PFI發(fā)動(dòng)機(jī)灰分載量對(duì)GPF的影響研究＊

李笑杰 鄧俊 李夢(mèng)迪 姚宇航 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 200092）

主題詞：進(jìn)氣道燃油噴射 灰分 粒徑 捕集率 汽油機(jī)顆粒物捕集器

1 前言

自2019 年7 月起，GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》已提前在中國部分地區(qū)實(shí)施，其排放限值要求更加嚴(yán)格，并且首次提出燃料中立原則，將汽油機(jī)的顆粒物排放正式納入監(jiān)測(cè)范圍[1-2]。在嚴(yán)格的顆粒物排放限值要求下，部分車企選擇顆粒物排放較低的進(jìn)氣道燃油噴射（Port Fuel Injection，PFI）發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種低成本的有效手段，但PFI發(fā)動(dòng)機(jī)原始顆粒物排放量仍高于標(biāo)準(zhǔn)限值，因此需要加裝汽油機(jī)顆粒物捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）。發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放由燃料不完全燃燒產(chǎn)生的碳煙和機(jī)油燃燒后添加劑產(chǎn)生的灰分組成，碳煙可以通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)再生，而灰分因無機(jī)鹽的不可燃燒性而無法再生，因此將對(duì)GPF產(chǎn)生持續(xù)性影響[3-4]。

目前，顆粒物后處理的相關(guān)研究多集中于汽油缸內(nèi)直噴（Gasoline Direct Injection，GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放和顆粒物捕集效果。帥石金等針對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物的形成機(jī)理和排放特性的研究表明，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的濃度數(shù)量級(jí)為107個(gè)/cm3，顆粒物粒徑主要分布在10～20 nm 和60～90 nm 的范圍內(nèi)[5]。鄭巍基于PFI增壓汽油機(jī)，對(duì)顆粒形成機(jī)理進(jìn)行了光學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)顆粒物數(shù)量（Particle Number，PN）與進(jìn)氣道燃料層的形成緊密相關(guān)[6]。閆峰等人基于某裝配GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，研究了GPF 對(duì)實(shí)際行駛污染物排放（Real Drive Emission，RDE）的影響，發(fā)現(xiàn)安裝GPF 后車輛的PN 降低到未安裝時(shí)的2.5%以下，可以滿足GB 18352.6—2016的要求[7]。張凱使用1.5L GDI發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)GPF耐久試驗(yàn)后的捕集率進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，灰分載量大于15 g/L的GPF 具有相似的捕集率[8]。通用汽車公司的Lauretta Rubino 研究了GPF 在GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)上的性能，并比較了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架與新歐洲駕駛循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）和全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）的實(shí)車測(cè)試結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架與實(shí)車測(cè)試得到的結(jié)果基本一致[9]。

目前，針對(duì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放控制的研究較為匱乏，然而PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)與GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)由于噴油方式不同，燃燒狀況存在差異[10]，產(chǎn)生顆粒物的形態(tài)也不同，因此，對(duì)PFI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究十分必要。本文基于某1.4T PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性，以及不同灰分載量對(duì)GPF 過濾特性、GPF 壓降、排氣溫度和整車燃油消耗率的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架及設(shè)備

本文的研究對(duì)象為某針對(duì)GB 18352.6—2016 研發(fā)的1.4 L 渦輪增壓進(jìn)氣道雙噴射四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為97 kW（5 200 r/min），最大轉(zhuǎn)矩為215 N·m（2 000～4 000 r/min）。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架如圖1所示，GPF獨(dú)立安裝在三效催化器（Three Way Catalyst，TWC）下游，GPF 的上、下游分別安裝壓力、溫度傳感器及氧傳感器。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架示意

本文使用CAMBUSTION DMS500 型顆粒物排放分析儀，可以實(shí)時(shí)測(cè)量粒徑為5 nm～2.5 μm 的顆粒物數(shù)量、質(zhì)量和粒徑分布，可通過以太網(wǎng)口與上位機(jī)進(jìn)行通信控制和數(shù)據(jù)采集。DMS500 采樣管通過三通閥與排氣管連接，采樣點(diǎn)可以通過操作閥門在GPF 上、下游之間進(jìn)行切換。

選用的GPF參數(shù)如表1所示，測(cè)功機(jī)及其他所需的設(shè)備如表2所示。

表1 GPF參數(shù)

表2 其他測(cè)試設(shè)備

2.2 試驗(yàn)過程

本文采用快速累灰臺(tái)架以實(shí)現(xiàn)不同灰分載量的GPF 老化[11]。累灰臺(tái)架基于燃燒器燃燒特定比例的汽油/機(jī)油混合物，并通過控制燃燒時(shí)間控制灰分生成量，采用高精度天平對(duì)GPF進(jìn)行稱量。

