帶汽油機(jī)顆粒捕集器的后處理系統(tǒng)臺(tái)架快速老化研究

李 薛，曾志新，張 凱，駱洪燕

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院,廣州 511434)

0 概述

隨著GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施，特別是在2023年7月1日起將全面執(zhí)行實(shí)際行駛排放(real driving emission， RDE)要求，降低汽油車尾氣中的顆粒物排放成為了一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)[1-2]。汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate filter， GPF)作為應(yīng)對(duì)汽油車顆粒物排放的有效方案，被廣泛地應(yīng)用在整車排氣后處理系統(tǒng)中[3-4]。

目前使用的GPF主要為壁流式結(jié)構(gòu)，通過(guò)帶有微孔的壁面對(duì)排氣中的顆粒物進(jìn)行捕集。為兼顧對(duì)氣態(tài)污染物的處理，可在GPF載體上涂覆三效催化劑涂層。GPF捕集的灰分也會(huì)對(duì)催化劑性能產(chǎn)生影響。在GPF的實(shí)際開發(fā)使用中，如何制作臺(tái)架快速老化樣件成為一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。目前關(guān)于三效催化劑涂覆的GPF熱老化后再進(jìn)行灰分累積的研究較多，但是將熱老化和灰分影響進(jìn)行耦合的研究相對(duì)缺乏[5-11]。

本文中基于發(fā)動(dòng)機(jī)及搭載相應(yīng)機(jī)型的整車，開展了帶GPF后處理系統(tǒng)的臺(tái)架老化試驗(yàn)研究。將單獨(dú)熱老化和熱老化與機(jī)油灰分影響耦合老化的方式進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。本研究為后續(xù)GPF在整車上的應(yīng)用及帶GPF的后處理系統(tǒng)臺(tái)架快速老化研究提供了理論數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文中的試驗(yàn)研究基于某款1.5 L增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及搭載該款發(fā)動(dòng)機(jī)的整車進(jìn)行。

采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行后處理系統(tǒng)的快速老化，老化裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖中，TWC為三效催化轉(zhuǎn)化器(three ways catalyst)。

圖1 快速老化裝置示意圖

試驗(yàn)中所用整車與發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。排氣系統(tǒng)由TWC、GPF和兩級(jí)消聲器組成。其中TWC與增壓器緊耦合；GPF上有三效催化劑涂覆，布置在車身地板下，其載體入口距離增壓器出口沿排氣走向距離約 900 mm。前、后氧傳感器分別布置在TWC的上下游。排氣后處理系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖2 排氣系統(tǒng)布置示意圖

表2 后處理系統(tǒng)主要參數(shù)表

試驗(yàn)中使用的機(jī)油為4S店購(gòu)買的原廠機(jī)油，機(jī)油相關(guān)參數(shù)及檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 機(jī)油參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)方法

將兩套同樣的帶GPF后處理系統(tǒng)樣件在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上基于GB18352.6—2016中的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架老化循環(huán)(standard bench cycle, SBC)分別進(jìn)行等效整車20萬(wàn)km耐久里程的快速老化。其中一組試驗(yàn)中只考慮熱老化，老化過(guò)程中使用的燃油為正常狀態(tài)；另一組試驗(yàn)中將熱老化與機(jī)油灰分影響進(jìn)行耦合，老化過(guò)程燃油中添加了機(jī)油進(jìn)行摻燒，機(jī)油添加總量與整車20萬(wàn)km機(jī)油消耗量等同。兩組試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)樣件進(jìn)行了灰分累積量、GPF壓差、催化劑性能、整車排放相關(guān)測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目如表4所示。

表4 測(cè)試項(xiàng)目匯總表

為能更好與16萬(wàn)km實(shí)車耐久后樣件狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，臺(tái)架老化GPF的CT掃描時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)16萬(wàn)km，而非20萬(wàn)km。

正式試驗(yàn)前，為得到所需的臺(tái)架老化時(shí)長(zhǎng)及老化循環(huán)催化劑中心初始控制溫度，將車輛按GB18352.6—2016中的標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(standard road cycle， SRC)進(jìn)行了實(shí)際機(jī)油消耗量和催化劑中心溫測(cè)試，同時(shí)推算了GPF內(nèi)的灰分參考沉積量。

將試驗(yàn)車輛按SRC循環(huán)進(jìn)行了3 000 km的測(cè)試，SRC循環(huán)工況及前級(jí)TWC中心溫度采集數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 SRC循環(huán)工況車速及采集溫度

