基于燃燒器的GPF快速累灰測試方法及其應用

鄧俊，李笑杰，李夢迪，李理光,2

(1.同濟大學汽車學院,上海 201804；2.同濟大學中德學院，上海 201804)

0 引言

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提高[3]，國六排放法規的實施及對汽油機顆粒物排放的嚴格限制，使乘用車汽油機顆粒捕集器(Gasoline Particulate Filter，GPF)成為解決GDI汽車較高顆粒物排放問題的必備裝置[4]。由于發動機工作過程中，極少量機油會進入燃燒室燃燒并隨廢氣一同排出，對發動機排放及后處理部件產生影響[5]。灰分成分為機油各種添加劑中的鈣、磷、鋅等化合物[6]，無法通過再生的方式去除，只能將GPF從排氣系統中拆下用物理方法除去[7]，因此，探究機油灰分在GPF上積累的影響以及GPF的耐久性很有必要[8]。但灰分在GPF內部沉積是一個漫長的過程，需要經過長時間積累和再生后才能達到一定的累灰水平[9]，給科研工作帶來極大的不便。因此，探究灰分積累需要尋找一種快速、可靠的GPF快速累灰的方法。

2008年，Sloan汽車研究所的Alexander G.Sappok等人[10]設計了一個機油-柴油混合燃燒器，并將得到的尾氣與發動機尾氣一起通入DPF中來快速累灰，該臺架可在10 h內達到40 g/L灰分積累量。2010年，NGK的Shuji Fujii[11]介紹了一種新的灰分快速積累方法，即在天然氣燃燒器及DPF之間補充顆粒物直徑為1.9～2.4 μm，密度為2.7～2.8 g/cm3的碳酸鈣顆粒，并將結果與文獻進行比較，證明了所提出測試方法的有效性。2010年，Cambustion公司的TimHands等人介紹了一種基于燃燒器的柴油機顆粒物生成器[12]，該儀器每小時可以產生超過1.5 g的灰分顆粒，并且依靠真空泵調節燃燒器的燃燒壓力，使其不受DPF加載程度的影響。2019年亞琛工大Stefan Sterlepper等人設計了一個燃燒器試驗臺[13]，并與摻雜機油燃燒的實車試驗數據進行比較，結果表明新的累灰方法與實車結果相當，并發現在燃燒器中過大貫穿距將導致極小的顆粒主要聚集在GPF壁面，引起不合理的高背壓。

上述工作設計的快速累灰臺架，均可以較好地實現快速地捕集器累灰，但都僅能實現單一燃燒工況或手動進行預設的幾個工況切換，無法自動實現精準控制的任意工況。

本文設計并建立了一種可實現自動控制的任意燃燒工況的快速累灰臺架，在此臺架基礎上對GPF開展累灰測試，對樣件進行了掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分析、能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析，并進行了發動機臺架測試及整車上的全球輕型汽車測試循環(World-wide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC)試驗。

1 快速累灰臺架系統設計

本文基于燃燒器進行了臺架設計與搭建，整體設計簡圖如圖1所示。臺架由燃燒器、油路、壓縮空氣、協流空氣、排氣管系統，以及GPF等組成，各部分放大圖如圖2所示。

燃燒器硬件部分最主要的部件為自行設計的基于空氣/燃油霧化燃燒方式的燃燒盤。為了滿足大比例摻混機油燃燒，燃燒盤的中心為一個四孔的空氣輔助霧化噴嘴，并在兩側對稱布置兩個圓弧狀協流孔。通過試驗結合仿真的方法，對噴嘴噴霧特性進行研究。試驗結果表明，優化噴嘴直徑和輔助空氣壓力可以改善燃油霧化，并實現了小油滴在燃燒器點火區域的均勻分布。通過仿真結果確定燃燒盤幾何尺寸及火花塞位置。

