直噴汽油機顆粒捕集器 （GPF）灰分參數(shù)試驗研究

李樹宇

（奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖241000）

0 引言

汽油機的顆粒物排放是汽車排放物中需要控制的污染物之一。尤其是直噴汽油機 （GDI），因要求其動力性更強勁，燃油耗和排放最小化，使得GDI發(fā)動機在應用方面面臨更嚴峻的考驗。自國六階段排放法規(guī)開始，顆粒物的排放質(zhì)量和數(shù)量納入了控制監(jiān)管范圍。為降低顆粒物排放量，各種技術(shù)隨之出現(xiàn)。將燃油噴射壓力從20 MPa提高到35 MPa，同時采用多孔噴油器，配合多段噴射營造良好的燃燒環(huán)境，優(yōu)化燃油噴射錐角等。以上技術(shù)是從控制原始排放的角度來降低顆粒物排放的，其效果會隨發(fā)動機的設計、制造工藝的差異而不同［1?5］。而汽油機顆粒捕集器 （gasoline particulate filter，GPF）是從排放后處理角度來降低顆粒物排放的手段之一，其對降低顆粒物排放數(shù)量 （particle num?ber，PN）效果明顯。在車輛排氣系統(tǒng)中安裝GPF之后，可過濾近90%的顆粒物排放。

但是，GPF臺架耐久性試驗和整車耐久性試驗仍然是一大棘手問題。GPF累積的碳煙可以通過再生燃燒掉，而其累積的灰分 （ash），主要成分是鹽類物質(zhì) （CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3等），是不可被去除的，會一直囤積在GPF中。隨著發(fā)動機運行時間的增加，灰分會越積越多。當灰分在GPF內(nèi)累積過大，直接對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放等指標產(chǎn)生顯著影響時，只能更換新的GPF［6?10］。 因此， 本文通過 GPF 發(fā)動機耐久試驗，對灰分的影響因素加以研究，為整車GPF灰分和碳煙控制提供理論依據(jù)和試驗支撐。

1 試驗對象及試驗系統(tǒng)布置

所研究的發(fā)動機為電控增壓中冷GDI發(fā)動機，其基本性能參數(shù)見表1，試驗匹配的GPF結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。GPF采用堇青石，封裝載體由供應商康寧提供。

表1 電控增壓GDI發(fā)動機基本性能

表2 試驗匹配的GPF主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

發(fā)動機試驗臺架為AVL試驗臺架，其系統(tǒng)版本為PUMA 1．2．2版本，發(fā)動機灰分耐久試驗測試系統(tǒng)如圖1所示。

2 試驗方法

發(fā)動機運行過程中會同時累積碳載量和灰分，但是碳載量可以在高溫、高進氣流量下燃燒掉，剩下的就是灰分的重量，此時可以建立灰分累積模型。

首先，建立4組灰分累積模型，分別為5．68 g、 11．2 g、 16．87 g 和 23．45 g， 結(jié)合 GPF 實際稱重值，評估模型的準確性。然后，在GPF灰分為15 g、30 g和無灰分時，分別在發(fā)動機臺架上采集并記錄不同轉(zhuǎn)速和不同負荷下的數(shù)據(jù)；轉(zhuǎn)速從1 000 r／min 增加至 5 500 r／min， 每隔 500 r／min 采集并記錄油門全開的外特性數(shù)據(jù)。最后，在額定工況分別運行50 h、100 h、200 h、400 h和518 h，然后進行稱重，分析觀察灰分隨發(fā)動機運行時間的變化規(guī)律及其對碳煙量的影響。所有試驗均在發(fā)動機GPF耐久試驗臺上進行。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 灰分累積模型驗證

4組灰分累積模型值與實際稱重值對比結(jié)果如圖2所示。可以得出，標定的灰分量是準確的，誤差在30%以內(nèi) （供應商推薦值≤30%），驗證了模型的合理性。

