帶汽油機顆粒捕集器的后處理系統臺架快速老化研究

李 薛，曾志新，張 凱，駱洪燕

(廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院,廣州 511434)

0 概述

隨著GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》標準在中國范圍內實施，特別是在2023年7月1日起將全面執行實際行駛排放(real driving emission， RDE)要求，降低汽油車尾氣中的顆粒物排放成為了一項重大的挑戰[1-2]。汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter， GPF)作為應對汽油車顆粒物排放的有效方案，被廣泛地應用在整車排氣后處理系統中[3-4]。

目前使用的GPF主要為壁流式結構，通過帶有微孔的壁面對排氣中的顆粒物進行捕集。為兼顧對氣態污染物的處理，可在GPF載體上涂覆三效催化劑涂層。GPF捕集的灰分也會對催化劑性能產生影響。在GPF的實際開發使用中，如何制作臺架快速老化樣件成為一個值得關注的問題。目前關于三效催化劑涂覆的GPF熱老化后再進行灰分累積的研究較多，但是將熱老化和灰分影響進行耦合的研究相對缺乏[5-11]。

本文中基于發動機及搭載相應機型的整車，開展了帶GPF后處理系統的臺架老化試驗研究。將單獨熱老化和熱老化與機油灰分影響耦合老化的方式進行了對比試驗。本研究為后續GPF在整車上的應用及帶GPF的后處理系統臺架快速老化研究提供了理論數據支持。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本文中的試驗研究基于某款1.5 L增壓直噴汽油發動機及搭載該款發動機的整車進行。

采用發動機臺架進行后處理系統的快速老化，老化裝置結構簡圖如圖1所示。圖中，TWC為三效催化轉化器(three ways catalyst)。

圖1 快速老化裝置示意圖

試驗中所用整車與發動機的主要參數如表1所示。

表1 車輛及發動機主要參數

排氣系統結構示意圖如圖2所示。排氣系統由TWC、GPF和兩級消聲器組成。其中TWC與增壓器緊耦合；GPF上有三效催化劑涂覆，布置在車身地板下，其載體入口距離增壓器出口沿排氣走向距離約 900 mm。前、后氧傳感器分別布置在TWC的上下游。排氣后處理系統參數如表2所示。

圖2 排氣系統布置示意圖

表2 后處理系統主要參數表

試驗中使用的機油為4S店購買的原廠機油，機油相關參數及檢測結果如表3所示。

表3 機油參數表

1.2 試驗方法

將兩套同樣的帶GPF后處理系統樣件在發動機臺架上基于GB18352.6—2016中的標準臺架老化循環(standard bench cycle, SBC)分別進行等效整車20萬km耐久里程的快速老化。其中一組試驗中只考慮熱老化，老化過程中使用的燃油為正常狀態；另一組試驗中將熱老化與機油灰分影響進行耦合，老化過程燃油中添加了機油進行摻燒，機油添加總量與整車20萬km機油消耗量等同。兩組試驗過程中分別對樣件進行了灰分累積量、GPF壓差、催化劑性能、整車排放相關測試，測試項目如表4所示。

表4 測試項目匯總表

為能更好與16萬km實車耐久后樣件狀態進行對比，臺架老化GPF的CT掃描時間點對應16萬km，而非20萬km。

正式試驗前，為得到所需的臺架老化時長及老化循環催化劑中心初始控制溫度，將車輛按GB18352.6—2016中的標準道路循環(standard road cycle， SRC)進行了實際機油消耗量和催化劑中心溫測試，同時推算了GPF內的灰分參考沉積量。

將試驗車輛按SRC循環進行了3 000 km的測試，SRC循環工況及前級TWC中心溫度采集數據如圖3所示。

圖3 SRC循環工況車速及采集溫度

車輛按SRC循環運行3 000 km的實際機油消耗量為166.3 g，換算20萬km的機油消耗量為 11 087.8 g。根據機油灰分含量1.03%計算，20萬km發動機實際排出灰分總量為114.2 g。

機油中硼、鈣、鎂、磷、鋅元素在該類型GPF灰分中沉積率的推薦系數分別為5%、37%、31%、46%、37%[12]。

GPF灰分沉積率計算公式見式(1)。

(1)

