炭载量对缸内直喷汽油机颗粒捕集器性能的影响

2023-01-09楼狄明余玉麒房亮张允华杨小东

车用发动机 2022年6期

楼狄明，余玉麒，房亮，张允华，杨小东

(1.同济大学汽车学院，上海 201804; 2.无锡威孚力达催化净化器有限责任公司,江苏无锡 214177)

近些年来，汽油缸内直喷(GDI)发动机因其具有更好的动力性和经济性得到广泛应用，但采用缸内直喷的方式会产生油气混合时间缩短、混合不均，以及喷射湿壁造成池火燃烧的现象，使颗粒物排放增多[1-2]。研究表明,汽油机颗粒物普遍比柴油机颗粒粒径小，而颗粒越小对人体危害越大，已证实超细核态颗粒物(sub-23 nm)会对人体健康产生严重危害[3-5]。2021年1月国Ⅵ第一阶段法规开始实施，对汽油机PM(<5 mg/km)和PN(<6.0×1011个/km)排放提出了新的限制[6]。另一方面，为应对严格的排放法规，特别是削减颗粒物的排放，目前加装汽油机颗粒捕集器(GPF)已成为GDI发动机后处理系统主流配置。

虽然针对柴油机颗粒捕集器(DPF)的研究对GPF有一定的借鉴作用，但由于排气流量、排温、排气组分、颗粒物组成、粒径分布等差异，还需对GPF进行针对性研究。Heeje Seong等[7]通过X射线断层扫描技术(XRT)研究了催化剂涂覆和灰分沉积对GPF孔径和孔隙率的影响，发现灰分的沉积对GPF过滤的效率提高有着积极作用，但同时会造成GPF压降的升高。Jian Chen等[8]研究发现，涂层涂覆量越高，平均孔径越小，压降增大，同时GPF过滤效率提高，壁面涂覆相比较壁内涂覆而言，有助于提高过滤性能。Xia等[9]发现，炭烟层的形成在提高过滤效率方面发挥着重要作用，特别是对于低灰分累积的GPF而言。可以看出，GPF在使用一段时间后由于有一定的炭烟灰分积累，过滤性能会得到提升，但过高的累炭同时导致背压升高，且GPF在再生过程也可能因局部高温而失效[10-11]。

L. Rubino[12]等研究了在低速循环和高速循环下灰分和炭烟积累对GPF性能的影响，发现低速循环下灰分和炭烟的积累速率高于高速循环，压降和平均过滤效率随着里程数的增加而提升。Zheng[13]等研究了在新欧洲测试循环(NEDC)和全球统一轻型车测试循环下(WLTC)催化剂涂覆对GPF性能的影响，发现经催化剂涂覆后，GPF过滤性能在无催化剂涂覆基础上增加10%以上，但100 g/L催化剂涂覆量会导致约15 kPa的背压提升。现有文献针对不同炭载量对GPF性能影响研究较少，从以往的研究以及试验结果来看，缸内直喷汽油机排放的颗粒物粒径范围主要集中在100 nm以内。本研究通过对GPF进行炭烟加载，探究了在不同炭载量下改变发动机工况参数对GPF背压和过滤性能的影响，重点是粒径范围在5～125 nm的核态及积聚态颗粒物的排放规律和GPF的过滤效果，为GPF炭烟控制及再生提供理论和试验支撑。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

试验所用发动机为上汽乘用车NF1增压发动机，发动机具体的参数见表1。

表1 试验用发动机相关参数

试验台架布置如图1所示。测试设备包括PUMA控制台、AVL电力测功机(测量功率、扭矩、转速)、压力和温度传感器(测量GPF前后的压力和温度)、转化阀等，尾气经过二级稀释处理，由发动机废气颗粒物粒径谱仪(EEPS-3090)对颗粒物排放进行测定。

图1 台架布置

1.2 试验方案

本研究所做试验为不同炭载量的GPF性能试验，选取常用工况点来研究发动机颗粒排放特性及对GPF性能的影响，选取发动机转速为1 000 r/min,2 000 r/min和3 000 r/min，选取负荷(平均有效压力)为0.2 MPa，0.5 MPa和1.0 MPa。试验用GPF载体材料为堇青石，其具有热膨胀系数低、渗透率高的特点，同时成本较低。试验用GPF具体参数见表2，该型号GPF在炭载量4～5 g/L时再生较为合适。

