GPF灰分累積對整車排放影響的試驗研究

摘要：基于某2.0 L汽油缸內直噴（GDI）渦輪增壓發(fā)動機，分別進行了汽油機顆粒捕集器（GPF）灰分累積臺架試驗和整車轉鼓排放試驗，分析了在世界輕型汽車測試循環(huán)（WLTC）下GPF灰分累積對整車排放的影響。結果表明：在WLTC循環(huán)下，隨著GPF灰分累積時間的增長，顆粒物質量（PM）排放呈現(xiàn)出先減小后平緩的趨勢。顆粒物數(shù)量（PN）排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢。WLTC循環(huán)下GPF的老化對CO和NOX排放的影響沒有明顯的規(guī)律，雖然THC、N2O和NMHC的排放隨GPF的老化時間有增長趨勢，但是5種氣態(tài)污染物的排放仍然滿足中國第六b階段（CN6b）的限值要求。因此GPF的灰分累積有利于整車減少PM和PN的排放，對氣態(tài)污染物的排放有微弱的影響。

關鍵詞：GDI；GPF；WLTC；灰分累積；整車排放

中圖分類號：U467 收稿日期：2023-09-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.024

1 前言

缸內直噴（GDI）汽油機由于油氣混合時間短和燃油濕壁現(xiàn)象，導致顆粒物質量和顆粒物數(shù)量的排放顯著增加[1]。根據不同乘用車發(fā)動機和后處理條件下的試驗結果表明，GDI汽油機的顆粒物質量和顆粒物數(shù)量明顯高于PFI汽油機和帶DPF的柴油機[2-5]。

雖然通過優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、提高噴射壓力、調整點火及噴油正時等措施可以在一定程度上減少顆粒物質量（PM）排放，但越來越嚴苛的法規(guī)要求直噴汽油機在更寬的工作范圍都保持穩(wěn)定且較低的PM排放，僅僅靠發(fā)動機的機內凈化技術已難以滿足國六排放法規(guī)升級的要求。并且國六法規(guī)增加了RDE測試循環(huán)，采用便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）對車輛在農村道路、城市道路、上下坡道路以及高速公路實際行駛過程中進行測量。因此，GPF是應對GDI汽油機顆粒物排放限值最有效、最直接和最可靠的技術。

為了更好地了解GDI汽油機在TWC下游加裝GPF后的灰分累積特性，以及GPF灰分累積對整車排放的影響，有必要開展相關的試驗研究，有利于解決GPF和汽油機排放優(yōu)化和匹配問題，故在臺架和轉鼓上分別進行了灰分累積試驗研究和整車排放試驗研究，分析了在WLTC測試循環(huán)下，GPF的灰分累積對整車排放的影響。

2 試驗設備及方法

2.1 臺架及轉鼓測試設備

臺架試驗所用發(fā)動機為一臺2.0 L汽油缸內直噴渦輪增壓4缸的發(fā)動機，其標定功率為155 kW，最大扭矩為355 N·m，其主要參數(shù)如表1所示。轉鼓試驗所用的整車為一臺發(fā)動機前置前驅的5門5座SUV，該車搭載了本研究所用的2.0 L汽油機匹配了6擋濕式雙離合變速箱，整備質量為1 600 kg，原車出廠配置了TWC，滿足國五排放法規(guī)，其主要參數(shù)如表2所示。

圖1為發(fā)動機臺架及主要測試設備示意圖，主要包括發(fā)動機、測功機、中冷器、增壓器、TWC、GPF和消聲器等。表3所示為試驗所用GPF的相關參數(shù)。

表4所示為整車轉鼓試驗所用的主要測試設備，采用MEXA-7200H/CVS- 7400T設備測量排氣污染物，采用MSE2.7S-OCE-DF型稱重天平稱量濾紙荷重，采用MEXA-2000SPCS設備測量顆粒物的數(shù)量。

2.2 試驗方法

本文基于某2.0 L GDI國五排放水平汽油機，首先在臺架進行了GPF灰分累積試驗研究，在灰分累積達到0 h、10 h、20 h、30 h、40 h和50 h的節(jié)點時，將GPF拆下安裝至某帶有TWC的SUV上，進行了WLTC循環(huán)排放試驗，研究了GPF灰分累計對整車排放的影響。試驗中所用燃料為機油與92號汽油摻混汽油，用該燃料在發(fā)動機臺架上進行的耐久循環(huán)稱為“機油摻燒試驗”。該燃料經過缸內直噴系統(tǒng)組織進行燃燒會加快發(fā)動機產生灰分，從而高效地累灰，在不同時間節(jié)點進行整車排放測試。

全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（WLTC）是世界統(tǒng)一輕型車測試程序（WLTP）中規(guī)定的輕型車測試循環(huán)，WLTC由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分組成，該測試循環(huán)給予實際道路數(shù)據的瞬態(tài)工況，強調車輛的動力系統(tǒng)的獨特性，重新定義了換擋策略和測試方法。WLTC最高速度為131.3 km/h，持續(xù)時間共1 800 s，其平均車速為46.54 km/h[6]。其速度和時間關系如圖2所示。