車輛按SRC循環(huán)運(yùn)行3 000 km的實(shí)際機(jī)油消耗量為166.3 g，換算20萬(wàn)km的機(jī)油消耗量為 11 087.8 g。根據(jù)機(jī)油灰分含量1.03%計(jì)算，20萬(wàn)km發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際排出灰分總量為114.2 g。

機(jī)油中硼、鈣、鎂、磷、鋅元素在該類型GPF灰分中沉積率的推薦系數(shù)分別為5%、37%、31%、46%、37%[12]。

GPF灰分沉積率計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中，S為沉積率；ei為各元素對(duì)應(yīng)的沉積率系數(shù)；mi為各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，10-6。

根據(jù)表3和元素沉積率系數(shù)計(jì)算得到灰分在GPF的參考沉積率為38.6%，即20萬(wàn)km GPF內(nèi)的灰分參考沉積量為44.1 g。

為保證摻燒機(jī)油情況下發(fā)動(dòng)機(jī)能正?？煽康剡\(yùn)行且灰分累積與實(shí)際耐久后狀態(tài)盡量接近，推薦臺(tái)架上GPF累灰速率控制在0.1 g/h左右，從而計(jì)算得到臺(tái)架需求總運(yùn)行時(shí)間為441 h。

為使臺(tái)架熱老化時(shí)長(zhǎng)和累灰需求時(shí)長(zhǎng)保持同步，根據(jù)采集的SRC循環(huán)中催化中心溫度，按GB18352.6—2016中催化劑臺(tái)架老化時(shí)長(zhǎng)計(jì)算方法反算，SBC循環(huán)老化441 h的情況下，臺(tái)架老化循環(huán)中催化劑中心初始溫度T需設(shè)定為810 ℃。

臺(tái)架熱老化時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中，taged為臺(tái)架老化時(shí)長(zhǎng)，h；A為非熱老化影響因素校正系數(shù)，取1.1；th為溫度采集試驗(yàn)的里程校正到目標(biāo)壽命里程的系數(shù)；R為催化器熱反應(yīng)性系數(shù)，取17 500；Tr為臺(tái)架老化循環(huán)催化器的等效基準(zhǔn)溫度，K；Tv為采集到的溫度分組中對(duì)應(yīng)組的中間溫度，K。

根據(jù)計(jì)算得到的臺(tái)架快速老化時(shí)長(zhǎng)和臺(tái)架老化循環(huán)催化劑中心初始溫度進(jìn)行臺(tái)架老化試驗(yàn)，臺(tái)架老化使用的SBC循環(huán)工況如表5所示。

表5 SBC循環(huán)工況表

正式試驗(yàn)中，樣件的累灰量通過(guò)稱重獲得，每次進(jìn)行累灰質(zhì)量測(cè)量前先在GPF入口溫度650 ℃以上、空燃比1.05左右的工況點(diǎn)進(jìn)行清炭處理，之后拆下GPF進(jìn)行熱態(tài)下的稱重，樣件總質(zhì)量減原始狀態(tài)質(zhì)量即為累灰質(zhì)量。同時(shí)，對(duì)新鮮狀態(tài)及兩組臺(tái)架老化等效16萬(wàn)km狀態(tài)的GPF進(jìn)行CT掃描，對(duì)比觀察灰分在GPF載體內(nèi)部的沉積情況。

每次清灰后通過(guò)GPF前后壓力傳感器壓力值計(jì)算得到GPF不同階段的壓差。壓力測(cè)試時(shí)排氣質(zhì)量流量為180 kg/h，排氣系統(tǒng)入口溫度為780 ℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的催化劑性能測(cè)試項(xiàng)目為催化劑起燃性能和催化劑的氧氣存儲(chǔ)能力(oxygen storage capability， OSC)測(cè)試。起燃性能試驗(yàn)邊界條件為排氣質(zhì)量流量110 kg/h，催化劑入口溫度 200 ℃～450 ℃連續(xù)升溫，升溫速率為15 ℃/min。OSC測(cè)試時(shí)進(jìn)氣流量40 kg/h，入口溫度500 ℃，過(guò)量空氣系數(shù)從0.95變化到1.05，通過(guò)進(jìn)氣量及前、后氧傳感器信號(hào)延遲時(shí)長(zhǎng)計(jì)算得到OSC值。

OSC值計(jì)算公式見式(3)。

(3)

式中，mOSC為OSC值，mg；t1為前氧傳感器信號(hào)為1.0的時(shí)刻，s；t2為后氧傳感器電壓信號(hào)為0.45 V的時(shí)刻，s；mair為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h；λ為過(guò)量空氣系數(shù)。