根據(jù)Christine K.Lambert 的計(jì)算和試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗率為51 362 km/L[12]。按本文選用的1.04%機(jī)油灰分計(jì)算，5 g/L、10 g/L、20 g/L 的灰分載量分別相當(dāng)于5萬km、10萬km、20萬km行駛里程。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷選取15%、30%、45%、60%、75%、90%共6個(gè)工況。首先，對(duì)未經(jīng)過GPF 處理的發(fā)動(dòng)機(jī)PN 和顆粒物質(zhì)量（Particle Mass，PM）進(jìn)行測(cè)試。其次，在不同的灰分載量下，測(cè)試經(jīng)過GPF后處理的排放特性，包括PN和PM、粒徑分布，以及排氣壓降、溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率等參數(shù)。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，控制試驗(yàn)邊界條件如表3所示。

表3 試驗(yàn)邊界條件

為了消除碳煙對(duì)GPF工作性能的影響，每2次測(cè)試之間將GPF 置于650 ℃的烘箱中保溫3 h，在此溫度和足夠的空氣供應(yīng)下，GPF 上的碳煙顆粒可以氧化再生。此外，每次稱量前，GPF 需在160 ℃的恒溫箱中保溫2 h以消除水分對(duì)總質(zhì)量的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)原始顆粒物排放特性

圖2所示為不同發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下GPF入口端的PN和PM。

圖2 不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放的PN和PM

由圖2可以看出，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的PN、PM總體上隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加。原始顆粒物排放的基礎(chǔ)濃度約為105個(gè)/cm3，遠(yuǎn)低于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的107個(gè)/cm3。在中小負(fù)荷下，PN增加速率較低，這是因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射量較小，可以在進(jìn)氣道內(nèi)較充分地混合，燃燒較好，因此顆粒物排放可以控制在較低水平。但在75%和90%負(fù)荷下，過量空氣系數(shù)λ由1.000 分別降至0.975 和0.955，混合氣較濃，在進(jìn)氣道壁面及進(jìn)氣閥背面開始形成大量油膜。油膜被吸入氣缸后，由于霧化不充分，導(dǎo)致燃燒不完全，產(chǎn)生大量碳煙[13-14]。這兩種負(fù)荷下，顆粒物排放量分別劇增約5倍和10倍。

此外還可以觀察到，15%負(fù)荷時(shí)PN、PM較30%負(fù)荷時(shí)略高，這是因?yàn)樵?5%負(fù)荷下，燃燒溫度較低，燃燒劣于30%負(fù)荷時(shí)。而發(fā)動(dòng)機(jī)60%負(fù)荷時(shí)的PN、PM 則較45%負(fù)荷時(shí)低，發(fā)動(dòng)機(jī)在60%負(fù)荷下的燃燒條件較好，氣缸內(nèi)的工作介質(zhì)和燃燒溫度升高，排氣溫度接近600 ℃，提高了燃燒過程中產(chǎn)生的初級(jí)碳煙和HC 被氧化的比率，從而降低了初級(jí)碳煙和HC 成核的可能性，降低了顆粒物排放量。

不同負(fù)荷下顆粒物的粒徑分布結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，在60%的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，顆粒物數(shù)量的降低主要體現(xiàn)為核模態(tài)顆粒物數(shù)量的降低。每個(gè)微粒的平均質(zhì)量較低，因此圖2中發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷由45%增加到60%時(shí)PM 的下降率低于PN 的下降率。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷由60%增加到75%時(shí)，顆粒物數(shù)量的增長以積聚模態(tài)為主，因此PM的增長速率高于PN的增長速率。

由圖3 還可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷下，顆粒物粒徑主要分布在小于30 nm的核模態(tài)下。在大負(fù)荷下，粒徑分布出現(xiàn)2 個(gè)峰值，分別為10～20 nm 的核模態(tài)和100～200 nm的積聚模態(tài)。這也是由于大負(fù)荷下混合氣較濃，混合不均勻，燃燒條件惡劣，從而產(chǎn)生大量積聚模態(tài)顆粒物。

圖3 不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放的顆粒物粒徑分布

圖3 中的粒徑分布情況可以解釋GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的PN較PFI發(fā)動(dòng)機(jī)高2個(gè)數(shù)量級(jí)，但PM只高1個(gè)數(shù)量級(jí)[15]的現(xiàn)象。與GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物粒徑的分布相似[16-17]，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的粒徑分布也存在2 個(gè)峰值。主要峰值仍可分為核模態(tài)和積聚模態(tài)，但PFI 的核模態(tài)直徑為10～20 nm，積聚模態(tài)直徑為100～200 nm，而GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的核模態(tài)直徑為10～20 nm，積聚模態(tài)直徑只有60～90 nm[5]。可以看出，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的積聚模態(tài)顆粒平均直徑遠(yuǎn)大于GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的平均質(zhì)量大于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.2 灰分載量對(duì)GPF捕集率的影響

