摘要：基于某2.0 L汽油缸內(nèi)直噴（GDI）渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，分別進(jìn)行了汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）灰分累積臺(tái)架試驗(yàn)和整車轉(zhuǎn)鼓排放試驗(yàn)，分析了在世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（WLTC）下GPF灰分累積對(duì)整車排放的影響。結(jié)果表明：在WLTC循環(huán)下，隨著GPF灰分累積時(shí)間的增長(zhǎng)，顆粒物質(zhì)量（PM）排放呈現(xiàn)出先減小后平緩的趨勢(shì)。顆粒物數(shù)量（PN）排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)。WLTC循環(huán)下GPF的老化對(duì)CO和NOX排放的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律，雖然THC、N2O和NMHC的排放隨GPF的老化時(shí)間有增長(zhǎng)趨勢(shì)，但是5種氣態(tài)污染物的排放仍然滿足中國(guó)第六b階段（CN6b）的限值要求。因此GPF的灰分累積有利于整車減少PM和PN的排放，對(duì)氣態(tài)污染物的排放有微弱的影響。

關(guān)鍵詞：GDI；GPF；WLTC；灰分累積；整車排放

中圖分類號(hào)：U467 收稿日期：2023-09-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.024

1 前言

缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機(jī)由于油氣混合時(shí)間短和燃油濕壁現(xiàn)象，導(dǎo)致顆粒物質(zhì)量和顆粒物數(shù)量的排放顯著增加[1]。根據(jù)不同乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理?xiàng)l件下的試驗(yàn)結(jié)果表明，GDI汽油機(jī)的顆粒物質(zhì)量和顆粒物數(shù)量明顯高于PFI汽油機(jī)和帶DPF的柴油機(jī)[2-5]。

雖然通過(guò)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)、提高噴射壓力、調(diào)整點(diǎn)火及噴油正時(shí)等措施可以在一定程度上減少顆粒物質(zhì)量（PM）排放，但越來(lái)越嚴(yán)苛的法規(guī)要求直噴汽油機(jī)在更寬的工作范圍都保持穩(wěn)定且較低的PM排放，僅僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已難以滿足國(guó)六排放法規(guī)升級(jí)的要求。并且國(guó)六法規(guī)增加了RDE測(cè)試循環(huán)，采用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）對(duì)車輛在農(nóng)村道路、城市道路、上下坡道路以及高速公路實(shí)際行駛過(guò)程中進(jìn)行測(cè)量。因此，GPF是應(yīng)對(duì)GDI汽油機(jī)顆粒物排放限值最有效、最直接和最可靠的技術(shù)。

為了更好地了解GDI汽油機(jī)在TWC下游加裝GPF后的灰分累積特性，以及GPF灰分累積對(duì)整車排放的影響，有必要開(kāi)展相關(guān)的試驗(yàn)研究，有利于解決GPF和汽油機(jī)排放優(yōu)化和匹配問(wèn)題，故在臺(tái)架和轉(zhuǎn)鼓上分別進(jìn)行了灰分累積試驗(yàn)研究和整車排放試驗(yàn)研究，分析了在WLTC測(cè)試循環(huán)下，GPF的灰分累積對(duì)整車排放的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 臺(tái)架及轉(zhuǎn)鼓測(cè)試設(shè)備

臺(tái)架試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)2.0 L汽油缸內(nèi)直噴渦輪增壓4缸的發(fā)動(dòng)機(jī)，其標(biāo)定功率為155 kW，最大扭矩為355 N·m，其主要參數(shù)如表1所示。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)所用的整車為一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)的5門(mén)5座SUV，該車搭載了本研究所用的2.0 L汽油機(jī)匹配了6擋濕式雙離合變速箱，整備質(zhì)量為1 600 kg，原車出廠配置了TWC，滿足國(guó)五排放法規(guī)，其主要參數(shù)如表2所示。