由于整車排放耐久后的樣件需要封存，無(wú)法改制后在臺(tái)架上進(jìn)行性能測(cè)試。將臺(tái)架老化件搭載在整車上進(jìn)行OSC測(cè)試，其結(jié)果與實(shí)車?yán)匣谡嚿系腛SC測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比表明測(cè)試溫度、進(jìn)氣量、過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)整區(qū)間與臺(tái)架OSC測(cè)試時(shí)基本一致。由于氧傳感器的布置原因，整車上僅能測(cè)試前級(jí)TWC的OSC值。

在對(duì)應(yīng)不同等效耐久里程時(shí)，將臺(tái)架老化的后處理系統(tǒng)安裝在整車上進(jìn)行了WLTC循環(huán)排放測(cè)試，采集相應(yīng)的氣態(tài)排放物和顆粒物。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累灰量及GPF壓差結(jié)果

臺(tái)架快速老化過(guò)程中，將老化時(shí)長(zhǎng)線性換算成等效耐久里程。兩組試驗(yàn)中TWC和GPF累灰量隨耐久里程變化的關(guān)系如圖4所示。

圖4 累灰量隨耐久里程變化情況

由圖4可以看出，在整個(gè)20萬(wàn)km等效里程內(nèi)，灰分累積量與里程有較好的線性關(guān)系。前期累積速率稍慢，主要是因?yàn)榍捌谟休^多的灰分累積在排氣管路上[3-4]。灰分在GPF中的累積量要遠(yuǎn)大于在TWC中的累積量。摻燒機(jī)油進(jìn)行臺(tái)架老化試驗(yàn)的后處理系統(tǒng)中灰分累積量比不摻燒機(jī)油試驗(yàn)中的要大。在等效20萬(wàn)km耐久里程時(shí)，未摻燒機(jī)油和摻燒機(jī)油老化試驗(yàn)中的GPF灰分累積量為分別為12.1 g和38.9 g。計(jì)算得到摻燒機(jī)油老化試驗(yàn)中灰分在GPF中的實(shí)際沉積率約為34.1%。

如果GPF布置在與增壓器緊耦合的位置，連接管路更短，將有更多的灰分將沉積在GPF內(nèi)，灰分對(duì)帶三效催化劑涂層的GPF性能影響可能將更大。

圖5為新鮮態(tài)和對(duì)應(yīng)16萬(wàn)km里程的臺(tái)架老化GPF內(nèi)部CT掃描圖。由圖5可以看出，摻燒機(jī)油狀態(tài)下臺(tái)架老化后GPF內(nèi)部的灰分累積較多，GPF的灰分主要累積在載體底部居中的位置，這與GPF入口的氣流分布有關(guān)[13-14]。

圖5 GPF內(nèi)部CT掃描圖

在臺(tái)架老化過(guò)程中，每次清炭完成后，通過(guò)GPF總成前后的壓力傳感器測(cè)試壓力，計(jì)算得到GPF進(jìn)出氣口壓差變化情況如圖6所示。由圖6可以看出，兩組試驗(yàn)中GPF的壓差都在前3萬(wàn)km～5萬(wàn)km范圍內(nèi)上升較快，之后GPF壓差上升穩(wěn)定，壓差與里程基本成線性關(guān)系。

圖6 GPF壓差變化情況

未摻燒機(jī)油和摻燒機(jī)油兩組臺(tái)架老化試驗(yàn)中，GPF的初始?jí)翰顬?.3 kPa和7.6 kPa，20萬(wàn)km時(shí)壓差為9.1 kPa和10.6 kPa，分別上升1.7 kPa和3.0 kPa。

2.2 催化劑性能對(duì)比結(jié)果

將等效不同耐久里程的TWC和GPF分別在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行總碳?xì)?total hydrogen carbon， THC)、CO和NOx起燃溫度(T50，即污染物轉(zhuǎn)化效率為50%時(shí)催化劑的入口溫度)測(cè)試，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 TWC起燃溫度(T50)對(duì)比

圖8 GPF起燃溫度(T50)對(duì)比

由圖7和圖8可以看出，在不摻燒機(jī)油和摻燒機(jī)油兩種臺(tái)架老化狀態(tài)下，催化劑的起燃性能變化趨勢(shì)基本一致。在前面10萬(wàn)km特別是前5萬(wàn)km劣化相對(duì)較快，后10萬(wàn)km劣化相對(duì)平緩。TWC和GPF具有相同的變化趨勢(shì)。

