樓狄明，余玉麒，房亮，張允華，楊小東

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804; 2.無錫威孚力達催化凈化器有限責任公司,江蘇 無錫 214177)

近些年來，汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動機因其具有更好的動力性和經(jīng)濟性得到廣泛應用，但采用缸內(nèi)直噴的方式會產(chǎn)生油氣混合時間縮短、混合不均，以及噴射濕壁造成池火燃燒的現(xiàn)象，使顆粒物排放增多[1-2]。研究表明,汽油機顆粒物普遍比柴油機顆粒粒徑小，而顆粒越小對人體危害越大，已證實超細核態(tài)顆粒物(sub-23 nm)會對人體健康產(chǎn)生嚴重危害[3-5]。2021年1月國Ⅵ第一階段法規(guī)開始實施，對汽油機PM(<5 mg/km)和PN(<6.0×1011個/km)排放提出了新的限制[6]。另一方面，為應對嚴格的排放法規(guī)，特別是削減顆粒物的排放，目前加裝汽油機顆粒捕集器(GPF)已成為GDI發(fā)動機后處理系統(tǒng)主流配置。

雖然針對柴油機顆粒捕集器(DPF)的研究對GPF有一定的借鑒作用，但由于排氣流量、排溫、排氣組分、顆粒物組成、粒徑分布等差異，還需對GPF進行針對性研究。Heeje Seong等[7]通過X射線斷層掃描技術(XRT)研究了催化劑涂覆和灰分沉積對GPF孔徑和孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)灰分的沉積對GPF過濾的效率提高有著積極作用，但同時會造成GPF壓降的升高。Jian Chen等[8]研究發(fā)現(xiàn)，涂層涂覆量越高，平均孔徑越小，壓降增大，同時GPF過濾效率提高，壁面涂覆相比較壁內(nèi)涂覆而言，有助于提高過濾性能。Xia等[9]發(fā)現(xiàn)，炭煙層的形成在提高過濾效率方面發(fā)揮著重要作用，特別是對于低灰分累積的GPF而言?？梢钥闯?，GPF在使用一段時間后由于有一定的炭煙灰分積累，過濾性能會得到提升，但過高的累炭同時導致背壓升高，且GPF在再生過程也可能因局部高溫而失效[10-11]。

L. Rubino[12]等研究了在低速循環(huán)和高速循環(huán)下灰分和炭煙積累對GPF性能的影響，發(fā)現(xiàn)低速循環(huán)下灰分和炭煙的積累速率高于高速循環(huán)，壓降和平均過濾效率隨著里程數(shù)的增加而提升。Zheng[13]等研究了在新歐洲測試循環(huán)(NEDC)和全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)下(WLTC)催化劑涂覆對GPF性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)催化劑涂覆后，GPF過濾性能在無催化劑涂覆基礎上增加10%以上，但100 g/L催化劑涂覆量會導致約15 kPa的背壓提升?，F(xiàn)有文獻針對不同炭載量對GPF性能影響研究較少，從以往的研究以及試驗結果來看，缸內(nèi)直噴汽油機排放的顆粒物粒徑范圍主要集中在100 nm以內(nèi)。本研究通過對GPF進行炭煙加載，探究了在不同炭載量下改變發(fā)動機工況參數(shù)對GPF背壓和過濾性能的影響，重點是粒徑范圍在5～125 nm的核態(tài)及積聚態(tài)顆粒物的排放規(guī)律和GPF的過濾效果，為GPF炭煙控制及再生提供理論和試驗支撐。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

試驗所用發(fā)動機為上汽乘用車NF1增壓發(fā)動機，發(fā)動機具體的參數(shù)見表1。

表1 試驗用發(fā)動機相關參數(shù)

試驗臺架布置如圖1所示。測試設備包括PUMA控制臺、AVL電力測功機(測量功率、扭矩、轉(zhuǎn)速)、壓力和溫度傳感器(測量GPF前后的壓力和溫度)、轉(zhuǎn)化閥等，尾氣經(jīng)過二級稀釋處理，由發(fā)動機廢氣顆粒物粒徑譜儀(EEPS-3090)對顆粒物排放進行測定。