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及主要測(cè)試設(shè)備示意圖，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)、中冷器、增壓器、TWC、GPF和消聲器等。表3所示為試驗(yàn)所用GPF的相關(guān)參數(shù)。

表4所示為整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)所用的主要測(cè)試設(shè)備，采用MEXA-7200H/CVS- 7400T設(shè)備測(cè)量排氣污染物，采用MSE2.7S-OCE-DF型稱重天平稱量濾紙荷重，采用MEXA-2000SPCS設(shè)備測(cè)量顆粒物的數(shù)量。

2.2 試驗(yàn)方法

本文基于某2.0 L GDI國(guó)五排放水平汽油機(jī)，首先在臺(tái)架進(jìn)行了GPF灰分累積試驗(yàn)研究，在灰分累積達(dá)到0 h、10 h、20 h、30 h、40 h和50 h的節(jié)點(diǎn)時(shí)，將GPF拆下安裝至某帶有TWC的SUV上，進(jìn)行了WLTC循環(huán)排放試驗(yàn)，研究了GPF灰分累計(jì)對(duì)整車排放的影響。試驗(yàn)中所用燃料為機(jī)油與92號(hào)汽油摻混汽油，用該燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行的耐久循環(huán)稱為“機(jī)油摻燒試驗(yàn)”。該燃料經(jīng)過(guò)缸內(nèi)直噴系統(tǒng)組織進(jìn)行燃燒會(huì)加快發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生灰分，從而高效地累灰，在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整車排放測(cè)試。

全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WLTC）是世界統(tǒng)一輕型車測(cè)試程序（WLTP）中規(guī)定的輕型車測(cè)試循環(huán)，WLTC由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分組成，該測(cè)試循環(huán)給予實(shí)際道路數(shù)據(jù)的瞬態(tài)工況，強(qiáng)調(diào)車輛的動(dòng)力系統(tǒng)的獨(dú)特性，重新定義了換擋策略和測(cè)試方法。WLTC最高速度為131.3 km/h，持續(xù)時(shí)間共1 800 s，其平均車速為46.54 km/h[6]。其速度和時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 GPF灰分累積對(duì)PM排放的影響

圖3所示為GPF灰分累積量隨著累積時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，單次增重隨著累積時(shí)間的推移，整體表現(xiàn)為先減小后增長(zhǎng)的趨勢(shì)，單次累積量從9.4 g/10 h先降低至6.9 g/10 h后增長(zhǎng)至15.3 g/10 h。最后對(duì)各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的增重量做累加，得到累積增重曲線，從圖中可觀察出30 h之前累積增重效果相對(duì)較小，30 h后累積增重效果增強(qiáng)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中灰分一直在累積。一般認(rèn)為，由于初始灰分層的積累，使GPF的攔截沉積作用迅速增強(qiáng)后，捕集效率會(huì)隨之快速增大。隨著時(shí)間的推移，累灰量的逐漸增多，GPF的捕集效率也隨之增大[7]。

圖4所示為WLTC測(cè)試循環(huán)下PM排放隨灰分累計(jì)時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出，本試驗(yàn)所用整車的原車情況下，即在沒(méi)有匹配GPF只裝有TWC的后處理配置條件下，在不同的灰分累積時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了6次空白對(duì)比試驗(yàn)，WLTC測(cè)試循環(huán)的PM排放量為3.1 mg/km左右，已經(jīng)滿足CN6a法規(guī)PM限值為4.5 mg/km的排放要求。而在原車匹配GPF后PM排放顯著降低，6次節(jié)點(diǎn)排放都在0.6 mg/km以下，滿足CN6b限值為3.0 mg/km的排放要求。并且隨著GPF灰分累積時(shí)間的增長(zhǎng)，PM排放呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。這是因?yàn)椋S著初始灰分層的積累，GPF的攔截沉積作用增強(qiáng)后，捕集效率增大，PM排放減小。

