發(fā)動機顆粒排放和再生頻率對汽油機顆粒捕集器效率的影響

F.ADAM J.OLFERT K.F.WONG S.KUNERT J.M.RICHTER

汽油機顆粒捕集器（GPF）是1種重要的排放后處理系統(tǒng)，能使汽油缸內直噴（GDI）發(fā)動機達到現(xiàn)行的排放標準。現(xiàn)行標準規(guī)定的非揮發(fā)性顆粒物直徑大于23.0 nm。然而，隨著排放法規(guī)的逐漸嚴格，GPF過濾效率需要進一步提高，并且可能會對直徑低至10.0 nm的非揮發(fā)性顆粒物排放進行限制。GPF過濾效率取決于在發(fā)動機運行期間聚集在GPF上的炭煙量。在車輛運行期間，當排氣溫度足夠高且含有足夠的氧氣時，GPF通常是“被動”再生的。研究了發(fā)動機廢氣顆粒數(shù)排放（PN）和GPF再生頻率對GPF過濾效率的影響。采用2種GPF技術，分別在2臺發(fā)動機臺架上進行了測試，并匹配2臺量產車在轉轂臺架上進行了測試。試驗發(fā)動機顆粒物排放數(shù)量分布的帶寬很廣，幾乎達到1個數(shù)量級，更具實際排放代表性。GPF的過濾效率通過符合規(guī)定的顆粒數(shù)系統(tǒng)（非揮發(fā)性顆粒直徑大于23.0 nm、下限為2.5 nm）的粒子計數(shù)器，以及差分遷移率光譜儀進行測量計算獲得。結果顯示，GPF有規(guī)律地達到可再生的條件，并且GPF的平均駕駛循環(huán)過濾效率高度依賴于發(fā)動機顆粒物排放量;當發(fā)動機顆粒物排放量增加約1個數(shù)量級時，GPF的過濾效率顯著提高。研究表明，根據(jù)發(fā)動機顆粒物排放量選擇合適的GPF技術非常重要。

顆粒物排放;汽油機顆粒捕集器;過濾效率;尺寸分布;缸內直噴汽油機

0 前言

歐盟引入汽油直噴（GDI）發(fā)動機的顆粒數(shù)（PN）限值，始于2014年9月的歐六排放法規(guī)，采用新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）的PN限值為6×1011 /km。2017年9月，隨著更嚴苛的全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（WLTC）和實際行駛循環(huán)（RDE）工況的引入，該法規(guī)變得更加嚴格。WLTC工況試驗結果顯示，未安裝汽油機顆粒捕集器（GPF）的大多數(shù)車輛，其PN排放量超過了排放限值。因此，對于不同的發(fā)動機顆粒物排放水平，GPF需要有1個最低的過濾效率，以滿足現(xiàn)有排放限值法規(guī)。

GPF過濾效率取決于捕集器性能和顆粒物性質。顆粒物沉積機理包括：擴散、碰撞、攔截、熱泳和靜電沉積[1]。顆粒物沉積作用效果取決于顆粒大小、密度、形態(tài)、排氣流量，以及過濾器特性（例如孔隙度、孔徑等）[2-5]。過濾器過濾效率也會因顆粒物在過濾器上的累積而顯著改變。眾所周知，在柴油機顆粒捕集器（DPF）中，炭煙顆粒物聚集在DPF表面，形成炭煙層。作為過濾介質，炭煙層大大提高了DPF的過濾效率[6]，并在GPF中也能觀察到類似的現(xiàn)象[7]。如果過濾器上的炭煙層過厚，則過濾器的壓降增加，發(fā)動機效率降低。通過氧化炭煙，可以定期清除（再生）炭煙層。在柴油發(fā)動機中，如果排氣溫度足夠高，過量的O2和排氣中的NO2會導致炭煙氧化。柴油機排氣溫度通常比再生所需溫度低，因此主動再生策略通常需要向DPF提供再生所需要的高溫[8-10]。