圖1 臺架布置

1.2 試驗方案

本研究所做試驗為不同炭載量的GPF性能試驗，選取常用工況點來研究發(fā)動機顆粒排放特性及對GPF性能的影響，選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,2 000 r/min和3 000 r/min，選取負荷(平均有效壓力)為0.2 MPa，0.5 MPa和1.0 MPa。試驗用GPF載體材料為堇青石，其具有熱膨脹系數(shù)低、滲透率高的特點，同時成本較低。試驗用GPF具體參數(shù)見表2，該型號GPF在炭載量4～5 g/L時再生較為合適。

表2 試驗用GPF相關參數(shù)

本次試驗在穩(wěn)態(tài)條件下研究不同炭載量對GPF性能的影響，具體試驗方案如下。

1) 不同炭載量的試驗分為4組，GPF貴金屬涂覆量相同，在試驗前分別將4個GPF累炭到1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L。

2) 對每一組GPF試驗組分別在選取的工況進行臺架試驗，測量GPF前后顆粒物數(shù)量排放及背壓變化，每一工況點重復測3次并取平均值。

3) 固定工況點，探究炭載量對GPF前后不同粒徑顆粒物排放特性以及對GPF過濾效率的影響。

GPF對尾氣中顆粒物數(shù)量處理效率可按以下公式計算：

ηn-GPF=(nu-nd)/nu。

(1)

式中：ηn-GPF為顆粒數(shù)量過濾效率；nu為GPF前顆粒物數(shù)量；nd為GPF后顆粒物數(shù)量。

2 試驗結果及分析

2.1 炭載量對GPF背壓的影響

GPF中總壓降損失主要由四個部分構成，如圖2所示，1代表管道錐角損失，2代表收縮和膨脹損失，3代表通道流通損失，4代表氣流通過炭煙層或貴金屬涂覆層以及多孔壁面產(chǎn)生的流動損失。隨著炭載量的增加，GPF多孔壁面平均孔隙減少，孔隙率降低，穿過多孔介質(zhì)層產(chǎn)生的流動損失增加，排氣壓力損失隨著炭載量的增大而增大。

圖2 GPF壓力損失構成

圖3示出在不同GPF炭載量下，背壓隨轉(zhuǎn)速和負荷的變化關系。隨著轉(zhuǎn)速和負荷的增加，相同炭載量下GPF背壓升高，這是因為負荷和轉(zhuǎn)速增大時，節(jié)氣門開度增大，單位時間做功循環(huán)次數(shù)變多，兩者都會使排氣流量增大，從而使流速增加，背壓升高。在3 000 r/min,1.0 MPa 穩(wěn)態(tài)工況下，炭載量從1 g/L增長到3 g/L時，背壓由11.65 kPa增長到18.20 kPa，此時GPF內(nèi)部由深床捕集階段逐漸過渡到濾餅捕集階段，背壓增加幅度較大；繼續(xù)增大炭載量，炭載量分別為3 g/L，5 g/L和7 g/L時，GPF背壓分別為18.20 kPa，18.50 kPa和19.85 kPa，由于GPF內(nèi)部已經(jīng)形成穩(wěn)定的碳餅層，GPF背壓增加幅度不大。

圖3 不同轉(zhuǎn)速和負荷下炭載量對GPF背壓的影響

2.2 炭載量對GPF前后顆粒排放特性的影響

GDI發(fā)動機采用缸內(nèi)直噴的方式，存在缸內(nèi)混合氣分布不均的情況，燃燒方式為非均相燃燒，在高溫、高壓環(huán)境及缺氧條件下，會形成初生態(tài)顆粒，經(jīng)過表面增長、凝聚及吸附過程，最終形成顆粒物排放。核態(tài)顆粒的粒徑范圍為1～50 nm，為納米級顆粒，積聚態(tài)顆粒粒徑在50～1 000 nm之間，屬于超細顆粒。