式中，S為沉積率；ei為各元素對應的沉積率系數；mi為各成分的質量分數，10-6。

根據表3和元素沉積率系數計算得到灰分在GPF的參考沉積率為38.6%，即20萬km GPF內的灰分參考沉積量為44.1 g。

為保證摻燒機油情況下發動機能正常可靠地運行且灰分累積與實際耐久后狀態盡量接近，推薦臺架上GPF累灰速率控制在0.1 g/h左右，從而計算得到臺架需求總運行時間為441 h。

為使臺架熱老化時長和累灰需求時長保持同步，根據采集的SRC循環中催化中心溫度，按GB18352.6—2016中催化劑臺架老化時長計算方法反算，SBC循環老化441 h的情況下，臺架老化循環中催化劑中心初始溫度T需設定為810 ℃。

臺架熱老化時長計算公式見式(2)。

(2)

式中，taged為臺架老化時長，h；A為非熱老化影響因素校正系數，取1.1；th為溫度采集試驗的里程校正到目標壽命里程的系數；R為催化器熱反應性系數，取17 500；Tr為臺架老化循環催化器的等效基準溫度，K；Tv為采集到的溫度分組中對應組的中間溫度，K。

根據計算得到的臺架快速老化時長和臺架老化循環催化劑中心初始溫度進行臺架老化試驗，臺架老化使用的SBC循環工況如表5所示。

表5 SBC循環工況表

正式試驗中，樣件的累灰量通過稱重獲得，每次進行累灰質量測量前先在GPF入口溫度650 ℃以上、空燃比1.05左右的工況點進行清炭處理，之后拆下GPF進行熱態下的稱重，樣件總質量減原始狀態質量即為累灰質量。同時，對新鮮狀態及兩組臺架老化等效16萬km狀態的GPF進行CT掃描，對比觀察灰分在GPF載體內部的沉積情況。

每次清灰后通過GPF前后壓力傳感器壓力值計算得到GPF不同階段的壓差。壓力測試時排氣質量流量為180 kg/h，排氣系統入口溫度為780 ℃。

發動機臺架上進行的催化劑性能測試項目為催化劑起燃性能和催化劑的氧氣存儲能力(oxygen storage capability， OSC)測試。起燃性能試驗邊界條件為排氣質量流量110 kg/h，催化劑入口溫度 200 ℃～450 ℃連續升溫，升溫速率為15 ℃/min。OSC測試時進氣流量40 kg/h，入口溫度500 ℃，過量空氣系數從0.95變化到1.05，通過進氣量及前、后氧傳感器信號延遲時長計算得到OSC值。

OSC值計算公式見式(3)。

(3)

式中，mOSC為OSC值，mg；t1為前氧傳感器信號為1.0的時刻，s；t2為后氧傳感器電壓信號為0.45 V的時刻，s；mair為發動機進氣質量流量，kg/h；λ為過量空氣系數。

由于整車排放耐久后的樣件需要封存，無法改制后在臺架上進行性能測試。將臺架老化件搭載在整車上進行OSC測試，其結果與實車老化件在整車上的OSC測試結果進行對比。對比表明測試溫度、進氣量、過量空氣系數調整區間與臺架OSC測試時基本一致。由于氧傳感器的布置原因，整車上僅能測試前級TWC的OSC值。

在對應不同等效耐久里程時，將臺架老化的后處理系統安裝在整車上進行了WLTC循環排放測試，采集相應的氣態排放物和顆粒物。

2 試驗結果與分析

2.1 累灰量及GPF壓差結果

臺架快速老化過程中，將老化時長線性換算成等效耐久里程。兩組試驗中TWC和GPF累灰量隨耐久里程變化的關系如圖4所示。

圖4 累灰量隨耐久里程變化情況

由圖4可以看出，在整個20萬km等效里程內，灰分累積量與里程有較好的線性關系。前期累積速率稍慢，主要是因為前期有較多的灰分累積在排氣管路上[3-4]。灰分在GPF中的累積量要遠大于在TWC中的累積量。摻燒機油進行臺架老化試驗的后處理系統中灰分累積量比不摻燒機油試驗中的要大。在等效20萬km耐久里程時，未摻燒機油和摻燒機油老化試驗中的GPF灰分累積量為分別為12.1 g和38.9 g。計算得到摻燒機油老化試驗中灰分在GPF中的實際沉積率約為34.1%。