另一方面，GDI發(fā)動機大多在接近化學當量比的條件下運行，這會導致較高的排氣溫度，而且排氣中幾乎沒有O2。然而，在常規(guī)駕駛過程中，發(fā)動機在減速時會切斷燃油，從而導致富氧廢氣流經后處理系統(tǒng)，這樣可以被動地再生GPF。同時，也有研究提出了主動再生策略。

Boger等研究了GPF中炭煙的氧化過程，并進行了道路試驗以確定炭煙氧化速率。該試驗發(fā)現(xiàn)，在城市和高速公路行駛過程中，即使排氣溫度低于400 ℃，GPF通常也會被動再生。同時，在駕駛過程中，發(fā)動機斷油是相當頻繁的。由于在駕駛過程中沒有研究炭煙的積累或氧化過程，GPF的過濾效率會如何變化并不清楚。

Chan等進行了2輪研究，在對量產車輛上的GPF進行改裝后，在轉轂臺架上試驗研究了其過濾效率。在這些試驗中，量產車輛（沒有加裝GPF）首先在轉轂上進行試驗，測量車輛排放，然后將GPF改裝到車輛上。假設安裝GPF后發(fā)動機排放沒有變化，研究人員對車輛重新測量排放，并計算過濾效率。研究人員對2輛車進行了試驗，發(fā)現(xiàn)2輛車在FTP75試驗循環(huán)中似乎沒有出現(xiàn)GPF再生，而在US06試驗循環(huán)中似乎觀察到了GPF再生。

①為了符合行業(yè)計量習慣，本文仍沿用部分非法定單位——編注。

上述研究表明，GPF是被動再生的，目前還不清楚再生發(fā)生的頻率，以及炭煙在GPF上的累積在多大程度上影響了GPF的過濾效率。有研究[2]假設，因為再生如此頻繁，發(fā)動機排出的炭煙量足夠小，以至于在GPF中的炭煙層對過濾效率的影響很小。然而，如果再生次數(shù)較少，或者如果炭煙累積率較高，則可以預計GPF效率將隨著炭煙在過濾器中的累積而增加。

本研究擴展了Chan等人的工作，并探討了發(fā)動機顆粒物排放、GPF再生的頻率，以及再生時間對GPF過濾效率的影響。在底盤測功機上，試驗人員將2種GPF技術分別應用于2臺量產車輛上，并在2臺發(fā)動機臺架上對2種不同駕駛循環(huán)下的運行工況進行了測試（始終在22 ℃下冷起動）。試驗人員測量了顆粒物排放、過濾效率、再生的頻率和持續(xù)時間，并了解炭煙累積如何影響GPF效率的全過程。

1 試驗方法

1.1 發(fā)動機和后處理系統(tǒng)

如表1所列，研究人員在4臺汽油直噴發(fā)動機上進行了試驗。這些發(fā)動機具有不同的顆粒物排放認證等級。在轉轂臺架上，試驗人員測試了2輛配備了GPF的量產車輛（搭載發(fā)動機A和發(fā)動機B）。在發(fā)動機臺架上，試驗人員測試了發(fā)動機C和D。全部發(fā)動機在WLTC（冷態(tài)）或冷態(tài)激烈行駛循環(huán)（RTS95）下進行測試，以產生具有寬廣濃度范圍和再生條件的發(fā)動機排放。

大多數(shù)現(xiàn)代汽油機后處理系統(tǒng)由三元催化器（TWC）和GPF組成。本研究中測試的后處理系統(tǒng)包括布置在第一緊耦合位置（CC1）的TWC和布置在第二緊耦合位置（CC2）的GPF。本研究對2種帶TWC的GPF進行了測試。表2為TWC和GPF的相關技術參數(shù)。2種GPF均由相同的壁流式載體構成，壁厚為0.2 mm，貴金屬含量較低，2種GPF容積相似。2種GPF的主要區(qū)別在于其中1種GPF是量產的，另1種GPF為新開發(fā)的，具有更先進技術，分別標記為“GPF-1”和“GPF-2”。試驗內容包括在1輛車上測試2種GPF，并在2臺發(fā)動機上測試2種GPF。

1.2 顆粒測量系統(tǒng)

