高原汽油機(jī)顆粒捕集器捕集效率的研究進(jìn)展

王書恒， 何 超， 楊開平， 仵云凡， 曹佳潭， 汪亦寒

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

為了防治污染，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，應(yīng)對(duì)環(huán)境日益惡化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部于2016年發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及其測(cè)量方法(第六階段)》[1]，其中國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)要求輕型汽車的汽油機(jī)顆粒物排放限值自 2023年7月1日起低于 3 mg/km。同時(shí)我國(guó)高原地區(qū)占據(jù)國(guó)土面積約1/3，但由于高原地區(qū)單位體積內(nèi)的氧氣質(zhì)量隨著海拔升高而降低，在高原地區(qū)的汽油車會(huì)排放比在低海拔地區(qū)更多的尾氣排放物[2]。因此，這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)、排放后處理技術(shù)等各方面提出了新的挑戰(zhàn)。雖然與汽油機(jī)顆粒物捕集器相關(guān)的研究和應(yīng)用日漸升溫，但國(guó)內(nèi)外對(duì)高原汽油機(jī)微粒捕集效率影響的研究并不多，學(xué)者大部分都僅對(duì)高原環(huán)境下的汽油機(jī)排放特性進(jìn)行研究，未涉及到GPF的捕集對(duì)高原環(huán)境下的影響情況研究或者僅對(duì)低海拔地區(qū)的GPF捕集效率進(jìn)行研究。然而因高低海拔地區(qū)的差異性，所以并不能將現(xiàn)有GPF捕集效率的研究成果直接應(yīng)用到高原環(huán)境下。本文分別介紹高原環(huán)境下的汽油機(jī)尾氣排放現(xiàn)狀及其影響因素和低海拔環(huán)境下的汽油機(jī)顆粒物捕集器的發(fā)展及捕集效率影響因素的研究現(xiàn)狀，為以后的高原汽油機(jī)顆粒捕集效率提供有力的參考。

1 高原環(huán)境下的尾氣顆粒排放特性

1.1 汽車不同駕駛狀態(tài)對(duì)尾氣排放特性的影響

上海汽車集團(tuán)的程亮[3]等在實(shí)驗(yàn)車輛為四缸自然吸氣式、后處理裝置為下底板催化器(UFC)和三元催化器(TWC)的汽油車上，研究高原地區(qū)不同駕駛狀態(tài)與汽車尾氣排放顆粒之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行不同駕駛狀態(tài)下CO、CO2、PN、NOx、O2各污染物排放濃度的測(cè)量，一般駕駛狀態(tài)和激烈駕駛狀態(tài)時(shí)CO的排放含量最高，且三種狀態(tài)下的CO、CO2、PN排放含量明顯較高于其他尾氣排放物。同時(shí)其對(duì)道路行駛狀態(tài)下不同駕駛狀態(tài)的尾氣排放濃度進(jìn)行研究，得到表1所示結(jié)果：

表1 不同駕駛狀態(tài)下的道路行駛中尾氣污染排放量占RDE實(shí)驗(yàn)尾氣排放總量的占比

因?yàn)楦咴h(huán)境下的空氣密度降低，空氣較為稀薄，因此缸內(nèi)單位時(shí)間下的進(jìn)氣量不充足，且高海拔地區(qū)的影響進(jìn)氣壓力也較低，當(dāng)汽車處于高速負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)可燃混合氣過濃，使CO排放增加。此外，CO排放因?yàn)辄c(diǎn)火提前角在高海拔地區(qū)的提前打開而導(dǎo)致進(jìn)一步惡化。同時(shí)，電噴汽油機(jī)的控制策略在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況下為開環(huán)控制，在達(dá)到一定負(fù)荷工況時(shí)，就要通過供給缸內(nèi)較濃混合器，可燃混合氣濃度為功率混合氣，因此在高速狀態(tài)下，CO的排放在不同駕駛狀態(tài)下均有所升高。對(duì)于不同駕駛狀態(tài)下的PN排放量可能因?yàn)榭杖急炔▌?dòng)造成燃燒不充分，導(dǎo)致在一般駕駛狀態(tài)下PN排放最大，激烈駕駛狀態(tài)下PN排放含量最小。NOx是在高溫、高溫持續(xù)時(shí)間和富氧三種條件下生成的。同時(shí)在激烈的駕駛狀態(tài)下導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)新鮮充量降低，所以使CO2排放升高。