如果GPF布置在與增壓器緊耦合的位置，連接管路更短，將有更多的灰分將沉積在GPF內，灰分對帶三效催化劑涂層的GPF性能影響可能將更大。

圖5為新鮮態和對應16萬km里程的臺架老化GPF內部CT掃描圖。由圖5可以看出，摻燒機油狀態下臺架老化后GPF內部的灰分累積較多，GPF的灰分主要累積在載體底部居中的位置，這與GPF入口的氣流分布有關[13-14]。

圖5 GPF內部CT掃描圖

在臺架老化過程中，每次清炭完成后，通過GPF總成前后的壓力傳感器測試壓力，計算得到GPF進出氣口壓差變化情況如圖6所示。由圖6可以看出，兩組試驗中GPF的壓差都在前3萬km～5萬km范圍內上升較快，之后GPF壓差上升穩定，壓差與里程基本成線性關系。

圖6 GPF壓差變化情況

未摻燒機油和摻燒機油兩組臺架老化試驗中，GPF的初始壓差為7.3 kPa和7.6 kPa，20萬km時壓差為9.1 kPa和10.6 kPa，分別上升1.7 kPa和3.0 kPa。

2.2 催化劑性能對比結果

將等效不同耐久里程的TWC和GPF分別在發動機臺架上進行總碳氫(total hydrogen carbon， THC)、CO和NOx起燃溫度(T50，即污染物轉化效率為50%時催化劑的入口溫度)測試，結果如圖7和圖8所示。

圖7 TWC起燃溫度(T50)對比

圖8 GPF起燃溫度(T50)對比

由圖7和圖8可以看出，在不摻燒機油和摻燒機油兩種臺架老化狀態下，催化劑的起燃性能變化趨勢基本一致。在前面10萬km特別是前5萬km劣化相對較快，后10萬km劣化相對平緩。TWC和GPF具有相同的變化趨勢。

在圖7中，不同試驗中使用的相同規格樣件原始狀態性能預估基本一致，所以摻燒機油老化試驗中未測試0 km的催化劑性能，但根據實際結果趨勢可知樣件間的個體性能存在一定差異，用于摻燒機油試驗的TWC樣件0 km時的性能相對于未摻燒機油試驗使用的樣件性能偏好，起燃溫度會更低一些。在對應2萬km～10萬km里程區間，相對于未摻燒機油的臺架老化催化劑，摻燒機油進行老化的催化劑起燃溫度值變化斜率稍大，證明摻燒機油老化對催化劑性能有一定的加速劣化的效果，但是影響度較小。分析其主要原因為本次試驗中使用的TWC載體體積較大，機油對催化劑的性能影響主要集中在載體前端，對后端影響較小[15]，加之催化劑性能測試為穩態工況，且空速不大，所以測試結果差異不明顯。

由圖8可以看出，兩組臺架老化試驗中的GPF老化過程中起燃性能整體相近，沒有明顯差異。分析其原因，除與上述TWC相同的原因外，灰分主要集中在GPF底部，對其催化性能影響不大也是一個主要原因。

對應不同耐久里程的TWC儲氧量測試結果如圖9所示。從圖9可以看出，OSC值隨耐久里程增加有所降低；前2萬km OSC變化很明顯，之后相對比較穩定。如起燃溫度測試中提到的一樣，摻燒機油老化試驗中用的TWC樣件性能較未摻燒機油試驗中使用樣件的性能好，所以該組試驗中樣件新鮮態時的OSC也較高，預估在1 200 mg左右。對應 20萬km 耐久的臺架老化，摻燒機油的OSC值下降量相對未摻燒機油老化情況下的OSC值下降量稍大。

圖9 TWC儲氧量變化情況

對應不同耐久里程的GPF儲氧量測試結果如圖10所示。其整體變化趨勢與TWC的相似，但是前2萬km的變化不如TWC明顯。分析原因為GPF布置在后級，離發動機出口較遠，老化時的溫度稍低，老化相對緩慢。對于后級布置的GPF，摻燒機油老化對GPF的OSC加速劣化影響較小，不如對前級TWC的影響明顯，原因與上述起燃溫度對比中分析的一樣。