如圖1所示，使用顆粒儀器直接測量3個位置的PN排放：TWC上游（位置500）、TWC和GPF之間（位置520）和GPF下游（位置600）。試驗采用Horiba公司符合顆粒物計數(shù)（PMP）標準的固態(tài)顆粒計數(shù)系統(tǒng)（SPCS）測量直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒數(shù)濃度。試驗人員對SPCS系統(tǒng)進行了改進，使超細冷凝粒子計數(shù)器（TSI公司，型號CPC3776）可以與普通粒子計數(shù)器同時進行測量。CPC3776的測量顆粒直徑下限為2.5 nm。由于CPC3776位于SPCS中揮發(fā)性顆粒移除設備的下游，因此其測量了直徑大于2.5 nm的所有固態(tài)顆粒的粒子數(shù)濃度。在本研究中，不論其實際的物理或化學成分如何，固態(tài)顆粒的定義和PMP一樣，是指排氣經過SPCS系統(tǒng)中的揮發(fā)性顆粒移除設備處理后，由顆粒計數(shù)器計數(shù)的顆粒。因此，CPC3776可以用來測量廢氣后處理系統(tǒng)所有直徑大于2.5 nm的固態(tài)顆粒物的過濾效率。此外，試驗人員還使用1臺差分遷移光譜儀（DMS，Cambustion公司DMS500）實時測量4.9～1 000.0 nm范圍內的顆粒物尺寸分布。所有粒子儀器在測試前都經過廠家校準。

DMS有自己的排氣采樣處理系統(tǒng)。先樣本將進行一級稀釋，接著用加熱的取樣管在190 ℃下轉移到儀器中，再進行二級稀釋，然后進行測量。當樣本在取樣管路中稀釋和轉移時，許多氣溶膠過程可能發(fā)生，如成核、蒸發(fā)或冷凝。這取決于氣相和顆粒相濃度及樣本在取樣系統(tǒng)中的時間-溫度特性。取樣的發(fā)動機排氣通常非常熱（>500 °C），因此樣本在通過取樣系統(tǒng)并進行測量時要進行冷卻和稀釋。與SPCS取樣系統(tǒng)不同，DMS不會有意去除揮發(fā)性顆粒，也不會有意抑制其成核，因此揮發(fā)性顆粒由儀器測量。此外，DMS的粒徑分布也可以進行整合，以獲得直徑大于4.9 nm的固體和揮發(fā)性顆粒的總顆粒數(shù)。

所有儀器都在每個后處理系統(tǒng)3個取樣位置進行了測量，即在TWC之前（位置500）、TWC和GPF之間（位置520）和GPF之后（位置600）。測量儀器在每個測點會進行3～6次測試。不確定度分析解釋了在一些系統(tǒng)測試中樣本大小不同的原因。本研究中給出的誤差，代表95%置信度的不確定度。

過濾效率η定義為從排氣中去除的顆粒的分數(shù)，計算公式如式1。

η=1-NoutNin（1）

式中：Nin和Nout分別是進出后處理裝置的每公里顆粒數(shù)排放量。該公式用于確定TWC、GPF或TWC+GPF組合系統(tǒng)的過濾效率，并采用不同測試循環(huán)檢測每個測量位置的顆粒物排放量。

對于發(fā)動機試驗，研究人員使用2個SPCS系統(tǒng)，其中1個SPCS系統(tǒng)放置在所有試驗的TWC上游。在這種情況下，過濾效率是通過比較SPCS系統(tǒng)實時測量值得到的，因為這樣可確保較低的不確定度。2個SPCS系統(tǒng)之間存在系統(tǒng)偏差，過濾效率計算如式2。

η=1-K·NoutNin（2）

式中：K為2個SPCS系統(tǒng)之間的校正系數(shù)。當2個SPCS系統(tǒng)放置在發(fā)動機排氣處（位置500）時，確定每個發(fā)動機的校正系數(shù)及其不確定度。

1.3 其他測試

試驗人員實時測量了GPF排氣中的氧濃度。GPF的溫度是由布置在中心線和距離GPF正面25 mm處，直徑0.5 mm的熱電偶測量的。熱電偶通過GPF的背面安裝，以避免通道損壞。