圖1 基于燃燒器的GPF灰分快速積累臺架設計

圖1是基于燃燒器的GPF灰分快速積累臺架設計簡圖，在GPF的累灰試驗中，需要實時監控和記錄GPF前的溫度、壓力和排氣流量等數據，以及實現燃燒工況的自動控制。基于LabVIEW的數據采集框架的搭建實現了傳感器的穩定采集，在整個試驗過程中遠程實時監控并記錄采集數據，如圖3(a)。為實現進氣流量及溫度的變化，搭建點火噴油及進氣流量控制程序如圖3(b)、3(c)，測試循環綜合控制界面如圖3(d)，可以根據實際需求在手動控制和自動控制之間進行切換。

圖2 燃燒臺架各部分結構

(a)數據采集程序前面板

為實現指定排氣溫度，對燃燒器噴油工況進行標定，噴油量與著火邊界關系如圖4所示。圖中將噴油量脈譜圖分為三個區域：失火工況、燃燒不穩定工況、燃燒穩定工況區域。試驗中在穩定工況區域實現指定排氣溫度。

圖4 噴油量與著火邊界的關系

為了實現可控排氣流量，需要通過變頻器對供氣風機進行控制。其中，變頻器控制參數的整定包括提供協流進氣量的大風機和提供稀釋進氣量的小風機PID控制整定，經過整定的風機流量控制效果如圖5。

圖5 變流量的PID控制性能

當變化梯度為50 m3/h時，相比于設定值，此時超調量穩定在10%以內，且階躍響應下只有兩個較明顯的波峰，符合試驗過程中對變流量PID控制性能的要求。當變化梯度從50 m3/h增大至100 m3/h時，此時超調量為18%，也在要求范圍之內。當變化梯度進一步增大至150 m3/h甚至200 m3/h時，此時超調量也滿足通常30%以內的要求。

此外，累灰試驗中會包含多種排氣工況，排氣工況的變化需要排氣溫度能夠快速變化并穩定在設定值。因此在排氣工況變化時，不僅需要排氣流量的快速轉換，也需要排氣溫度能夠在較短的時間內進行響應。圖6為通過噴油點火控制排氣溫度變化的PID控制性能圖。其中，350 ℃到600 ℃的設定溫度范圍也基本涵蓋了GPF積炭、累灰以及再生所需要的排氣溫度。

圖6 噴油點火控制排氣溫度變化的PID控制性能

在排氣流量與噴油點火均可實現控制的基礎上，對綜合排氣工況控制性能進行驗證。采用6段排氣工況，每段持續300 s。試驗中為排氣溫度和排氣流量的響應設置不同梯度值的工況點切換，目標值根據圖5和圖6的試驗工況范圍進行設定。1～2段排氣工況具有相同的排氣流量和不同的排氣溫度，可用來表示該臺架系統的恒流變溫控制性能，2～3段排氣可表示變流恒溫控制性能，3～4段、4～5段以及5～6段表示變流變溫過程，其中3～4段為升溫降流，4～5段為升溫升流。由圖7總體可得，該臺架系統能夠提供可控并穩定的排氣工況。

圖7 排氣工況的控制性能

2 SEM及EDS分析

在實現穩定燃燒的基礎上，本文利用試驗臺架對表1中的9種機油與汽油進行體積比1∶2的摻混，通過大幅度提高機油混合比例加速灰分的累積。進行了不同程度的累灰試驗，并選取其中的部分樣件進行了多種測試，從表中可以看出，機油灰分量的大小與金屬元素，尤其是鈣元素含量相關性較大[14]。

首先選取5號機油的四種不同灰分累積量的GPF進行了掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)分析，灰分載量0、11.4、19.1、30.6 g/L的捕集器分別記為A0、A1、A2、A3。為了研究灰分在捕集器內的累積分布，對捕集器內部不同位置取點進行SEM測試。該檢測的電子受5 kV的電壓加速，工作距離9.7～11.2 mm不等，放大倍數均為50倍。

