，遠(yuǎn)高于新鮮GPF的67.5%的最低捕集效率?？梢娀曳钟捎诔练e在GPF孔隙中，減小了孔隙直徑，因此顯著提高對小粒徑顆粒物的捕集效率，并整體提高了GPF的捕集效率。

圖16 不同灰分載量GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中排氣背壓是一個重要設(shè)計指標(biāo)，其對發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性以及振動噪聲均具有重要的影響[16]。高排氣背壓會升高氣缸內(nèi)的殘余廢氣系數(shù)，導(dǎo)致較低的充量系數(shù)，造成燃燒惡化，并會增加排氣阻力，提高泵氣損失，降低了發(fā)動機(jī)功率輸出和燃油經(jīng)濟(jì)性。加裝GPF將導(dǎo)致排氣背壓增高，帶來更高的泵氣損失等問題。且隨著灰分沉積量的增加，GPF壓降也將隨之增大。

探究灰分對GPF前后壓力損失(壓降)的影響，不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷率及灰分載量下，GPF前后壓降如圖17所示。

從圖17中可以看到，GPF壓降總體隨灰分載量增加而升高，但每個階段升高幅度不盡相同。在灰分積累初期，灰分增加對GPF壓降值影響很大，5 g/L灰分已經(jīng)使GPF壓降增加了近1.3 kPa。之后壓降增長率略有下降，5～10 g/L灰分載量之間，5 g/L的灰分增加使GPF壓降值增長了約0.5 kPa。而在10 g/L灰分載量之后，灰分增加對壓降升高影響減弱，10～30 g/L灰分載量之間，20 g/L的灰分增加量僅使GPF壓降升高了0.35 kPa。

發(fā)動機(jī)的燃油消耗率受排氣背壓的影響，在不同灰分載量及不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷率下的燃油消耗率如圖18所示。

圖18 不同灰分載量及發(fā)動機(jī)負(fù)荷率下的燃油消耗率

從圖18中可以看到，同一工況下燃料消耗率隨灰分載量的增加而增加，并隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，灰分載量對燃油消耗率的影響加劇。在中低負(fù)荷率下，30 g/L灰分提高約4%燃油消耗率，而在90%大負(fù)荷率下，30 g/L灰分對燃油消耗率的提高則達(dá)到7%。

由于GPF前形成一定高壓區(qū)，發(fā)動機(jī)排氣受阻，尾氣中的熱量無法及時地隨氣流排出，因此在相同的動力輸出下，GPF前的尾氣溫度隨著灰分載量的增加而有一定量的升高。不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷率及灰分載量下的GPF前端的溫度如圖19所示。

圖19 不同發(fā)動機(jī)負(fù)荷率及灰分載量下GPF前端溫度

4 整車試驗

選取了5號機(jī)油的3種梯度的灰分積累量的捕集器并使用3號和8號機(jī)油累灰至30 g/L的捕集器進(jìn)行整車WLTC循環(huán)的排放測試，5號機(jī)油累灰GPF即前文的A0、A1、A2、A3捕集器，3號和8號機(jī)油30 g/L累灰的GPF記為B和C捕集器，研究了不同灰分累積量和不同灰分來源對PN、PM排放的影響。

如圖20所示為配備了A0、A1、A2、A3捕集器的整車PN排放秒采值，從圖中可以看出，顆粒物排放主要集中在第1階段中的冷啟動階段，此時PN排放有一個極高的峰值，隨后急劇降低。由于車輛原排較低，不同灰分積累件PM、PN測試值未顯示出應(yīng)有的差異，顆粒物捕集效率均超過了98%，PM、PN均處于同一數(shù)量級。秒采數(shù)據(jù)顯示與新鮮捕集器相比，積累灰分后的捕集器整車測試過程中秒采峰產(chǎn)生了極大的下降，降幅從原峰值約400 個/厘米3附近降低至50 個/厘米3以下。峰型也產(chǎn)生了變化，A1、A2捕集器峰型由毛刺狀變?yōu)橛筛咧饾u降低的斜坡狀，PN秒采值均在300 s處接近于0，而A3捕集器PN趨勢顯示為了擁有多個峰值的峰型，在300～600 s階段其值在0～10 個/厘米3波動，但是總體排放相對于新鮮捕集器有所降低。以上現(xiàn)象均表明，經(jīng)過灰分積累后的捕集器變得更加有利于顆粒物的捕集。

圖20 配備A系列捕集器的整車WLTC循環(huán)測試顆粒物排放數(shù)量秒采值

如圖21所示，為配備了A0、A3、B、C四種捕集器的整車顆粒物排放秒采數(shù)據(jù)。從圖21中可以看出，相比于新鮮捕集器，積累灰分后的B、C捕集器整車測試過程中秒采峰產(chǎn)生了極大的下降，降幅從原峰值約400 個/厘米3附近降低至50 個/厘米3以下。峰型也產(chǎn)生了變化，峰型由毛刺狀變?yōu)橛筛咧饾u降低的斜坡狀，PN秒采值均在300 s處接近于0，而A3捕集器的顆粒物排放數(shù)量的峰形雖然在低速段有多個峰值，但整體排放也遠(yuǎn)低于新鮮GPF，并逐漸降低后在300～600 s階段低于10 個/厘米3。以上現(xiàn)象均表明，不同灰分來源對GPF的捕集效率影響并不顯著，經(jīng)過不同灰分積累后的捕集器均可十分有效地對顆粒物進(jìn)行捕集。

圖21 配備不同灰分累灰來源的捕集器的整車WLTC循環(huán)測試顆粒物排放數(shù)量秒采值

5 總結(jié)

(1)本文設(shè)計并搭建了一個基于燃燒器的GPF灰分快速積累的后處理臺架系統(tǒng)，實現(xiàn)了機(jī)油∶汽油體積比為1∶2條件下穩(wěn)定燃燒，并實現(xiàn)了自動控制各種燃燒工況的功能。

(2)進(jìn)行了九種機(jī)油的累灰試驗，并選取5號機(jī)油累灰至3個灰分梯度進(jìn)行SEM、EDS分析，SEM結(jié)果表明：灰分大部分沉積在出氣端孔道內(nèi)，灰分沉積層粒度主要在1～5 μm；EDS分析結(jié)果表明：相比于Ca元素、Zn元素和P元素更容易沉降到涂層和載體層。

(3)GPF對不同粒徑的顆粒物捕集效率存在差異，200～300 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物被捕集的效率較低。但灰分的積累可以有效提升300 nm以下粒徑范圍內(nèi)的顆粒物捕集效率。灰分的積累會提高GPF壓降，在不同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷下導(dǎo)致油耗不同程度地提高。

(4)研究了不同灰分累積量與灰分來源對整車排放的影響，結(jié)果表明：捕集器在30 g/L水平累灰后，PN捕集效率均大于98%，而不同灰分來源對GPF捕集顆粒物的效果無明顯影響。