為了探究炭載量對GPF前后顆粒物數(shù)量排放特性的影響，選取發(fā)動機常用工況3 000 r/min，1.0 MPa，圖4示出該穩(wěn)態(tài)工況下，不同炭載量下GPF前后顆粒物數(shù)量排放規(guī)律。從圖4可以看出，發(fā)動機顆粒物排放主要為核態(tài)顆粒物。GPF對于核態(tài)顆粒物的過濾效果極好，保持在99%以上，對積聚態(tài)顆粒物，尤其是粒徑在50～120 nm顆粒的過濾效果較差。隨著積聚態(tài)顆粒物粒徑的增加，GPF過濾效率逐漸降低，甚至低于50%，在以前的研究中也顯示出類似的趨勢[14]。

圖4 炭載量對GPF前后顆粒排放的影響 (3 000 r/min，1.0 MPa)

GPF對顆粒的過濾主要有以下幾種機制，分別為擴散機制、攔截機制、慣性沉積機制以及篩分機制[15-16]。顆粒的粒徑越小，它的布朗運動效應越強，越容易被GPF載體捕獲。隨著粒徑的增大，擴散效應減弱，但慣性效應不明顯，顆粒會隨著氣流運動，當與載體表面的距離小于其半徑的1/2時，該顆粒就會被攔截[17]。慣性沉積效應指的是顆粒粒徑較大具有一定的慣性，氣體流線繞過載體表面時，顆粒因慣性保持原來的運動方向脫離氣體流線被載體捕獲。當顆粒粒徑大于孔隙直徑時，則通過所謂的“篩分”機制進行捕獲。當顆粒物經(jīng)過GPF時，大多數(shù)核態(tài)顆粒物由于擴散作用被捕集在GPF載體上。粒徑處在50～100 nm的積聚態(tài)顆粒物因為其粒徑相對于核態(tài)顆粒物已顯得足夠大，布朗運動效果減弱，不再容易因擴散作用被捕獲，但又沒有積聚起較大的質(zhì)量和體積，也不容易因慣性效應和攔截作用被捕獲。在顆粒物經(jīng)過GPF的這一段時間內(nèi)，顆粒物之間還存在吸附黏結的過程，使顆粒物以較大尺寸向GPF下游排出。因此，造成上述現(xiàn)象是多方面因素共同作用的結果。

從圖4可以看出，炭載量在1 g/L，3 g/L和5 g/L時顆粒物過濾效果較好，而當炭載量繼續(xù)增長到7 g/L時，GPF前后顆粒物排放數(shù)量差距變小，GPF的過濾效率反而下降。為進一步探究在過量炭載量下GPF在不同工況點的工作效率，選取了隨機工況點1 000 r/min，0.5 MPa和2 000 r/min，0.2 MPa進行對比，結果如圖5和圖6所示。發(fā)現(xiàn)在7 g/L炭載量時， GPF前后不同粒徑下的顆粒物數(shù)量排放數(shù)量級接近，說明GPF工作效率顯著降低，這是因為GPF積炭過多，早已超出了GPF再生限值，GPF在工作過程中會出現(xiàn)累炭破碎脫落的情況，使GPF下游顆粒物排放增加。

圖5 7 g/L炭載量下GPF前后顆粒物粒徑分布 (1 000 r/min，0.5 MPa)

圖6 7 g/L炭載量下GPF前后顆粒物粒徑分布 (2 000 r/min，0.2 MPa)

圖7示出在固定工況點(3 000 r/min，1.0 MPa)，不同炭載量下GPF前后核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物排放占比情況。可以看出，經(jīng)過GPF的過濾作用，1 g/L，3 g/L，5 g/L和7 g/L炭載量下GPF核態(tài)顆粒物占比分別從上游的99.67%，97.92%，98.75%，99.72%下降到下游的89.54%，26.97%，65.37%，99.58%，不同炭載量下GPF下游核態(tài)顆粒物占比要低于GPF上游核態(tài)顆粒物占比，進一步說明GPF對于核態(tài)顆粒物的過濾效果要優(yōu)于對積聚態(tài)顆粒物的過濾效果。