2 結果與討論

2.1 再生條件

圖2給出了發(fā)動機A運行RTS95激進工況行駛循環(huán)的示例數(shù)據(jù)。如圖2所示，在車輛減速期間，GPF后的氧濃度數(shù)值經常上升到大于5%，這與發(fā)動機斷油相關。圖2還顯示，在行駛不到1 min內，GPF溫度達到500 ℃以上。Boger等指出，如果排氣中有足夠的O2，即使在低于400 ℃的溫度下，GPF也可以氧化炭煙。在較高的溫度下，炭煙將以更高的速率氧化。由圖2可知，在行駛循環(huán)期間，共有32次氧濃度高于5%，即每分鐘略多于2次。GPF溫度高于500 ℃，這些情形的總時間累計為133 s，占總行駛循環(huán)時間的15%。因此，GPF經?？梢赃_到可再生的條件。

在表3所示的2個行駛循環(huán)中，可觀察到其他發(fā)動機也具有類似現(xiàn)象。如表3顯示，試驗中的GPF達到再生的條件為：溫度大于500 ℃，氧濃度大于5%，平均再生頻率為每分鐘1.17～2.47次，約占行駛循環(huán)時間的11.5%～26.7%。試驗人員對1臺發(fā)動機進行了WLTC行駛循環(huán)試驗，并與激進的RTS95行駛循環(huán)作了對比。就平均數(shù)而言，WLTC行駛循環(huán)具有更低的再生頻率和較低的再生時間比例。此外，即使運行相同的行駛循環(huán)，不同發(fā)動機之間也存在一定程度的差異。例如，在RTS95循環(huán)中，各發(fā)動機的GPF再生頻率范圍為每分鐘1.67～2.47次，約占平均駕駛時間的14.7%～26.7%，其中下限值（發(fā)動機B）接近WLTC行駛循環(huán)（發(fā)動機D）的試驗結果。

表3還列出了在連續(xù)行駛循環(huán)試驗期間，GPF相對壓差的變化。每臺發(fā)動機的第1次測試是采用干凈的GPF，然后對GPF進行額外的11～17次測試，在測試之間不對GPF進行調節(jié)或再生。因此，如果在每個行駛循環(huán)中都有炭煙的累積，那么通過GPF的壓降預計會隨著多次測試而增加。然而，如表3所示，在試驗過程中，有些壓差略有增加，而有些壓差則略有下降。幾次試驗測量的壓差差異約為5%。在每個行駛循環(huán)中，似乎沒有明顯的炭煙累積。此外，研究人員預計在每經歷1個測試循環(huán)后，GPF壁上會持續(xù)累積炭煙，然而實際所測得的過濾效率并沒有增加。在整個行駛循環(huán)中，炭煙的凈累積量為零或非常小，這與再生條件的實際情況相一致。通過該研究可以觀察到，預加載炭煙的GPF在正常駕駛期間將存在炭煙質量的凈損失。

2.2 顆粒物尺寸分布

通過DMS設備測量的4臺發(fā)動機顆粒物排放尺寸分布如圖3所示，縱軸表示在整個行駛循環(huán)中計算的每種尺寸等級下每公里的顆粒數(shù)排放數(shù)量。顆粒物尺寸分布形態(tài)是典型的汽油直噴發(fā)動機的雙峰分布。第1種模態(tài)的粒子峰值直徑接近10.0 nm，稱為成核模態(tài)，通常由氣相成核形成的揮發(fā)性顆粒組成。第2種模態(tài)的粒子峰值直徑約為70.0～100.0 nm，稱為積聚模態(tài)，通常由炭煙顆?；虮砻婺塾袚]發(fā)性物質的炭煙顆粒組成。各發(fā)動機粒徑分布具有相似的形狀，但數(shù)量不同。有些發(fā)動機在成核模態(tài)和積聚模態(tài)下都產生大量的顆粒。雖然成核模態(tài)的顆粒數(shù)很多，但從法規(guī)的角度看，顯得并不重要。這是因為其直徑小于23.0 nm，而且是揮發(fā)性的。因為在這些試驗中，GPF溫度通常大于600 ℃，核模態(tài)顆粒在通過熱的GPF時可能處于氣相，并不會對炭煙層產生影響。據(jù)推測，成核模態(tài)顆粒不會對GPF過濾效率產生影響。

