潤滑油灰分對直噴汽油車GPF性能影響的試驗研究*

潘金沖，華 倫，張文彬，林延松，張云龍

（1.清華大學蘇州汽車研究院（吳江），蘇州 215200； 2.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084）

前言

缸內直噴汽油發動機（GDI）具有更高的動力性和更好的燃油經濟性［1-2］，市場占有率正在不斷的提高。但從現階段的研究與發展趨勢來看，GDI發動機在應用層面仍舊面臨著許多問題，其中最嚴重的問題是顆粒物的排放特別是顆粒數量（PN）的增加。據統計，2017年全國機動車顆粒物排放總量達到50.9萬t，汽油車排放在顆粒物中貢獻比例接近10%［3］，各地的限購、限行政策也在不斷實行，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）》排放法規的正式頒布，標志著我國正式步入汽油車超低排放實施階段。相比較國五排放法規要求，國六新增了更加適合中國道路實際情況和駕駛習慣的WLTC測試工況和RDE測試要求，同時在不區分進氣道噴射（MPI）與缸內直噴（GDI）車型的基礎上引入了更加嚴格的PN排放限值。綜合考慮以上因素，雖然GDI發動機會有不斷的技術更新和發展，但依靠傳統的機內凈化和TWC技術已不能滿足未來更加嚴格的排放法規要求，尤其是滿足顆粒物（PM與PN）的排放限值要求，而GPF技術被認為是有效解決GDI發動機顆粒物排放的一種技術手段［4-5］。

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

本文中利用發動機臺架通過潤滑油與汽油相混合的摻燒方法對GPF進行快速積灰，同時結合整車轉鼓試驗臺架對沉積有灰分的GPF進行了耐久特性研究，最后對沉積有灰分的GPF進行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際應用提供了理論數據支持。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

臺架試驗（GPF積灰試驗）總體布置如圖1所示，主要包括汽油機、摻燒燃油系統、正常燃油系統、補氣系統以及與實車排氣系統布置形式相似的TWC催化器和GPF催化器等。試驗中摻燒燃油系統主要為積灰試驗提供穩定的潤滑油與汽油混合型燃油（由摻燒燃油系統供油進行的試驗簡稱為“摻燒試驗”），該燃油直接進入發動機燃燒室燃燒產生灰分；正常燃油系統為在一定摻燒試驗后用以去除由摻燒試驗帶來的缸內、噴油器和火花塞積碳／積油等雜質（由正常燃油系統供油進行的試驗簡稱為“正常燃油試驗”），用以盡量恢復發動機重要零部件的原始工作狀態；補氣系統用以在適當的時間增加排氣中氧氣濃度，去除GPF內沉積碳煙，保證最后僅有灰分沉積在GPF內部。發動機為一臺增壓中冷型GDI汽油機，同時配置一輛與該發動機型號一致的GDI車輛，主要參數如表1和表2所示。

圖1 GPF積灰試驗簡要示意圖

表1 試驗用發動機主要參數

正常燃油系統與摻燒燃油系統主要由油箱、濾清器、穩壓罐、換向開關等組成，區別在于所供燃油不同；補氣系統由壓縮空氣源、流量計、調壓閥等組成，可以根據流量大小調節尾氣中的氧氣濃度。

表2 試驗用整車主要參數

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低、價格低廉、應用最廣的堇青石，并涂覆貴金屬作為催化劑。具體參數如表3所示。

試驗所用汽油為市售國V標準汽油，潤滑油為本試驗發動機用潤滑油的濃縮油。

試驗所用轉鼓試驗臺配備恒溫恒濕環境艙，可用于滿足國六排放標準的WLTC試驗。

表3 試驗用催化器主要參數

1.2 試驗方法

本試驗主要利用發動機臺架進行GPF的快速積灰，利用轉鼓試驗臺架對沉積有灰分的GPF進行整車排放、動力、油耗、背壓等特性的試驗研究。轉鼓試驗后處理布置方式如圖2所示，試驗總體流程圖如圖3所示。

試驗前首先將濃縮潤滑油與汽油以一定比例混

圖2 轉鼓試驗后處理布置方式

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；在發動機選定合理的試驗工況后將摻混油作為燃料直接供給發動機，使其在缸內燃燒產生所需灰分，同時灰分經排氣排出最終捕集在GPF內；改變發動機供油系統，調整試驗工況，進行正常燃油試驗，同時打開補氣系統進行補氣，從而將發動機缸內、噴嘴等處沉積物及GPF內的碳煙進行燃燒去除；當GPF內灰分達到一定量時，停止發動機試驗，將GPF放置在200℃的恒溫箱內保溫除濕2h；除濕后所得GPF為純灰GPF，將該GPF重復稱量3次取平均值跟初始GPF質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，進行轉鼓WLTC試驗。重復上述步驟，直至完成所有試驗。

本試驗中汽油與濃縮油的摻比最高為0.5%，在GPF灰分量達到30，60和100 g左右（相當于整車行駛10萬km，20萬km，33萬km）時進行相應的轉鼓試驗，GPF內灰分含量與整車行駛里程數按式（1）進行轉換。