圖8為進氣入口不同灰分積累量下的SEM圖像。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

對比進氣端的四種灰分累積量的圖像，發現不同灰分累積量的捕集器孔道內無明顯變化，說明灰分較難沉積在進氣端，這是由于在入口端的氣體內顆粒的流速較快，動能較大，無法通過重力等因素沉積下來。

如圖9所示為中部不同灰分積累量下的SEM圖像，在中部可以看到在10 g/L的沉積量和20 g/L的沉積量下，無法看到明顯的灰分沉積，但是在30 g/L的沉積情況下，可以看到少量的灰分沉積。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器

表1 試驗機油參數

如圖10所示為出氣端不同灰分積累量下的SEM圖像，可以看出，隨著灰分累積量的增加，出氣端灰分累積越來越明顯，在灰分含量達到30 g/L時，出氣端的孔道已經被灰分堵塞。

(a)A0捕集器 (b)A1捕集器 (c)A2捕集器 (d)A3捕集器

根據SEM圖可明顯觀測到汽油機顆粒捕集器中的灰分分布狀況為：灰分從進氣端到出氣端逐漸變厚。隨累積量增加進氣端厚度無明顯增加，中部和載體出氣端的孔道增厚較為明顯，灰分大部分堆積于載體出氣端的孔道內。該現象說明隨著灰分捕集量的增加被捕集到的灰分向出氣端沉積。

如圖11所示為出氣端灰分沉積層的SEM掃描圖，該掃描圖的電子加速電壓為5 kV，工作距離分別為10.8 mm、10.9 mm，10.6 mm，放大倍數均為2000倍。

圖11 A捕集器出氣端灰分沉積層的SEM圖

從圖11中可以看出，隨著灰分沉積量的增加，灰分顆粒沉積的形狀越來越不規則。相比于30 g/L的灰分顆粒，10 g/L的灰分顆粒形態較均勻，大部分為均勻的球狀物，而30 g/L的灰分相互之間連成一片，形態不規則，粒徑較大。在粒徑方面，可以觀測到此次試驗在汽油機顆粒捕集器中形成的灰分沉積層顆粒粒度主要集中在1～5 μm之間。

為了研究不同元素在汽油機顆粒捕集器不同位置的分布情況，對A3捕集器的不同位置進行了能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析。

如圖12所示為進氣端測試位置外觀以及Ca、Zn、P元素地分布情況，從圖12中可以看出，Ca元素主要分布在圖片的上部，即灰分層當中，而向內部即載體壁方向Ca元素分布逐漸減少。Zn元素在灰分層分布稍多，但是總體在灰分層到載體壁方向上分布較均勻。P元素從灰分層到載體壁方向分布較多且較均勻。

(a)測試位置外觀 (b)Ca元素分布圖

如圖13所示為捕集器中部測試外觀和Ca、Zn元素的分布，Ca元素基本集中于灰分層中和涂層中，且灰分中的密度遠高于涂層；Zn元素分布較為稀疏，灰分層中相對于涂層中分布較多，但總體比較均勻。

圖13 A3捕集器中部EDS分析圖

如圖14所示為出氣端的測試位置外觀和Ca、Zn、P元素分布圖。從圖14中可以看出，Ca元素很明顯密集地分布在灰分層中。Zn元素主要分布在灰分層與涂層中而且較為稀疏。P元素較為平均地分布在灰分層、涂層、載體壁中。

(a) 測試位置外觀 (b)Ca元素分布圖

綜合以上數據可以推測出5號機油引入Ca、Zn、P這三種主要元素到涂層和載體中的難易程度為P最易沉降，Zn其次，Ca元素最難沉降。

3 臺架試驗

在發動機臺架試驗中，選用了4號機油，進行了6種不同程度的累灰。

為了研究GPF灰分加載量對GPF捕集效率的影響，選取1500 r/min、30%負荷率，測試0 g/L、2 g/L、5 g/L、10 g/L、20 g/L和30 g/L灰分載量下的灰分捕集效率特性，結果如圖15所示。