圖10 GPF儲氧量變化情況

在整車上進行TWC的OSC測試結果如圖11所示。其中，臺架老化件為進行臺架老化對應16萬km里程時的老化樣件；實車耐久件即16萬km實車耐久后的樣件。

圖11 整車上OSC測試結果

由圖11可以看出，臺架老化件不摻燒機油和臺架老化件摻燒機油的OSC值分別為520 mg和490 mg，兩者基本相當，無顯著差異。兩者結果都比各自在發動機臺架上測試的OSC值結果小，主要原因為實車上測試時工況波動相對較大，空燃比調節范圍很難精確到目標值。實車耐久件的OSC值為690 mg，比上述兩組臺架老化后的TWC樣件的OSC要高約40%，證明臺架老化要比實車老化嚴苛。考慮到市場上客戶實際使用車輛過程中存在的油品差異、使用工況差異等，開發過程中留有一定安全余量是合理可接受的。

2.3 整車排放對比結果

將對應不同耐久里程臺架老化的后處理系統安裝在試驗車上進行WLTC循環排放測試，排放結果如圖12、圖13所示。圖13中PN為循環顆粒物數量(particulate number)。

圖12 排放結果對比

圖13 WLTC下PN排放結果對比

從圖12可以看出，在氣態污染物(THC、CO、NOx)排放方面，老化完成后摻燒機油的臺架老化樣件排放結果較不摻燒機油的臺架老化樣件排放結果稍差，且整個耐久過程中劣化程度稍大。兩種狀態的臺架老化后樣件排放結果都比實車16萬km耐久里程時排放結果要高，其中THC和CO排放結果差異不大，NOx排放的差異較大。分析其原因主要為臺架老化較實車老化更加嚴苛，與上述分析的臺架老化與實車耐久后TWC的OSC對比情況相符合。

圖13為整車WLTC下PN的排放結果。可以看出，GPF經過一段時間使用后，過濾效率會逐步提高，PN結果變低，對比前2萬km過濾效率提升很明顯，隨后變化變緩，在5萬km以后該試驗車輛的PN排放能到達到 0.6×1011個/km以內，低于國六法規限值的10%。摻燒機油進行臺架老化的GPF，在對應2萬km耐久里程時就能達到一個很高的過濾效率，PN排放結果為1.2×1010個/km。

分析原因主要為新鮮態GPF內比較清潔，載體壁面上用于過濾的微孔等效孔徑相對較大，對顆粒物捕集效率相對稍低；當GPF使用一段時間后，其通道壁面上的微孔中會有一定的灰分沉積，微孔等效直徑有所縮減，過濾效率變高。隨著時間增加，更多的灰分沉積在通道壁面和載體底部，過濾效率相對穩定，不會有太大的變化[16-17]。摻燒機油進行臺架老化的GPF由于短時間內就能捕集到較多的灰分，從而具有較高的過濾效率，使整車的PN排放結果更低。

3 結論

(1) 對應20萬km里程時，不摻燒機油老化情況下GPF的累灰量為12.1 g，而摻燒機油進行臺架老化的情況下GPF累灰為38.9 g；灰分主要集中在GPF載體底部靠中間區域；GPF壓差在前2萬km～5萬km上升較快，隨后上升較為穩定，穩定后壓差與里程基本成線性關系。

(2) 摻燒機油對前級TWC的起燃性能和OSC劣化有一定的加速影響，但是影響不大；對后級GPF的起燃性能和OSC影響不明顯。實車耐久后的TWC樣件OSC值較兩組臺架老化的TWC樣件OSC值高出約40%。臺架老化相對實車耐久劣化更嚴苛。

(3) 摻燒機油和不摻燒機油的兩組老化后樣件搭載整車在轉鼓上進行WLTC測試的排放結果都比實車耐久后的WLTC排放結果要差，其中THC和CO的差異相對較小，NOx差異較大。摻燒機油會在一定程度上加速排放劣化。GPF經過老化后過濾效率有較大提升，PN排放降低明顯。摻燒機油老化時，對應2萬km甚至更短里程時GPF就能有很高的過濾效率。