1.2 不同海拔高度的排放影響

北京理工大學(xué)的李磊[4]等對(duì)不同海拔高度下的汽油機(jī)尾氣排放進(jìn)行研究，隨著海拔的上升，全負(fù)荷下 HC 比排放呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，CO 比排放呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但在高轉(zhuǎn)速下基本沒有變化，NOx 比排放呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。通過對(duì)比三種排放物的不同海拔高度與不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增量圖，建立如圖1所示的排放物與不同海拔高度的關(guān)系。

圖1 不同海拔高度下的汽油機(jī)尾氣排放量關(guān)系

其中NOx的變化趨勢(shì)是因?yàn)樵诟咴h(huán)境下由于海拔的升高而導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，缸內(nèi)可燃混合氣為較稀混合氣，導(dǎo)致燃燒溫度下降，致使 NOx 的生成受到阻礙，因此出現(xiàn)減緩趨勢(shì)；同時(shí)在高海拔下，反應(yīng)物在高溫下的反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，此時(shí)高溫加速了 NOx 的生成，因此出現(xiàn)上升趨勢(shì)；HC比排放隨著海拔的升高而增加，呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)，且在發(fā)動(dòng)機(jī)速為1 000 r/min工況下，海拔4 200 m的HC排放比100 m處時(shí)的排放含量增加6%。

2 GPF捕集效率影響因素研究現(xiàn)狀

由于國(guó)內(nèi)外對(duì)高原環(huán)境下的GPF的過濾效率研究較少，對(duì)低海拔地區(qū)的GPF捕集效率相對(duì)較多，因此首先對(duì)低海拔地區(qū)的GPF捕集效率影響因素進(jìn)行探究，對(duì)高原GPF微粒捕集效率提供可參考因素，而低海拔和高海拔的尾氣排放顆粒物含量的主要差異在于CO、CH，因此在后期學(xué)者對(duì)高原環(huán)境下GPF微粒捕集效率進(jìn)行研究時(shí)還可以針對(duì)性對(duì)CO、CH的排放特性進(jìn)行研究。而低海拔GPF微粒捕集效率的影響因素主要由GPF過濾器特性(材料、孔隙率等)、灰分量含量、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性、尾氣微粒徑粒尺寸、GPF再生頻率等決定，根據(jù)影響因素是否由GPF直接影響，將其分為主影響因素和副影響因素。主影響因素包括GPF過濾特性、再生頻率等，副影響因素則為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性、GPF的布置位置等。兩者對(duì)GPF捕集效率影響具有一定的差異，因此，本文就兩種影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 影響GPF的主因素研究現(xiàn)狀

2.1.1 材料對(duì)捕集效率的影響

因?yàn)镚PF工作環(huán)境為排氣系統(tǒng)的熱端且尾氣中含有硫、氮等氧化元素，為使GPF在腐蝕、高溫工作環(huán)境下保證正常工作及捕集效率的穩(wěn)定，所以對(duì)GPF制作材料的挑選十分重要，GPF制作材料需要具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、較高的導(dǎo)熱系數(shù)、較強(qiáng)的耐熱沖擊性、較低的熱膨脹系數(shù)以及良好的熱穩(wěn)定性等性能。布拉格化學(xué)與技術(shù)大學(xué)的Marek Václavík[5]等在開發(fā)出過濾效率和催化活性方面性能最佳的多孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵前提下，將催化活性材料涂覆在多孔濾壁上，來表征濾壁內(nèi)催化材料的分布和濾料的形態(tài)，同時(shí)為考慮經(jīng)濟(jì)性，也可以降低排氣后處理系統(tǒng)的規(guī)模和成本。實(shí)驗(yàn)GPF選取SiC材料，通過對(duì)不同SCR催化劑用量的SiC濾料樣品進(jìn)行了表征。分割后的XRT圖像用作數(shù)學(xué)模型輸入催化材料的三維分布和濾壁內(nèi)部較大的大孔，來評(píng)估GPF有效捕集效率，同時(shí)PSD和XRT表明，催化材料完全填滿了基底的大量孔隙，因此得出GPF的捕集效率隨催化涂膜量的增加呈非線性增加。