圖15 灰分載量對GPF整體捕集效率的影響

在低灰分載量下，GPF捕集效率隨著灰分載量的提高有較快的提高。2 g/L灰分載量時捕集效率即可達到95.56%，5 g/L灰分載量時達到97.27%。在5 g/L灰分加載量之后，GPF捕集效率隨灰分載量的提升速度降低。10 g/L灰分載量時捕集效率達到98.51%，20 g/L達到99.22%，30 g/L達到99.64%，此時GPF可以將顆粒物數量降低2個數量級，具有顯著的后處理效果。

發動機產生的顆粒物粒徑分布范圍較大，包含核膜態顆粒物和積聚態顆粒物[15]，因此探究GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率，以及灰分對GPF捕集不同粒徑顆粒物的效率是否具有影響對于GPF的研究開發具有重要意義。對4號機油0 g/L和20 g/L灰分載量下GPF前后不同粒徑的顆粒物水平進行了統計，計算了GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率。

對0 g/L和20 g/L灰分載量的GPF捕集效率進行分析，如圖16所示，可以看出兩種灰分載量下，捕集效率最低的顆粒物直徑范圍均為200 nm上下，但20 g/L灰分載量時的最低捕集效率已達到85%，遠高于新鮮GPF的67.5%的最低捕集效率。可見灰分由于沉積在GPF孔隙中，減小了孔隙直徑，因此顯著提高對小粒徑顆粒物的捕集效率，并整體提高了GPF的捕集效率。

圖16 不同灰分載量GPF對不同粒徑顆粒物的捕集效率

發動機排氣系統的開發過程中排氣背壓是一個重要設計指標，其對發動機的燃油經濟性、動力性以及振動噪聲均具有重要的影響[16]。高排氣背壓會升高氣缸內的殘余廢氣系數，導致較低的充量系數，造成燃燒惡化，并會增加排氣阻力，提高泵氣損失，降低了發動機功率輸出和燃油經濟性。加裝GPF將導致排氣背壓增高，帶來更高的泵氣損失等問題。且隨著灰分沉積量的增加，GPF壓降也將隨之增大。

探究灰分對GPF前后壓力損失(壓降)的影響，不同發動機負荷率及灰分載量下，GPF前后壓降如圖17所示。

從圖17中可以看到，GPF壓降總體隨灰分載量增加而升高，但每個階段升高幅度不盡相同。在灰分積累初期，灰分增加對GPF壓降值影響很大，5 g/L灰分已經使GPF壓降增加了近1.3 kPa。之后壓降增長率略有下降，5～10 g/L灰分載量之間，5 g/L的灰分增加使GPF壓降值增長了約0.5 kPa。而在10 g/L灰分載量之后，灰分增加對壓降升高影響減弱，10～30 g/L灰分載量之間，20 g/L的灰分增加量僅使GPF壓降升高了0.35 kPa。

發動機的燃油消耗率受排氣背壓的影響，在不同灰分載量及不同發動機負荷率下的燃油消耗率如圖18所示。

圖18 不同灰分載量及發動機負荷率下的燃油消耗率

從圖18中可以看到，同一工況下燃料消耗率隨灰分載量的增加而增加，并隨著發動機負荷的增加，灰分載量對燃油消耗率的影響加劇。在中低負荷率下，30 g/L灰分提高約4%燃油消耗率，而在90%大負荷率下，30 g/L灰分對燃油消耗率的提高則達到7%。

由于GPF前形成一定高壓區，發動機排氣受阻，尾氣中的熱量無法及時地隨氣流排出，因此在相同的動力輸出下，GPF前的尾氣溫度隨著灰分載量的增加而有一定量的升高。不同發動機負荷率及灰分載量下的GPF前端的溫度如圖19所示。