為研究灰分載量對(duì)GPF 捕集率的影響，在30%發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況下，分別對(duì)灰分載量為0、5 g/L、10 g/L 和20 g/L的GPF捕集率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同灰分載量下的GPF捕集率

本文采用的GPF在全新條件下的捕集率相對(duì)較高，約為85%。而隨著少量灰分的加載，其效率即有較大的提高，5 g/L 的灰分載量可使捕集率達(dá)到97%，隨著灰分的進(jìn)一步積累，效率提高至99%。

在灰分加載初期，灰分主要沉積在GPF的內(nèi)壁孔道內(nèi)部和內(nèi)壁壁面，分別減小了GPF孔隙直徑和增加了孔道長度，極大地提高了GPF 的過濾效率。因此，灰分加載初期，GPF捕集率隨灰分加載而上升的斜率較大。灰分加載后期，灰分主要在GPF孔道末端形成“堵頭”，減少了過濾面積，因此，隨灰分增長，GPF捕集率增長速率較低。

為了探究GPF 對(duì)不同粒徑顆粒物的捕集率是否具有一定的規(guī)律性，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出灰分載量為0 時(shí)GPF 前、后粒徑分布情況，如圖5 所示，可以發(fā)現(xiàn)，GPF前、后兩側(cè)顆粒數(shù)分布曲線峰值粒徑存在差異，這意味著GPF對(duì)不同粒徑顆粒物的捕集率不同。

圖5 灰分為0時(shí)GPF上、下游顆粒物粒徑分布及捕集率

從圖5中可以看出，GPF下游的顆粒物濃度峰值在粒徑100～300 nm 范圍內(nèi)，表明GPF 對(duì)該粒徑范圍的顆粒物捕集率很低。測(cè)試中GPF的整體捕集率為85.6%，對(duì)粒徑50 nm 以下及350 nm 以上顆粒物的捕集率都達(dá)到90%及以上，但100～250 nm 的顆粒物捕集效率低于整體水平，粒徑200 nm左右的捕集率約為65%，僅為總捕集率的76%。

GPF主要通過擴(kuò)散機(jī)制、攔截機(jī)制和碰撞機(jī)制捕獲顆粒物，捕獲機(jī)制取決于顆粒物的粒徑。擴(kuò)散機(jī)制通常作用在核模態(tài)顆粒物粒徑范圍內(nèi)，核模態(tài)顆粒物粒徑小，狀態(tài)不平衡，因此布朗運(yùn)動(dòng)較為劇烈，易擴(kuò)散至GPF內(nèi)壁而被捕獲。而大于400 nm 的顆粒物體積、質(zhì)量較大，難以隨氣流運(yùn)動(dòng)，因此主要通過攔截和撞擊的方式被GPF 捕獲。中等粒徑范圍內(nèi)的顆粒物一方面相對(duì)容易被氣流攜帶，另一方面由于體積較大，布朗運(yùn)動(dòng)弱，無法高效地通過3種機(jī)制被捕獲，導(dǎo)致捕集率較低[18-19]。

GPF捕集顆粒物的過程可分為“深床過濾”和“煙餅層過濾”2 個(gè)階段。在“深床過濾”階段，布朗運(yùn)動(dòng)和攔截機(jī)制是GPF 的主要捕獲機(jī)制。因此，對(duì)于處于“深床過濾”階段的新鮮GPF，100～250 nm 顆粒物的捕集率低。布朗運(yùn)動(dòng)和攔截機(jī)制的捕集率與GPF孔隙率、排氣流速、動(dòng)力粘度和顆粒物粒徑有關(guān)[20]。

為探究灰分載量對(duì)GPF 捕集不同粒徑顆粒物效率的影響，以20 g/L 灰分加載的GPF 與灰分載量為0 的GPF進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：20 g/L灰分載量的GPF 的總捕集率為99.16%，遠(yuǎn)高于灰分載量為0 的GPF；20 g/L 灰分載量的GPF 對(duì)粒徑50 nm 以下核模態(tài)顆粒物的捕集率達(dá)到98%以上，高于灰分載量為0的GPF的90%，對(duì)大于300 nm的積聚模態(tài)顆粒物的捕集率與對(duì)粒徑50 nm 以下核模態(tài)顆粒物的捕集率幾乎相同；最低捕集率的顆粒物粒徑分布與灰分載量為0的GPF 相似，約為200 nm，但此時(shí)GPF 的最低捕集率為85%，遠(yuǎn)高于灰分載量為0的GPF的65%。