2.1.2 碳載量對(duì)捕集效率的影響

在GPF中對(duì)碳載量模型的計(jì)算精度具有較高的要求，因?yàn)镚PF內(nèi)的碳載量只能通過模型來對(duì)其進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中是無法直接測(cè)量到碳載量具體含量的。當(dāng)GPF的碳載量模型值高于實(shí)際值時(shí)，由于碳載量的增加累計(jì)會(huì)導(dǎo)致GPF孔隙堵塞，GPF的捕集效率隨內(nèi)壁孔隙率的變化也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，準(zhǔn)確估計(jì)GPF碳載量對(duì)于GPF的捕集效率研究具有十分重要的意義。范明哲[6]等基于碳煙的累積模型，從發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速獲得模型的基礎(chǔ)脈譜，并從基礎(chǔ)空燃比上進(jìn)行基礎(chǔ)脈譜的修正，綜合考慮建立了開環(huán)的碳煙模型，并基于GPF內(nèi)部溫度、當(dāng)前碳載量數(shù)值大小、尾氣中氧氣流量三個(gè)主要參數(shù)因素，建立一個(gè)區(qū)分主動(dòng)再生和被動(dòng)再生不同工況下的開環(huán)再生模型。將前者與后者的實(shí)際數(shù)值的差值作為基本參數(shù)輸入累計(jì)計(jì)算器中，獲得GPF綜合累計(jì)碳載量模型。并在Matlab Simulink平臺(tái)下搭建碳載量模型，通過分別對(duì)累炭基礎(chǔ)脈譜的實(shí)驗(yàn)及仿真，并充分參考起動(dòng)、水溫和順態(tài)工況的修正因子對(duì)脈譜進(jìn)行修正，同時(shí)在再生模型進(jìn)行上述所影響再生模型影響因子的實(shí)驗(yàn)及仿真，最后得到所設(shè)計(jì)的碳載量模型偏差值為+5.8%；主動(dòng)和被動(dòng)再生模型的偏差值分別為+9%和+6%；綜合碳載量模型的偏差值為+3%，模型精度良好。同時(shí)邵陽學(xué)院的伏軍[7]等研究了GPF碳載量的估算方法，其研究忽略了灰分產(chǎn)生的壓降，根據(jù)GPF壓差傳感器的壓降和實(shí)際碳載量的關(guān)系，并考慮實(shí)際過程中的GPF運(yùn)行特性，引進(jìn)了可以修正GPF入口溫度影響的碳煙指數(shù)，并得出碳煙指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如式(1)所示：

(1)

式中：ΔPs為GPF壓差傳感器實(shí)測(cè)壓降；μrefQvref/μQv為修正項(xiàng)。

并且對(duì)其標(biāo)定方法進(jìn)行驗(yàn)證得到碳煙載量估計(jì)的整體誤差在0.3 g/L以內(nèi)，其在一定的的幅度內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)?？赡苁且?yàn)樵趯?duì)GPF進(jìn)行萬有特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，GPF內(nèi)的碳煙由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性、排氣溫度、空燃比等的不斷變化而產(chǎn)生變化性的氧化過程，因此整體誤差范圍也在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化。