在圖7中，不同試驗(yàn)中使用的相同規(guī)格樣件原始狀態(tài)性能預(yù)估基本一致，所以摻燒機(jī)油老化試驗(yàn)中未測(cè)試0 km的催化劑性能，但根據(jù)實(shí)際結(jié)果趨勢(shì)可知樣件間的個(gè)體性能存在一定差異，用于摻燒機(jī)油試驗(yàn)的TWC樣件0 km時(shí)的性能相對(duì)于未摻燒機(jī)油試驗(yàn)使用的樣件性能偏好，起燃溫度會(huì)更低一些。在對(duì)應(yīng)2萬(wàn)km～10萬(wàn)km里程區(qū)間，相對(duì)于未摻燒機(jī)油的臺(tái)架老化催化劑，摻燒機(jī)油進(jìn)行老化的催化劑起燃溫度值變化斜率稍大，證明摻燒機(jī)油老化對(duì)催化劑性能有一定的加速劣化的效果，但是影響度較小。分析其主要原因?yàn)楸敬卧囼?yàn)中使用的TWC載體體積較大，機(jī)油對(duì)催化劑的性能影響主要集中在載體前端，對(duì)后端影響較小[15]，加之催化劑性能測(cè)試為穩(wěn)態(tài)工況，且空速不大，所以測(cè)試結(jié)果差異不明顯。

由圖8可以看出，兩組臺(tái)架老化試驗(yàn)中的GPF老化過(guò)程中起燃性能整體相近，沒(méi)有明顯差異。分析其原因，除與上述TWC相同的原因外，灰分主要集中在GPF底部，對(duì)其催化性能影響不大也是一個(gè)主要原因。

對(duì)應(yīng)不同耐久里程的TWC儲(chǔ)氧量測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，OSC值隨耐久里程增加有所降低；前2萬(wàn)km OSC變化很明顯，之后相對(duì)比較穩(wěn)定。如起燃溫度測(cè)試中提到的一樣，摻燒機(jī)油老化試驗(yàn)中用的TWC樣件性能較未摻燒機(jī)油試驗(yàn)中使用樣件的性能好，所以該組試驗(yàn)中樣件新鮮態(tài)時(shí)的OSC也較高，預(yù)估在1 200 mg左右。對(duì)應(yīng) 20萬(wàn)km 耐久的臺(tái)架老化，摻燒機(jī)油的OSC值下降量相對(duì)未摻燒機(jī)油老化情況下的OSC值下降量稍大。

圖9 TWC儲(chǔ)氧量變化情況

對(duì)應(yīng)不同耐久里程的GPF儲(chǔ)氧量測(cè)試結(jié)果如圖10所示。其整體變化趨勢(shì)與TWC的相似，但是前2萬(wàn)km的變化不如TWC明顯。分析原因?yàn)镚PF布置在后級(jí)，離發(fā)動(dòng)機(jī)出口較遠(yuǎn)，老化時(shí)的溫度稍低，老化相對(duì)緩慢。對(duì)于后級(jí)布置的GPF，摻燒機(jī)油老化對(duì)GPF的OSC加速劣化影響較小，不如對(duì)前級(jí)TWC的影響明顯，原因與上述起燃溫度對(duì)比中分析的一樣。

圖10 GPF儲(chǔ)氧量變化情況

在整車上進(jìn)行TWC的OSC測(cè)試結(jié)果如圖11所示。其中，臺(tái)架老化件為進(jìn)行臺(tái)架老化對(duì)應(yīng)16萬(wàn)km里程時(shí)的老化樣件；實(shí)車耐久件即16萬(wàn)km實(shí)車耐久后的樣件。

圖11 整車上OSC測(cè)試結(jié)果

由圖11可以看出，臺(tái)架老化件不摻燒機(jī)油和臺(tái)架老化件摻燒機(jī)油的OSC值分別為520 mg和490 mg，兩者基本相當(dāng)，無(wú)顯著差異。兩者結(jié)果都比各自在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)試的OSC值結(jié)果小，主要原因?yàn)閷?shí)車上測(cè)試時(shí)工況波動(dòng)相對(duì)較大，空燃比調(diào)節(jié)范圍很難精確到目標(biāo)值。實(shí)車耐久件的OSC值為690 mg，比上述兩組臺(tái)架老化后的TWC樣件的OSC要高約40%，證明臺(tái)架老化要比實(shí)車?yán)匣瘒?yán)苛。考慮到市場(chǎng)上客戶實(shí)際使用車輛過(guò)程中存在的油品差異、使用工況差異等，開發(fā)過(guò)程中留有一定安全余量是合理可接受的。

