汽油車GPF耐久排放特性的試驗研究

孫國斌 潘炳佳

摘要：依照國六標準GBl8352.6-2016，對一輛裝備GPF的國六輕型直噴汽油車，采用標準道路循環（SRC）在整車耐久轉鼓上運行16萬km耐久試驗，每間隔1萬km里程進行國六I型排放試驗。結果表明：隨耐久里程增加，PN/PM排放明顯降低，其他排放污染物略有上升，CO2變化不明顯。跑行至5萬km時，PN排放比0km時下降了兩個數量級，并在后續的耐久跑行中趨于穩定。在WLTC排放測試循環的49速度段中，低速段（Low）對PN排放的貢獻權重最大。

關鍵詞：GPF;PN;WLTC;耐久試驗

中圖分類號：U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0026-04

孫國斌

現就職于廣汽本田汽車有限公司，主要從事汽車的測試認證和項目管理等工作。

1引言

近年來，隨著中國CAFC法規的日趨加嚴，渦輪增壓（Turbocharger）+汽油缸內直噴（GasolineDirect injection）因可以有效地提高發動機的動力性與燃油經濟性，已經成為輕型汽油車的主流動力總成技術路線。但是，采用汽油缸內直噴技術會減短燃料與空氣的混合時間，導致混合氣混合不均勻，使得汽油機的顆粒物排放的質量和數量都顯著增加。

當前國六排放法規GBl8352.6-2016即將在全國范圍內實施，標準明確要求生產商對汽油車的顆粒物排放進行控制，并且新增了顆粒物數量（PN）需滿足6×1011的法規限值要求。GPF（汽油機顆粒捕集器）作為降低直噴汽油機顆粒物排放的主要后處理技術之一，已逐步在國內直噴汽油車型上得到了廣泛的應用。

2GPF工作原理

目前應用最為廣泛的GPF載體材料是堇青石，其主要優點在于成本低、熱膨脹系數低以及耐高溫和機械強度高。GPF構造上具有許多平行的軸向蜂窩孔道，而且相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵塞。其具體結構如圖1所示：

GPF的過濾機理為讓燃燒產生的尾氣流經多孔介質載體壁面，尾氣中的微粒通過各種機制被捕集在載體壁面內及載體壁面上。當微粒的吸附量達到一定程度后，通過再生機制將吸附在上面的積碳微粒燒掉，變成對人體無害的二氧化碳排出。微粒被捕集的主要機制有：擴散沉積、慣性沉積、重力沉積以及攔截沉積，如圖2所示。其中，攔截沉積跟GPF的耐久特性最為相關，在載體壁面形成碳煙層之前，攔截沉積作用并不顯著，而在碳煙層形成后，其對微粒捕集起最主要作用。

國內當前主流的GPF都涂覆了催化劑，也就是兼ATWC和GPF的功能，在排氣管中的布置方式一般有兩種：緊耦合布置（Closed-coupled簡稱CC）和后置式布置（Under-Chassis簡稱UC），見下圖3。緊耦合式布置即把GPF和TWC集成到一起，安裝在距離排氣歧管較近的地方，后置式布置是把GPF安裝在距離TWC較遠的下游位置。兩種布置方式都有各自的優缺點。緊耦合式因排氣溫度高，具有易于再生的優點。后置式布置的優點是排氣溫度、速度都較低，有利于形成PM層，從而提高PN的過濾效率。

3試驗方案

依照國六標準GBl8352.6-2016，對裝備GPF的一輛國六輕型直噴汽油車，采用下圖4的標準道路循環（SRC）在整車耐久轉鼓上運行16萬km耐久試驗，每間隔1萬km里程時進行國六I型排放試驗，試驗工況為圖5所示的WLTC輕型車測試循環。

試驗整車為1臺符合國六（b階段）PN6×1011限值的1.5T直噴汽油車，GPF型式為緊耦合布置：前級單元為TWC，后級單元為兼具TWC功能的CGPF。試驗樣車參數如表1，排放試驗設備參數見表2：

4試驗結果

圖6是試驗樣車16萬km耐久的排放結果，包括CO、THC、NMHC、NOx、PM、N2O以及PN等七種排放污染物，其中，N2O和PN是國六標準新增的污染物。在整個16萬km耐久全程各污染物均低于國六（b階段）限值，判定試驗結果OK。氣態排放物CO、THC、NMHC、NOx、N2O在不同的耐久里程測試結果會有一定幅度的波動，但整體上變化不大，顆粒物質量PM和顆粒物數量PN整體上呈降低趨勢，尤其是PN，到16萬km耐久結束時已比初始值下降了兩個數量級。

圖7、圖8分別是根據耐久試驗結果計算出的加算劣化修正值DF（+）、乘算劣化系數DF（×），DF（+）遠低于標準推薦值，而DF（×）與標準推薦值比較接近，這是因為各排放物在耐久期間都遠低于限值造成的。

GPF的導入，主要是為了降低國六標準新增的PN顆粒物數量，由圖6可知，在0km時PN排放很高，達到限值的90%以上，跑行到1萬km時就大幅下降至1/3，到2萬km基本下降了一個數量級，5萬km下降了兩個數量級，之后基本就穩定在限值的1%以內了。這是因為新車的時候GPF腔壁上的過濾孔隙大小不一，0-5萬km期間，隨著耐久里程增加，灰分的累計和再生不斷重復進行，灰分層的積累使汽油機顆粒過濾器過濾機理中的攔截沉積作用增強，有效過濾孔率提高，過濾效率隨之增大。嗍5萬km以后，有效過濾孔率達到相對穩定的水平，PN顆粒物排放數據也就保持在一個相對穩定的水平。

為了更清楚的了解GPF對顆粒物數量PN排放控制的耐久特性，把每1萬km低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）及超高速段（Extra High）各分部及Total結果繪制如圖9。由圖可知，低速段（Low）的PN結果對Total結果的貢獻權重最大，在5萬km時高達98%。中速段（Medium）、高速段（High）、超高速段（ExtraHigh）GPF的過濾效率較為穩定，而且隨耐久里程的增加，這三個速度段的PN排放比Low-V_況下降更快，在2萬km時就比0km降低了兩個數量級并趨穩，而L0w工況的PN排放到5萬km才真正結束下降趨勢，這也是造成Total的PN排放結果直到5萬km之后才趨于穩定的主要原因。因此，車輛低速工況在GPF耐久性開發設計中尤其需要重點關注。

隨車輛里程增加，GPF過濾效率提高的同時，會否造成排氣背壓增加，從而導致C02/油耗增多，也是裝備GPF的整車標定中需重點關注的。本次試驗，在整個0-16萬km的過程中，CO2排放一直呈正常的穩中有降的趨勢，說明該GPF的排氣背壓的變化并未對CO2、油耗產生惡化的影響，詳見圖10。

5結論

1）裝備GPF的國六輕型直噴汽油車，在耐久試驗前段，GPF過濾效率隨里程增加持續提升，PN/PM排放持續降低。尤其是PN，1萬km時大幅下降了約2/3，到2萬km下降了一個數量級，5萬km下降了兩個數量級，之后基本穩定在限值的1%以內。

2）WLTC排放測試循環的4個速度段中，低速段（Low）對PN排放結果的貢獻權重最大，而且隨耐久里程增加，低速段（Low）的PN排放下降速度遠低于中速段（Medium）、高速段（High）及超高速段（Extra High），因此，在GPF耐久性開發設計中需要重點關注車輛低速段的PN排放水平。

3）在本次16萬km的耐久過程中，該GPF的排氣背壓的變化并未對CO2、油耗產生明顯惡化的影響。