但是隨著GPF灰分累積量增大至一定程度，PM排放減小趨勢(shì)變緩。這是因?yàn)镚PF對(duì)PM的過(guò)濾效率的影響是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，在一定范圍之前，隨著GPF灰分累積量和碳載量的增加，PM過(guò)濾效率較強(qiáng)，并在之后的過(guò)程中趨于穩(wěn)定[8]。

3.2 GPF灰分累積對(duì)顆粒物數(shù)量（PN）排放的影響

從圖5中可以看出，試驗(yàn)用整車的原車PN排放值已超出國(guó)六法規(guī)限值（6×1011 km）的要求，在2.0×1012 km左右的水平。在加裝GPF后，PN的排放值整體有明顯下降趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)最低可達(dá)到6.9×109 km，滿足CN6b限制要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在初始階段PN排放就明顯改善，下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，PN排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是由于GPF對(duì)PN捕集效率受到灰分累積量和碳載量的影響，少量的碳煙累積就能顯著提高PN的捕集效率。這有可能是因?yàn)镚PF由起初的深層過(guò)濾轉(zhuǎn)變?yōu)楸韺舆^(guò)濾，碳煙層的形成會(huì)促使GPF的捕集效率顯著增強(qiáng)[8]。

3.3 GPF灰分累積對(duì)氣態(tài)污染物排放的影響

圖6所示為WLTC循環(huán)下GPF灰分累積對(duì)CO、THC、NMHC、NOX和N2O排放的影響。從圖中可以觀察出在WLTC測(cè)試循環(huán)中，GPF的老化對(duì)CO和NOx排放的影響沒(méi)有明顯規(guī)律，CO整體排放水平在175 mg/km上下波動(dòng)，最高為278 mg/km。NOx整體排放水平在80 mg/km左右徘徊，最高為99 mg/km。THC、NMHC和N2O排放隨著時(shí)間的增加而呈現(xiàn)出稍微增加的趨勢(shì)，但是5種污染物的整體排放水平皆處于CN6b限值以下，并且距限值有較遠(yuǎn)的余量。

這是由于隨著時(shí)間的增加GPF內(nèi)灰分累計(jì)量逐漸增多，孔隙直徑也相應(yīng)的減少導(dǎo)致排氣背壓增加，進(jìn)而引起排溫升高，促使TWC可以保持在一個(gè)轉(zhuǎn)化效率較高的區(qū)間內(nèi)。因此排氣背壓的增加在一定情況下對(duì)TWC的轉(zhuǎn)化效率具有提升的作用。但隨著老化時(shí)間的推移排氣背壓過(guò)于增大也會(huì)導(dǎo)致燃燒出現(xiàn)惡化，污染物生成量增多。從比排放結(jié)果上來(lái)看，GPF灰分累積對(duì)氣態(tài)污染物排放的影響相對(duì)微弱。

4 結(jié)語(yǔ)

a.在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的機(jī)油摻燒試驗(yàn)中，GPF灰分的累積增重隨著耐久時(shí)間的推移，整體表現(xiàn)為增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

b.WLTC循環(huán)下，隨著GPF灰分累積時(shí)間的增長(zhǎng)，PM排放呈現(xiàn)出先減小后平緩的趨勢(shì)，PN排放呈現(xiàn)出先快速減小后基本穩(wěn)定的趨勢(shì)。因此，GPF的灰分累積有利于整車減少PM和PN的排放。

c.WLTC循環(huán)下，GPF的老化對(duì)CO和NOx排放的影響沒(méi)有明顯規(guī)律，THC、NMHC和N2O排放隨著時(shí)間的增加而呈現(xiàn)出稍微增加的趨勢(shì)，但是5種污染物的整體排放水平皆處于CN6b限值以下，并且距限值有較遠(yuǎn)的距離。綜上所述，GPF灰分累積對(duì)氣態(tài)污染物的排放有微弱的影響。

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作者簡(jiǎn)介：

李明坤，男，1991年生，工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)排放與控制。

吳春玲（通訊作者），男，1984年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)排放檢測(cè)。