3 試驗結果與分析

3.1 GPF灰分累積對PM排放的影響

圖3所示為GPF灰分累積量隨著累積時間的變化曲線。從圖中可以看出，單次增重隨著累積時間的推移，整體表現(xiàn)為先減小后增長的趨勢，單次累積量從9.4 g/10 h先降低至6.9 g/10 h后增長至15.3 g/10 h。最后對各個時間節(jié)點的增重量做累加，得到累積增重曲線，從圖中可觀察出30 h之前累積增重效果相對較小，30 h后累積增重效果增強，整個試驗過程中灰分一直在累積。一般認為，由于初始灰分層的積累，使GPF的攔截沉積作用迅速增強后，捕集效率會隨之快速增大。隨著時間的推移，累灰量的逐漸增多，GPF的捕集效率也隨之增大[7]。

圖4所示為WLTC測試循環(huán)下PM排放隨灰分累計時間變化的曲線。從圖中可以看出，本試驗所用整車的原車情況下，即在沒有匹配GPF只裝有TWC的后處理配置條件下，在不同的灰分累積時間節(jié)點進行了6次空白對比試驗，WLTC測試循環(huán)的PM排放量為3.1 mg/km左右，已經滿足CN6a法規(guī)PM限值為4.5 mg/km的排放要求。而在原車匹配GPF后PM排放顯著降低，6次節(jié)點排放都在0.6 mg/km以下，滿足CN6b限值為3.0 mg/km的排放要求。并且隨著GPF灰分累積時間的增長，PM排放呈現(xiàn)出減小趨勢。這是因為，隨著初始灰分層的積累，GPF的攔截沉積作用增強后，捕集效率增大，PM排放減小。

但是隨著GPF灰分累積量增大至一定程度，PM排放減小趨勢變緩。這是因為GPF對PM的過濾效率的影響是一個循序漸進的過程，在一定范圍之前，隨著GPF灰分累積量和碳載量的增加，PM過濾效率較強，并在之后的過程中趨于穩(wěn)定[8]。

3.2 GPF灰分累積對顆粒物數(shù)量（PN）排放的影響

從圖5中可以看出，試驗用整車的原車PN排放值已超出國六法規(guī)限值（6×1011 km）的要求，在2.0×1012 km左右的水平。在加裝GPF后，PN的排放值整體有明顯下降趨勢，可以發(fā)現(xiàn)最低可達到6.9×109 km，滿足CN6b限制要求。同時發(fā)現(xiàn)在初始階段PN排放就明顯改善，下降了一個數(shù)量級，PN排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢。這是由于GPF對PN捕集效率受到灰分累積量和碳載量的影響，少量的碳煙累積就能顯著提高PN的捕集效率。這有可能是因為GPF由起初的深層過濾轉變?yōu)楸韺舆^濾，碳煙層的形成會促使GPF的捕集效率顯著增強[8]。

3.3 GPF灰分累積對氣態(tài)污染物排放的影響

圖6所示為WLTC循環(huán)下GPF灰分累積對CO、THC、NMHC、NOX和N2O排放的影響。從圖中可以觀察出在WLTC測試循環(huán)中，GPF的老化對CO和NOx排放的影響沒有明顯規(guī)律，CO整體排放水平在175 mg/km上下波動，最高為278 mg/km。NOx整體排放水平在80 mg/km左右徘徊，最高為99 mg/km。THC、NMHC和N2O排放隨著時間的增加而呈現(xiàn)出稍微增加的趨勢，但是5種污染物的整體排放水平皆處于CN6b限值以下，并且距限值有較遠的余量。

這是由于隨著時間的增加GPF內灰分累計量逐漸增多，孔隙直徑也相應的減少導致排氣背壓增加，進而引起排溫升高，促使TWC可以保持在一個轉化效率較高的區(qū)間內。因此排氣背壓的增加在一定情況下對TWC的轉化效率具有提升的作用。但隨著老化時間的推移排氣背壓過于增大也會導致燃燒出現(xiàn)惡化，污染物生成量增多。從比排放結果上來看，GPF灰分累積對氣態(tài)污染物排放的影響相對微弱。

4 結語

a.在發(fā)動機臺架的機油摻燒試驗中，GPF灰分的累積增重隨著耐久時間的推移，整體表現(xiàn)為增長的趨勢。

b.WLTC循環(huán)下，隨著GPF灰分累積時間的增長，PM排放呈現(xiàn)出先減小后平緩的趨勢，PN排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢。因此，GPF的灰分累積有利于整車減少PM和PN的排放。

c.WLTC循環(huán)下，GPF的老化對CO和NOx排放的影響沒有明顯規(guī)律，THC、NMHC和N2O排放隨著時間的增加而呈現(xiàn)出稍微增加的趨勢，但是5種污染物的整體排放水平皆處于CN6b限值以下，并且距限值有較遠的距離。綜上所述，GPF灰分累積對氣態(tài)污染物的排放有微弱的影響。

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[8]潘金沖，華倫，張文彬，等.潤滑油灰分對直噴汽油車GPF性能影響的試驗研究[J].汽車工程，2019，41（5）：487-492.

作者簡介：

李明坤，男，1991年生，工程師，研究方向為內燃機排放與控制。

吳春玲（通訊作者），男，1984年生，高級工程師，研究方向為汽車發(fā)動機排放檢測。