3.2 灰分與發(fā)動機有效運行時間的關(guān)系及其對碳載量的影響

灰分累積率的含義是指當前灰分累積量與灰分載滿GPF時的累積量之比?；曳峙c發(fā)動機有效運行時間的關(guān)系如圖3所示。隨著發(fā)動機有效運行時間的增加，機油消耗增多，同時也導致機油稀釋，故灰分累積率呈現(xiàn)線性趨勢增長。因此，在GPF使用壽命內(nèi)，越來越多的灰分被累積，占據(jù)了越來越多的GPF空間，從而減少了GPF用于累積碳煙（soot）的空間，灰分增多的同時，導致碳載量呈現(xiàn)線性下降趨勢。碳載量隨灰分增加的變化情況如圖4所示。所以，在GPF使用空間下降時，必須不斷再生，以保證GPF過濾排放顆粒物的效率。

3.3 灰分對發(fā)動機性能的影響

灰分對發(fā)動機性能的影響如圖5～6所示。隨著GPF灰分量的增多，扭矩呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而功率基本呈現(xiàn)線性下降趨勢；特別是在高轉(zhuǎn)速下，灰分的增多對發(fā)動機動力性能的影響更為明顯。因此，針對一定體積的GPF，所能累積的灰分存在一個限定值。否則，長時間累積的灰分存積在GPF內(nèi)，導致發(fā)動機動力性表現(xiàn)為加速無力的現(xiàn)象。

3.4 GPF灰分對排氣背壓和燃油耗的影響

GPF灰分對發(fā)動機排氣背壓和燃油耗的影響如圖7～8所示。隨著GPF灰分量的增多，排氣系統(tǒng)的壓差和發(fā)動機的燃油耗率均呈上升趨勢；最大排氣壓差達到無灰分時的1．1倍左右?；曳之a(chǎn)生來源主要源于機油添加劑、汽油添加劑和發(fā)動機中的碎屑，長時間一直累積在GPF內(nèi)，不但占據(jù)了GPF的空間，還影響碳煙的再生，導致發(fā)動機排氣背壓越來越大，從而引起燃油消耗率基本呈線性增加趨勢。隨著灰分的累積，如發(fā)動機長時間行駛在低速工況，更容易引起燃油耗上升。

3.5 GPF灰分對PN排放的影響

GPF灰分對PN排放的影響如圖9所示。隨著灰分量的增加，PN排放呈先降低后升高的趨勢；而PN過濾效率在灰分量為30 g之前呈現(xiàn)線性增加的趨勢，30 g之后過濾效率不變；而碳載量隨著灰分的增加呈線性遞減的趨勢。這說明，灰分增多，一方面促進了碳載量的再生，使得碳煙量減少，也使得GPF在有限的空間內(nèi)，捕集更多的碳顆粒，減少PN排放。試驗證明，一定量的灰分存在，可以顯著提高PN的過濾效率，在30 g時可以達到98%以上，能滿足國六b的法規(guī)要求。因此，針對該款發(fā)動機而言，30 g為其GPF灰分量的限值。

4 結(jié)論

通過發(fā)動機GPF耐久臺架標定試驗，得到了灰分對發(fā)動機扭矩、功率、燃油耗、排氣背壓、PN排放和碳載量的影響，及其與發(fā)動機有效運行時間的關(guān)系，為GPF整車灰分標定奠定了試驗基礎，得到了以下試驗結(jié)論。

1）建立的灰分累積模型是合理性的。

2）灰分量增加對發(fā)動機性能影響較大，導致扭矩、功率下降，排氣背壓增大，燃油耗增多，PN排放呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢?；曳謱N過濾效率的影響：30 g之前過濾效率隨灰分增多線性增加，30 g之后過濾效率基本不變，為折中對發(fā)動機的影響，將該發(fā)動機GPF灰分限值定為30 g。

3）灰分隨發(fā)動機有效運行時間的增大而增多，導致GPF體積內(nèi)的碳煙量減少，一定灰分量增大了GPF再生的效率和能力。

由于汽油成分也會對灰分生成有一定影響，在以后的研究中，建議對汽油成分進行分析，以全面了解灰分生成規(guī)律及影響。