表2 试验用GPF相关参数

本次试验在稳态条件下研究不同炭载量对GPF性能的影响，具体试验方案如下。

1) 不同炭载量的试验分为4组，GPF贵金属涂覆量相同，在试验前分别将4个GPF累炭到1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L。

2) 对每一组GPF试验组分别在选取的工况进行台架试验，测量GPF前后颗粒物数量排放及背压变化，每一工况点重复测3次并取平均值。

3) 固定工况点，探究炭载量对GPF前后不同粒径颗粒物排放特性以及对GPF过滤效率的影响。

GPF对尾气中颗粒物数量处理效率可按以下公式计算：

ηn-GPF=(nu-nd)/nu。

(1)

式中：ηn-GPF为颗粒数量过滤效率；nu为GPF前颗粒物数量；nd为GPF后颗粒物数量。

2 试验结果及分析

2.1 炭载量对GPF背压的影响

GPF中总压降损失主要由四个部分构成，如图2所示，1代表管道锥角损失，2代表收缩和膨胀损失，3代表通道流通损失，4代表气流通过炭烟层或贵金属涂覆层以及多孔壁面产生的流动损失。随着炭载量的增加，GPF多孔壁面平均孔隙减少，孔隙率降低，穿过多孔介质层产生的流动损失增加，排气压力损失随着炭载量的增大而增大。

图2 GPF压力损失构成

图3示出在不同GPF炭载量下，背压随转速和负荷的变化关系。随着转速和负荷的增加，相同炭载量下GPF背压升高，这是因为负荷和转速增大时，节气门开度增大，单位时间做功循环次数变多，两者都会使排气流量增大，从而使流速增加，背压升高。在3 000 r/min,1.0 MPa 稳态工况下，炭载量从1 g/L增长到3 g/L时，背压由11.65 kPa增长到18.20 kPa，此时GPF内部由深床捕集阶段逐渐过渡到滤饼捕集阶段，背压增加幅度较大；继续增大炭载量，炭载量分别为3 g/L，5 g/L和7 g/L时，GPF背压分别为18.20 kPa，18.50 kPa和19.85 kPa，由于GPF内部已经形成稳定的碳饼层，GPF背压增加幅度不大。

图3 不同转速和负荷下炭载量对GPF背压的影响

2.2 炭载量对GPF前后颗粒排放特性的影响

GDI发动机采用缸内直喷的方式，存在缸内混合气分布不均的情况，燃烧方式为非均相燃烧，在高温、高压环境及缺氧条件下，会形成初生态颗粒，经过表面增长、凝聚及吸附过程，最终形成颗粒物排放。核态颗粒的粒径范围为1～50 nm，为纳米级颗粒，积聚态颗粒粒径在50～1 000 nm之间，属于超细颗粒。

为了探究炭载量对GPF前后颗粒物数量排放特性的影响，选取发动机常用工况3 000 r/min，1.0 MPa，图4示出该稳态工况下，不同炭载量下GPF前后颗粒物数量排放规律。从图4可以看出，发动机颗粒物排放主要为核态颗粒物。GPF对于核态颗粒物的过滤效果极好，保持在99%以上，对积聚态颗粒物，尤其是粒径在50～120 nm颗粒的过滤效果较差。随着积聚态颗粒物粒径的增加，GPF过滤效率逐渐降低，甚至低于50%，在以前的研究中也显示出类似的趋势[14]。

图4 炭载量对GPF前后颗粒排放的影响 (3 000 r/min，1.0 MPa)

GPF对颗粒的过滤主要有以下几种机制，分别为扩散机制、拦截机制、惯性沉积机制以及筛分机制[15-16]。颗粒的粒径越小，它的布朗运动效应越强，越容易被GPF载体捕获。随着粒径的增大，扩散效应减弱，但惯性效应不明显，颗粒会随着气流运动，当与载体表面的距离小于其半径的1/2时，该颗粒就会被拦截[17]。惯性沉积效应指的是颗粒粒径较大具有一定的惯性，气体流线绕过载体表面时，颗粒因惯性保持原来的运动方向脱离气体流线被载体捕获。当颗粒粒径大于孔隙直径时，则通过所谓的“筛分”机制进行捕获。当颗粒物经过GPF时，大多数核态颗粒物由于扩散作用被捕集在GPF载体上。粒径处在50～100 nm的积聚态颗粒物因为其粒径相对于核态颗粒物已显得足够大，布朗运动效果减弱，不再容易因扩散作用被捕获，但又没有积聚起较大的质量和体积，也不容易因惯性效应和拦截作用被捕获。在颗粒物经过GPF的这一段时间内，颗粒物之间还存在吸附黏结的过程，使颗粒物以较大尺寸向GPF下游排出。因此，造成上述现象是多方面因素共同作用的结果。