2.3 整車排放對(duì)比結(jié)果

將對(duì)應(yīng)不同耐久里程臺(tái)架老化的后處理系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)車上進(jìn)行WLTC循環(huán)排放測(cè)試，排放結(jié)果如圖12、圖13所示。圖13中PN為循環(huán)顆粒物數(shù)量(particulate number)。

圖12 排放結(jié)果對(duì)比

圖13 WLTC下PN排放結(jié)果對(duì)比

從圖12可以看出，在氣態(tài)污染物(THC、CO、NOx)排放方面，老化完成后摻燒機(jī)油的臺(tái)架老化樣件排放結(jié)果較不摻燒機(jī)油的臺(tái)架老化樣件排放結(jié)果稍差，且整個(gè)耐久過(guò)程中劣化程度稍大。兩種狀態(tài)的臺(tái)架老化后樣件排放結(jié)果都比實(shí)車16萬(wàn)km耐久里程時(shí)排放結(jié)果要高，其中THC和CO排放結(jié)果差異不大，NOx排放的差異較大。分析其原因主要為臺(tái)架老化較實(shí)車?yán)匣訃?yán)苛，與上述分析的臺(tái)架老化與實(shí)車耐久后TWC的OSC對(duì)比情況相符合。

圖13為整車WLTC下PN的排放結(jié)果?？梢钥闯?，GPF經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，過(guò)濾效率會(huì)逐步提高，PN結(jié)果變低，對(duì)比前2萬(wàn)km過(guò)濾效率提升很明顯，隨后變化變緩，在5萬(wàn)km以后該試驗(yàn)車輛的PN排放能到達(dá)到 0.6×1011個(gè)/km以內(nèi)，低于國(guó)六法規(guī)限值的10%。摻燒機(jī)油進(jìn)行臺(tái)架老化的GPF，在對(duì)應(yīng)2萬(wàn)km耐久里程時(shí)就能達(dá)到一個(gè)很高的過(guò)濾效率，PN排放結(jié)果為1.2×1010個(gè)/km。

分析原因主要為新鮮態(tài)GPF內(nèi)比較清潔，載體壁面上用于過(guò)濾的微孔等效孔徑相對(duì)較大，對(duì)顆粒物捕集效率相對(duì)稍低；當(dāng)GPF使用一段時(shí)間后，其通道壁面上的微孔中會(huì)有一定的灰分沉積，微孔等效直徑有所縮減，過(guò)濾效率變高。隨著時(shí)間增加，更多的灰分沉積在通道壁面和載體底部，過(guò)濾效率相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)有太大的變化[16-17]。摻燒機(jī)油進(jìn)行臺(tái)架老化的GPF由于短時(shí)間內(nèi)就能捕集到較多的灰分，從而具有較高的過(guò)濾效率，使整車的PN排放結(jié)果更低。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)應(yīng)20萬(wàn)km里程時(shí)，不摻燒機(jī)油老化情況下GPF的累灰量為12.1 g，而摻燒機(jī)油進(jìn)行臺(tái)架老化的情況下GPF累灰為38.9 g；灰分主要集中在GPF載體底部靠中間區(qū)域；GPF壓差在前2萬(wàn)km～5萬(wàn)km上升較快，隨后上升較為穩(wěn)定，穩(wěn)定后壓差與里程基本成線性關(guān)系。

(2) 摻燒機(jī)油對(duì)前級(jí)TWC的起燃性能和OSC劣化有一定的加速影響，但是影響不大；對(duì)后級(jí)GPF的起燃性能和OSC影響不明顯。實(shí)車耐久后的TWC樣件OSC值較兩組臺(tái)架老化的TWC樣件OSC值高出約40%。臺(tái)架老化相對(duì)實(shí)車耐久劣化更嚴(yán)苛。

(3) 摻燒機(jī)油和不摻燒機(jī)油的兩組老化后樣件搭載整車在轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行WLTC測(cè)試的排放結(jié)果都比實(shí)車耐久后的WLTC排放結(jié)果要差，其中THC和CO的差異相對(duì)較小，NOx差異較大。摻燒機(jī)油會(huì)在一定程度上加速排放劣化。GPF經(jīng)過(guò)老化后過(guò)濾效率有較大提升，PN排放降低明顯。摻燒機(jī)油老化時(shí)，對(duì)應(yīng)2萬(wàn)km甚至更短里程時(shí)GPF就能有很高的過(guò)濾效率。