2.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)灰分載量對(duì)捕集效率的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的灰分累積量對(duì)GPF的捕集效率影響類比在柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)內(nèi)的炭煙層對(duì)DPF的捕集效率的影響，灰分層也可能會(huì)作為顆粒的過濾介質(zhì)，會(huì)較為顯著的提高GPF的捕集效率。因此，同濟(jì)大學(xué)的李笑杰[8]等研究了發(fā)動(dòng)機(jī)不同負(fù)荷下的不同灰分載量對(duì)GPF過濾性能的影響，其研究表明在存在灰分載量累計(jì)比無灰分載量的GPF捕集效率更高。且在無灰分載量工況下，GPF捕集效率為85%，少量灰分載量對(duì)其影響效果顯著，在5 g/L的灰分累計(jì)載量工況下，GPF的捕集率可高達(dá)97%。且隨著灰分載量逐漸增加，對(duì)GPF捕集效率影響效果降低，但當(dāng)灰分載量高達(dá)一定累積量后，GPF的捕集效率高達(dá)99%。這是由于在無灰分載量下，GPF的孔隙直徑較大且孔道長(zhǎng)度較短，極大限制了捕集效率的上限，而在少量灰分載量累計(jì)后，灰分沉積在GPF內(nèi)壁壁面和孔道內(nèi)，孔隙和孔道發(fā)生變化，因此在灰分加載初期GPF的捕集效率變化顯著。而當(dāng)灰分累積量達(dá)到一定數(shù)值后，孔道末端累積量過大，產(chǎn)生孔隙過小甚至堵住的工況，減少了GPF的過濾面積，因此GPF的捕集效率變化趨勢(shì)減弱。但其在不同負(fù)荷的條件下僅對(duì)比了FPI和GDI 不同發(fā)動(dòng)機(jī)排放的尾氣顆粒特性，缺少對(duì)不同負(fù)荷下的GPF的捕集效率的影響。

同時(shí)上汽大眾的朱偉[9]對(duì)GPF對(duì)PN過濾效率進(jìn)行進(jìn)一步研究，其研究PN過濾效率與累灰量隨時(shí)間的變化。研究表明累灰量隨著時(shí)間的推移逐漸增多，GPF對(duì)PN過濾效率同時(shí)由71%增加到10 h后的96%，但捕集效率增長(zhǎng)速度隨時(shí)間增加而逐漸變緩。

2.1.4 再生頻率對(duì)捕集效率的影響

F.ADAM[10]等使用四種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)和兩種不同的GPF技術(shù)，研究了激進(jìn)工況和正常工況下的汽車行駛循環(huán)時(shí)的GPF再生條件和對(duì)GPF捕集效率的影響，提出了每分鐘再生頻率和行駛循環(huán)時(shí)間占比含量，即再生循環(huán)的持續(xù)時(shí)間。其在GPF的先進(jìn)技術(shù)前提下，表明在再生循環(huán)中，其中灰分累積量的多少對(duì)GPF具有較大的影響，其再生循環(huán)中使用先進(jìn)GPF技術(shù)，可以使GPF對(duì) 大于23.0 nm的顆粒物捕集效率提高21%(57%～78%)，GPF對(duì)大于2.5 nm的顆粒物捕集效率提高14%(71%～85%)。

圖2 三種不同灰分量對(duì)GPF捕集效率的影響

合肥工業(yè)大學(xué)的龔少男[11]等在F.ADAM的基礎(chǔ)上對(duì)影響再生頻率的因素進(jìn)行分析，其對(duì)GPF中心溫度、氧流量進(jìn)行研究，得到在氧含量為0 mg的工況下，GPF因?yàn)樗d炭量的不燃燒而不發(fā)生再生。且GPF再生頻率隨著氧含量的增加而加快；GPF的再生頻率也隨著GPF中心溫度的增加呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。文中并沒有提到GPF中心溫度與氧含量的變化與GPF捕集效率之間的影響，僅通過試驗(yàn)分析得到其對(duì)再生頻率的影響。但因?yàn)镚PF中心溫度和氧含量的正向干變化導(dǎo)致再生頻率的增加，而再生頻率會(huì)影響灰分累積量增加，進(jìn)而在一段時(shí)期內(nèi)會(huì)增加GPF的捕集效率，但GPF再生頻率在灰分增加到一定量后對(duì)GPF的捕集效率提升效果不顯著，因此GPF中心溫度和氧流量?jī)烧吲cGPF的捕集效率之間可能不存在正比例關(guān)系。