圖7 核態(tài)顆粒物和積聚態(tài)顆粒物排放占比

2.3 炭載量對GPF過濾效率的影響

圖8示出穩(wěn)態(tài)工況點3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量下GPF過濾效率隨顆粒物粒徑的變化。炭載量在5 g/L及以下時，GPF工作狀況良好，炭載量1 g/L，3 g/L和5 g/L的三組試驗GPF對核態(tài)顆粒物的過濾效率基本接近，保持在98%以上，其中炭載量為3 g/L的GPF過濾效率最佳。隨著顆粒物粒徑的逐漸增大，尤其在積聚態(tài)顆粒物粒徑范圍內(nèi)，炭載量為1 g/L的GPF過濾效率下降趨勢明顯大于3 g/L和5 g/L炭載量的GPF試驗組。而炭載量為3 g/L和5 g/L的GPF過濾效率下降趨勢較為接近，不同于對核態(tài)顆粒物的過濾效率，炭載量為5 g/L的GPF對積聚態(tài)顆粒物的過濾效率要略優(yōu)于炭載量為3 g/L的GPF試驗組。當炭載量為7 g/L時，GPF對于顆粒物的過濾效率大幅降低，GPF過濾效率隨顆粒物粒徑的變化曲線出現(xiàn)振蕩波動的狀態(tài)，說明此時GPF內(nèi)部累炭過多，GPF不能正常工作，應及時再生清除GPF內(nèi)部過多積炭。

圖8 炭載量對GPF過濾效率的影響

圖9示出在固定工況點3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量GPF的核態(tài)顆粒物過濾效率、積聚態(tài)顆粒物過濾效率以及總過濾效率對比。從圖9可以看出，雖然各組GPF對于積聚態(tài)顆粒的過濾效率較差，但是總過濾效率同核態(tài)顆粒物過濾效率較為接近，這是因為缸內(nèi)直噴汽油機的顆粒物排放主要集中在核態(tài)顆粒物粒徑范圍內(nèi)。由圖5可知，核態(tài)顆粒物平均排放量要比積聚態(tài)顆粒物排放量高兩個數(shù)量級以上，說明GPF的總過濾效率主要取決于對核態(tài)顆粒物的過濾效率。炭載量為1 g/L，3 g/L和5 g/L的GPF核態(tài)顆粒過濾效率分別為98.85%，99.70%和99.36%，總過濾效率分別為98.71%，98.91%和99.04%。炭載量為5 g/L的GPF對積聚態(tài)顆粒物的過濾效率最好，過濾效率為73.33%。當炭載量為7 g/L時，GPF過濾效率急劇下降，其總過濾效率為75.60%。此時GPF已不滿足工作需求，易造成發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的衰退。

圖9 不同炭載量下核態(tài)顆粒物、積聚態(tài)顆粒物過濾效率及總過濾效率對比

3 結論

a) GPF背壓同炭載量、轉(zhuǎn)速和負荷密切相關，GPF中累炭量越高，背壓和壓降上升越大，但上升的趨勢由快變緩；負荷和轉(zhuǎn)速上升時，背壓和壓降增大，增長的趨勢變快；

b) 缸內(nèi)直噴汽油機顆粒物排放主要集中在核態(tài)顆粒物粒徑范圍內(nèi)，不同炭載量GPF對于核態(tài)顆粒物過濾效果理想，對于積聚態(tài)顆粒物，尤其是粒徑范圍在50～100 nm的顆粒物過濾效果較差；

c) GPF內(nèi)部保持一定炭載量有助于過濾效率的提高，但過多的炭載量反而造成背壓上升，過濾效率急劇下降，因此，定期地配合主動再生，降低GPF中炭載量有利于發(fā)動機經(jīng)濟性和動力性的提升。