圖19 不同發動機負荷率及灰分載量下GPF前端溫度

4 整車試驗

選取了5號機油的3種梯度的灰分積累量的捕集器并使用3號和8號機油累灰至30 g/L的捕集器進行整車WLTC循環的排放測試，5號機油累灰GPF即前文的A0、A1、A2、A3捕集器，3號和8號機油30 g/L累灰的GPF記為B和C捕集器，研究了不同灰分累積量和不同灰分來源對PN、PM排放的影響。

如圖20所示為配備了A0、A1、A2、A3捕集器的整車PN排放秒采值，從圖中可以看出，顆粒物排放主要集中在第1階段中的冷啟動階段，此時PN排放有一個極高的峰值，隨后急劇降低。由于車輛原排較低，不同灰分積累件PM、PN測試值未顯示出應有的差異，顆粒物捕集效率均超過了98%，PM、PN均處于同一數量級。秒采數據顯示與新鮮捕集器相比，積累灰分后的捕集器整車測試過程中秒采峰產生了極大的下降，降幅從原峰值約400 個/厘米3附近降低至50 個/厘米3以下。峰型也產生了變化，A1、A2捕集器峰型由毛刺狀變為由高逐漸降低的斜坡狀，PN秒采值均在300 s處接近于0，而A3捕集器PN趨勢顯示為了擁有多個峰值的峰型，在300～600 s階段其值在0～10 個/厘米3波動，但是總體排放相對于新鮮捕集器有所降低。以上現象均表明，經過灰分積累后的捕集器變得更加有利于顆粒物的捕集。

圖20 配備A系列捕集器的整車WLTC循環測試顆粒物排放數量秒采值

如圖21所示，為配備了A0、A3、B、C四種捕集器的整車顆粒物排放秒采數據。從圖21中可以看出，相比于新鮮捕集器，積累灰分后的B、C捕集器整車測試過程中秒采峰產生了極大的下降，降幅從原峰值約400 個/厘米3附近降低至50 個/厘米3以下。峰型也產生了變化，峰型由毛刺狀變為由高逐漸降低的斜坡狀，PN秒采值均在300 s處接近于0，而A3捕集器的顆粒物排放數量的峰形雖然在低速段有多個峰值，但整體排放也遠低于新鮮GPF，并逐漸降低后在300～600 s階段低于10 個/厘米3。以上現象均表明，不同灰分來源對GPF的捕集效率影響并不顯著，經過不同灰分積累后的捕集器均可十分有效地對顆粒物進行捕集。

圖21 配備不同灰分累灰來源的捕集器的整車WLTC循環測試顆粒物排放數量秒采值

5 總結

(1)本文設計并搭建了一個基于燃燒器的GPF灰分快速積累的后處理臺架系統，實現了機油∶汽油體積比為1∶2條件下穩定燃燒，并實現了自動控制各種燃燒工況的功能。

(2)進行了九種機油的累灰試驗，并選取5號機油累灰至3個灰分梯度進行SEM、EDS分析，SEM結果表明：灰分大部分沉積在出氣端孔道內，灰分沉積層粒度主要在1～5 μm；EDS分析結果表明：相比于Ca元素、Zn元素和P元素更容易沉降到涂層和載體層。

(3)GPF對不同粒徑的顆粒物捕集效率存在差異，200～300 nm粒徑范圍內的顆粒物被捕集的效率較低。但灰分的積累可以有效提升300 nm以下粒徑范圍內的顆粒物捕集效率。灰分的積累會提高GPF壓降，在不同的發動機負荷下導致油耗不同程度地提高。

(4)研究了不同灰分累積量與灰分來源對整車排放的影響，結果表明：捕集器在30 g/L水平累灰后，PN捕集效率均大于98%，而不同灰分來源對GPF捕集顆粒物的效果無明顯影響。