另一方面，如果在2次再生之間，GPF壁面上形成了以積聚模態(tài)顆粒為主的炭煙層，則可能會影響GPF的過濾效率。圖4給出了直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒的發(fā)動機PN排放分布情況。與圖3所示一致，圖4顯示，發(fā)動機A的大顆粒（炭煙）排放量遠高于其他發(fā)動機，是B發(fā)動機排放量的23倍。

2.3 過濾效率

圖5示出了由DMS測量的發(fā)動機A的排氣下游、TWC下游和GPF下游的顆粒物排放的平均尺寸分布。如圖5所示，TWC大大降低了成核模態(tài)顆粒物的排放。在TWC中，成核模態(tài)減少的機理取決于其組分和形成的位置。在大多數(shù)行駛循環(huán)中，廢氣和TWC溫度很高，這導致?lián)]發(fā)性物質在通過TWC時可能處于氣相。因此，TWC可能氧化揮發(fā)性物質，阻止其在TWC下游成核。進入TWC的顆粒（揮發(fā)性或非揮發(fā)性）將按照布朗擴散沉積或其他沉積機理（如慣性碰撞或熱泳）的方式被捕獲。從圖5還可以看出，TWC對積聚態(tài)顆粒排放的影響很小。

圖5還顯示了GPF下游的排放結果。PN排放非常低，表明這種特殊的GPF（GPF-2）具有非常高的過濾效率，這在其他發(fā)動機上也有類似的發(fā)現(xiàn)。TWC減少了成核模態(tài)的PN排放，但不是積聚模態(tài)，而GPF減少了所有尺寸的PN排放。

圖6為發(fā)動機A對于TWC、GPF和組合系統(tǒng)（TWC+GPF）在固態(tài)顆粒直徑大于23.0 nm、固態(tài)顆粒直徑大于2.5 nm，以及固體和揮發(fā)性顆粒直徑大于4.9 nm時的過濾效率。如圖6所示，對于直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒，TWC具有較低的過濾效率。這與圖5所示的結果一致。從圖6可以看出，對于直徑大于2.5 nm的固態(tài)顆粒，TWC的過濾效率高于直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒，這是因為23.0 nm以下的固態(tài)顆粒很容易通過布朗運動被GPF捕獲。此外，由于TWC還可以減少成核的氣相物質，因此大于4.9 nm的固體和揮發(fā)性顆粒的過濾效率更高（盡管不確定性較大）。同時，圖6還顯示，對于固體或揮發(fā)性顆粒物，GPF的過濾效率非常高，超過98%。

如圖7所示，試驗人員在4種不同發(fā)動機上測試了GPF的PN過濾效率。具體操作是將GPF-1安裝在發(fā)動機B、C和D上進行了測試，將GPF-2安裝在發(fā)動機A、C和D上進行了測試。如圖7所示，GPF-1對于大于23.0 nm的固態(tài)顆粒的過濾效率在50%～80%，對于大于2.5 nm的固態(tài)顆粒物，其過濾效率范圍為67%～83%，具體范圍取決于發(fā)動機PN排放水平。GPF-2對于大于23.0 nm的固態(tài)顆粒物的過濾效率為78%～98%。對于大于2.5 nm的固態(tài)顆粒物，其過濾效率在85%～99%之間，這取決于發(fā)動機的PN排放水平。測試GPF的發(fā)動機在過濾效率方面有很大的差異。此外，研究人員還進行了2種GPF過濾效率的比較。這些GPF都在發(fā)動機C和D上進行了測試。在發(fā)動機C上，GPF-2將大于23.0 nm的固態(tài)顆粒物過濾效率從57%提高到78%。當固態(tài)顆粒物直徑大于2.5 nm時，過濾效率從71%提高到了85%。而在發(fā)動機D上，對于顆粒物直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒物，GPF-2的過濾效率從80%提高到了92%。當顆粒物直徑大于2.5 nm時，過濾效率從84%提高到94%。試驗表明，GPF-2在測試的發(fā)動機上具有更高的過濾性能。