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

快速積灰試驗方法首先以濃縮潤滑油為基礎，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動機試驗工況，再輔助以“正常燃油試驗”，以實現在較低的摻比條件下快速有效的積灰目的。

圖3 試驗總體流程圖

表4 試驗中各參數取值

2 試驗結果與討論

2.1 GPF快速積灰

試驗研究了發動機在某種工況下通過“摻燒試驗”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時間的變化趨勢以及通過計算得到的實際積灰效率（GPF捕集的灰分量／理論產生灰分量），并通過擬合得到了積灰效率曲線和摻燒時間與實際產生灰分的關系。

從圖4中可以看出，通過本試驗的快速積灰方法達到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，且實際灰分沉積量與摻燒的時間呈現良好的線性關系。同時，從積灰效率曲線圖可以得出，本試驗的GPF積灰效率在試驗開始階段呈現上升趨勢，在36 h左右基本趨于穩定，并最終達到30%左右的積灰效率，主要原因是產生的灰分前期會沉積在GPF的前置部件（如缸內、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：后續在GPF快速老化方案的設計中，可以從優化排氣結構、布置等角度出發，減少GPF的前置部件，使得模擬試驗產生的灰分全部沉積在GPF內部，從而增加GPF的積灰效率，縮短試驗時間；但是從GPF的整車實際應用角度出發，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（顆粒物質量）過濾效率結果。圖8和圖9分別為GPF在不同灰分含量下的PN（顆粒物數量）過濾效率結果。PM和PN排放均基于WLTC循環。

圖6 不同灰分量GPF對PM過濾效率影響

圖7 新鮮態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（灰分量為0）下的前后兩次WLTC試驗，G0-1在WLTC試驗前僅經過1次預處理（3個EUDC循環），G0-2與G0-1前后間隔1次FTP與1次NEDC試驗。

從圖6和圖7中可以看出，本試驗所用整車的原車PM排放可達到CN6a限值（4.5 mg／km）要求，在加裝GPF后PM排放可進一步降低，達到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（10萬km內，G30）影響較為顯著，后逐漸趨向于穩定。值得注意的是，對于新鮮態GPF的前后兩次WLTC試驗，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，試驗用整車的原車PN排放值遠遠超出國六法規限值（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，但是可以發現GPF在完全新鮮態情況下的第一次WLTC試驗仍舊面臨PN不達標的現象，PN排放值達到1.1×1012＃／km；在經過兩次 WLTC試驗后，GPF對PN的過濾效率快速上升，達到99.8%，排放值降低至3.6×109＃／km，滿足CN6b限制要求。從新鮮態GPF對PN過濾效率影響結果可以看出，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（幾乎達到100%）。

從以上的試驗結果中可以看出，GPF對PM的過濾效率的影響是一個循序漸進的過程，在G30之前，隨著灰分沉積量和碳載量的增加，PM過濾效率呈現逐漸上升趨勢，并在之后的過程中趨于穩定，最終達到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（碳載量基本為0）的54.7%上升至 GPF第2次WLTC試驗（中間間隔1次FTP與1次NEDC試驗，已有一定碳載量）的接近100%，這可能主要體現為GPF由最開始的深層過濾轉變為表層過濾，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的整車進行了排氣背壓、油耗試驗研究。

如圖10所示，隨著GPF內灰分加載量不斷增大，排氣系統最大壓差和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，系統壓差和GPF前后壓差呈“平行增長”趨勢，也就是說系統背壓的增大主要是由GPF背壓變化導致，而由TWC和管道導致的背壓變化相對較小。總體來說，安裝了GPF的整車在WLTC循環下，GPF內部灰分的不斷積累對整車排氣系統的背壓并不會造成特別大的影響，符合OEM廠商對排氣系統的設計與應用要求。

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內部灰分的不斷增加，在WLTC循環下整車油耗分別為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%，并未出現明顯的上升趨勢；同時相較于OEM排氣系統（整車WLTC油耗為8.1 L／100 km），帶有GPF的排氣系統（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

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

2.4 灰分分布與成分

試驗分別使用CT與XRF對50 g／L的GPF內部灰分分布與成分進行了分析研究。

如圖12所示，對GPF從入口端到出口端延軸向進行全尺寸掃描，在灰分含量達到50 g／L時，GPF內部出現明顯的壁面灰分層與末端灰分塊，而灰分塊長度達到35 mm，且主要集中在中心區域，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在內沒有任何C及其化合物存在。

圖12和圖13的結果與實車標準道路循環（SRC）得到的結果［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的實車積灰情況。

圖12 GPF內部灰分分布

圖13 灰分中各物質比例

3 結論

本文中通過發動機臺架研究了GPF的快速積灰方法，分析了GPF的實際有效積灰效率；同時在轉鼓試驗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進行了灰分分布與成分分析，得出的結論如下：

（1）通過“摻燒試驗”與“正常燃油試驗”相結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GPF對顆粒物質量和數量的過濾，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末端特別是中心區域，CaO與P2O5為主要組成成分，與GPF實車灰分積累結果基本一致。