圖6 20 g/L灰分載量GPF上、下游顆粒物粒徑分布及捕集率

3.3 灰分載量對(duì)排氣系統(tǒng)及燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

排氣背壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性有著重要影響。高排氣背壓會(huì)導(dǎo)致殘余廢氣系數(shù)和泵氣損失升高，降低功率輸出和燃油經(jīng)濟(jì)性。

GPF 的安裝會(huì)提高背壓，進(jìn)而造成排氣阻力增大，尾氣中熱量的傳輸也受到阻礙，使得GPF前的溫度隨著灰分的增加而升高。本文通過試驗(yàn)探究GPF 對(duì)排氣壓降以及GPF前排氣溫度的影響。

45%負(fù)荷時(shí)，不同灰分載量下的GPF前溫度和壓降如圖7 所示。由圖7 可以看出，隨著灰分載量的增加，GPF的壓降增加速率可分為3個(gè)階段。第1個(gè)階段為灰分載量5 g/L以下，壓降增速最高，壓降相比灰分載量為0時(shí)增加0.8 kPa，增幅為21%。在這一階段，堆積在GPF上的灰分主要減小了孔隙的尺寸，這對(duì)壓降有較大影響。第2個(gè)階段為灰分載量5～10 g/L范圍內(nèi)，壓降增長率逐漸降低，增幅為4.5%。這一時(shí)期積累的灰分開始沉積在內(nèi)壁上形成灰分層，增加了孔隙的長度，這進(jìn)一步增加了壓降[21]。在第3個(gè)階段，壓降增長率非常低，僅為0.6%。這一階段積累的灰分沉積在GPF 的末端，部分減小了孔道長度，但相比于孔道整體長度影響較小，因此對(duì)壓降的影響也較小。

圖7 不同灰分載量下的GPF前排氣溫度及壓降

由圖7 還可看出，排氣受阻導(dǎo)致GPF 前溫度升高，溫升的趨勢(shì)與壓降增長趨勢(shì)基本一致。灰分載量5 g/L以下溫升幅度最大，為2.19%，之后2 個(gè)階段分別降為0.99%和0.28%。

圖8 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨負(fù)荷和灰分載量的變化曲線。從圖8 中可以看出，在相同負(fù)荷下，隨著灰分載量的增加，燃油消耗率提高。隨著GPF積累灰分增多，排氣背壓升高，使得缸內(nèi)的殘余廢氣量和泵氣損失增加，缸內(nèi)燃燒變差、負(fù)功增加，因此在負(fù)荷不變的情況下，燃油消耗率有所提高。同時(shí)，隨著負(fù)荷的增加，灰分載量對(duì)燃油消耗率的影響加劇，原因在于大負(fù)荷工況下，GPF 引起的排氣背壓升高更加顯著，因此對(duì)燃油消耗率的影響更大。

圖8 不同灰分載量及發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下的燃油消耗率

灰分載量為0 的GPF 與灰分載量為5 g/L 的GPF 燃油消耗率存在較大差距。但灰分載量由10 g/L 變化為20 g/L時(shí)燃油消耗率變化很小，這與排氣壓降變化趨勢(shì)相似，可以看出GPF主要是通過影響排氣背壓影響燃油消耗率。灰分載量為20 g/L 時(shí)與灰分載量為0時(shí)相比，燃油消耗率在小負(fù)荷下增加約10 g/kW·h，增幅為3%～4%，中大負(fù)荷下增加約15 g/kW·h，增幅達(dá)到7%。

4 結(jié)束語

本文研究了某型PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下的顆粒物排放和不同灰分載量下的GPF性能，得到以下結(jié)論：

a.總體上PFI 發(fā)動(dòng)機(jī)的原始PN、PM 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加。在中小負(fù)荷下，PN、PM 隨負(fù)荷增加的幅度較平緩。大負(fù)荷下，顆粒物排放急劇增加，90%負(fù)荷下的PN約為15%負(fù)荷時(shí)的10倍。

b.隨著灰分載量的增加，GPF的捕集率提高。在5 g/L 灰分載量下，捕集率由新鮮GPF 的85%提高到97%，20 g/L灰分載量時(shí)捕集率超過99%。

c.GPF 對(duì)粒徑為200～300 nm 的積聚模態(tài)顆粒的捕集率較低。灰分載量的增加可以較為明顯地提高對(duì)300 nm以下顆粒物的捕集率。

d.灰分的積累提高了排氣背壓，進(jìn)而使GPF前排氣溫度升高，并增加了泵氣損失，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性降低，灰分載量為20 g/L 時(shí)與灰分載量為0時(shí)相比，燃油消耗率在小負(fù)荷工況下提高3%～4%，中大負(fù)荷工況下提高約7%。

致謝

感謝中自環(huán)保科技股份有限公司為本文的研究提供GPF測(cè)試樣件。