2.2 影響GPF的副因素研究現(xiàn)狀

2.2.1 布置方式對(duì)捕集效率的影響

李配楠[1]等在1.5 TGDI試驗(yàn)車上進(jìn)行GPF不同的布置方式對(duì)排放的影響進(jìn)行探究，兩組實(shí)驗(yàn)的TWC涂履方式為分區(qū)涂履，且實(shí)驗(yàn)除布置方式不同外，其他環(huán)境和設(shè)備條件均相同，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：兩種布置方式對(duì)排放物的控制能力的差別效果不明顯，對(duì)氣體排放物的排放含量結(jié)果也相差不多。但對(duì)比兩者顆粒物的排放情況，除緊耦合布置時(shí)的CO排放量低于后置式布置，其他尾氣排放物排放含量均高于后置式布置。但在高原環(huán)境下汽車尾氣排放中CO的排放含量在尾氣排放中占比較重，因此在高原環(huán)境下，緊耦合的布置方式要更優(yōu)于后置式布置，而當(dāng)在平原環(huán)境下，后置式布置要更優(yōu)于緊耦合布置。

圖3 不同布置方式對(duì)排放結(jié)果的比較

2.2.2 耐久對(duì)捕集效率的影響

張凱[12]等使用材料為壁流堇青石GPF載體，且內(nèi)壁涂覆催化劑的GPF樣件，在樣車為1.5 L的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬GPF耐久性對(duì)捕集效率的影響研究，其研究了在不同的耐久使用程度下的捕集效率影響。實(shí)驗(yàn)分別使用未使用過的GPF樣件、重量增加20 g的GPF樣件、重量增加25 g的GPF樣件和重量增加30 g的GPF樣件，將四個(gè)樣件分別安裝在相同環(huán)境下的WLTC循環(huán)排放的試驗(yàn)車，對(duì)其進(jìn)行GPF捕集效率測(cè)試，得到四個(gè)樣件的平均捕集效率為95.7%、98.1%、98.1%、98.2%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)下，GPF的耐久在一定程度內(nèi)對(duì)GPF的捕集效率影響不顯著，但存在一定使用耐久后仍比未使用過的GPF的微粒捕集效率高。產(chǎn)生這種的原因可能是未使用的GPF可能累分量與GPF內(nèi)排氣背壓均低于存在一定耐久的GPF，而具有一定使用耐久的GPF捕集效率提升主要因?yàn)樵谝欢ㄊ褂煤驡PF壁面微孔當(dāng)量直徑產(chǎn)生變化，比未使用過的GPF直徑有所降低，且隨著排氣背壓的增加，排氣質(zhì)量流量低，產(chǎn)生的尾氣含量會(huì)隨之減小，因此GPF的捕集效率有所提高。

3 結(jié)論與展望

本文分析了國(guó)內(nèi)外的高原汽油機(jī)尾氣微粒排放特效影響因素，以及汽車不同檔位、不同駕駛狀態(tài)，不同海拔高度對(duì)尾氣排放的影響，得出高原環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的尾氣排放含量具有一定的差異，但CO、NOx兩種的排放物含量在多種工況下總尾氣排放含量的占比較重；同時(shí)對(duì)低海拔GPF微粒捕集效率進(jìn)行總結(jié)，分析了灰分量、孔隙率、GPF材料以及涂覆情況、GPF布置方式等多種因素對(duì)GPF捕集效率的影響，為之后學(xué)者對(duì)高原汽油機(jī)微粒捕集提供一定的參考價(jià)值。

同時(shí)基于高原環(huán)境下的GPF捕集效率的影響因素還有很多問題有待解決，提出目前GPF的可能發(fā)展方向提出展望。

(1)現(xiàn)廣泛使用的GPF材料仍存在導(dǎo)熱率低，強(qiáng)度低，軸向徑向膨脹系數(shù)相差較大等問題，得出合成強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性及耐腐蝕材料對(duì)GPF耐久性和捕集效率具有十分重要的意義。

(2)高原地區(qū)占國(guó)家總面積的1/3，且單位質(zhì)量燃油消耗下，高原尾氣排放含量較低海拔區(qū)域更高，因此針對(duì)高原GPF技術(shù)的研究對(duì)捕集效率的提高具有指導(dǎo)性。

(3)GPF基于不同海拔環(huán)境下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，例如孔隙率，灰分量再生控制等在不同工況下的微機(jī)結(jié)構(gòu)控制研究。

(4)高原四元轉(zhuǎn)化器的開發(fā)與捕集效率的研究。