从图4可以看出，炭载量在1 g/L，3 g/L和5 g/L时颗粒物过滤效果较好，而当炭载量继续增长到7 g/L时，GPF前后颗粒物排放数量差距变小，GPF的过滤效率反而下降。为进一步探究在过量炭载量下GPF在不同工况点的工作效率，选取了随机工况点1 000 r/min，0.5 MPa和2 000 r/min，0.2 MPa进行对比，结果如图5和图6所示。发现在7 g/L炭载量时， GPF前后不同粒径下的颗粒物数量排放数量级接近，说明GPF工作效率显著降低，这是因为GPF积炭过多，早已超出了GPF再生限值，GPF在工作过程中会出现累炭破碎脱落的情况，使GPF下游颗粒物排放增加。

图5 7 g/L炭载量下GPF前后颗粒物粒径分布 (1 000 r/min，0.5 MPa)

图6 7 g/L炭载量下GPF前后颗粒物粒径分布 (2 000 r/min，0.2 MPa)

图7示出在固定工况点(3 000 r/min，1.0 MPa)，不同炭载量下GPF前后核态颗粒物和积聚态颗粒物排放占比情况。可以看出，经过GPF的过滤作用，1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L炭载量下GPF核态颗粒物占比分别从上游的99.67%，97.92%，98.75%，99.72%下降到下游的89.54%，26.97%，65.37%，99.58%，不同炭载量下GPF下游核态颗粒物占比要低于GPF上游核态颗粒物占比，进一步说明GPF对于核态颗粒物的过滤效果要优于对积聚态颗粒物的过滤效果。

图7 核态颗粒物和积聚态颗粒物排放占比

2.3 炭载量对GPF过滤效率的影响

图8示出稳态工况点3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭载量下GPF过滤效率随颗粒物粒径的变化。炭载量在5 g/L及以下时，GPF工作状况良好，炭载量1 g/L，3 g/L和5 g/L的三组试验GPF对核态颗粒物的过滤效率基本接近，保持在98%以上，其中炭载量为3 g/L的GPF过滤效率最佳。随着颗粒物粒径的逐渐增大，尤其在积聚态颗粒物粒径范围内，炭载量为1 g/L的GPF过滤效率下降趋势明显大于3 g/L和5 g/L炭载量的GPF试验组。而炭载量为3 g/L和5 g/L的GPF过滤效率下降趋势较为接近，不同于对核态颗粒物的过滤效率，炭载量为5 g/L的GPF对积聚态颗粒物的过滤效率要略优于炭载量为3 g/L的GPF试验组。当炭载量为7 g/L时，GPF对于颗粒物的过滤效率大幅降低，GPF过滤效率随颗粒物粒径的变化曲线出现振荡波动的状态，说明此时GPF内部累炭过多，GPF不能正常工作，应及时再生清除GPF内部过多积炭。

图8 炭载量对GPF过滤效率的影响

图9示出在固定工况点3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭载量GPF的核态颗粒物过滤效率、积聚态颗粒物过滤效率以及总过滤效率对比。从图9可以看出，虽然各组GPF对于积聚态颗粒的过滤效率较差，但是总过滤效率同核态颗粒物过滤效率较为接近，这是因为缸内直喷汽油机的颗粒物排放主要集中在核态颗粒物粒径范围内。由图5可知，核态颗粒物平均排放量要比积聚态颗粒物排放量高两个数量级以上，说明GPF的总过滤效率主要取决于对核态颗粒物的过滤效率。炭载量为1 g/L，3 g/L和5 g/L的GPF核态颗粒过滤效率分别为98.85%，99.70%和99.36%，总过滤效率分别为98.71%，98.91%和99.04%。炭载量为5 g/L的GPF对积聚态颗粒物的过滤效率最好，过滤效率为73.33%。当炭载量为7 g/L时，GPF过滤效率急剧下降，其总过滤效率为75.60%。此时GPF已不满足工作需求，易造成发动机动力性和经济性的衰退。