由圖7可知，測試GPF的發(fā)動機不同，則過濾效率有相當大的差異。GPF的過濾效率主要取決于過濾器特性（如孔隙度、孔徑等）、顆粒尺寸、密度和形態(tài)、排氣流量，以及是否存在炭煙層[2-5]。通過比較3種不同發(fā)動機上相同的過濾器，可以研究其他影響（顆粒特性、流量和炭煙層）的重要性。

首先，顆粒物直徑大于23.0 nm的固態(tài)顆粒的過濾效率主要與炭煙顆粒的過濾有關。如圖3所示，4臺發(fā)動機的積聚模態(tài)主要由炭煙組成，具有相似的中等尺寸分布（70.0～100.0 nm）。此外，Olfert等已經證明GDI發(fā)動機的炭煙在各種發(fā)動機上具有相當相似的形態(tài)和有效密度。因此，預計不同發(fā)動機之間的顆粒特性不會有顯著差異。

其次，廢氣流量也會影響過濾效率。因為炭煙顆粒的過濾主要是靠布朗運動[2]，較低的廢氣流量將導致更高的過濾效率。每臺發(fā)動機的循環(huán)平均廢氣流量如表3所示，平均廢氣流速范圍為10.0～15.3 L/s。這似乎不是這些試驗過濾效率差異的主要因素，因為GPF-1在發(fā)動機B上的流量幾乎最低，過濾效率最低;然而GPF-2在D發(fā)動機上的流量最低，過濾效率卻是中等。

再者，影響GPF過濾效率的另1個重要因素是炭煙層的形成。研究表明，即使是少量的炭煙也能形成一薄層的覆蓋效果，可以大大提高過濾效率[7]。從圖4可知，4臺測試發(fā)動機的炭煙排放量差異很大。圖8給出了GPF的過濾效率與TWC下游PN排放的關系曲線。采用TWC下游排放，而不是發(fā)動機排放，是為了避免因采用TWC而產生的任何可能的影響，盡管TWC對大于23.0 nm的固態(tài)顆粒的過濾效率影響很小。從圖8可以看出，GPF的過濾效率隨著粒子數(shù)的增加而提高。

如表3所示，本研究中測試的GPF在行駛循環(huán)期間達到了可能再生的條件。由圖8顯示，在2次再生之間，過濾器上會累積足夠數(shù)量的炭煙，從而提高了過濾效率。這種影響的大小取決于再生之間的持續(xù)時間和炭煙的累積速率。例如，當排氣溫度較低且不太可能再生時，在每個行駛循環(huán)開始時，發(fā)動機冷起動時會排放許多炭煙顆粒，可能會提高過濾效率。盡管如此，即使處于整個行駛循環(huán)的平均值，其結果顯示，炭煙層的影響仍然很顯著。

最后，研究結果表明，先進的GPF新技術（GPF-2）能夠顯著降低汽油直噴汽車的PN排放，尤其是在要求苛刻的應用中，GPF-2可作為首選技術。

3 結論

研究人員測試了2種GPF技術在4種不同發(fā)動機上的顆粒物過濾效率。結果表明，采用改進過濾技術的GPF-2可以大大降低GDI車輛的PN排放。因此，選擇正確的GPF技術是滿足當前PN排放法規(guī)的1個選擇。研究還表明，GPF的過濾效率在很大程度上取決于發(fā)動機的炭煙排放量。雖然GPF再生在汽油直噴式發(fā)動機中可能非常頻繁地發(fā)生，但本研究認為，在2次再生之間仍有足夠多的炭煙累積，從而提高了過濾效率。這一結果的實際意義是，在為特定車輛選擇GPF時，應考慮發(fā)動機原始PN排放。例如，對于原始PN排放量高的發(fā)動機可以通過使用GPF并將GPF放置在再生發(fā)生不太頻繁的位置（例如車底板下）來滿足排放限值。因此，對于具有挑戰(zhàn)性的應用，在為發(fā)動機選擇GPF時，應同時考慮GPF過濾技術和發(fā)動機原始PN排放。

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