炭載量對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器性能的影響

樓狄明，余玉麒，房亮，張?jiān)嗜A，楊小東

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804; 2.無(wú)錫威孚力達(dá)催化凈化器有限責(zé)任公司,江蘇 無(wú)錫 214177)

近些年來(lái)，汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)因其具有更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性得到廣泛應(yīng)用，但采用缸內(nèi)直噴的方式會(huì)產(chǎn)生油氣混合時(shí)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(jī)顆粒物普遍比柴油機(jī)顆粒粒徑小，而顆粒越小對(duì)人體危害越大，已證實(shí)超細(xì)核態(tài)顆粒物(sub-23 nm)會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[3-5]。2021年1月國(guó)Ⅵ第一階段法規(guī)開始實(shí)施，對(duì)汽油機(jī)PM(<5 mg/km)和PN(<6.0×1011個(gè)/km)排放提出了新的限制[6]。另一方面，為應(yīng)對(duì)嚴(yán)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(jī)顆粒捕集器(GPF)已成為GDI發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)主流配置。

雖然針對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)的研究對(duì)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(duì)GPF進(jìn)行針對(duì)性研究。Heeje Seong等[7]通過(guò)X射線斷層掃描技術(shù)(XRT)研究了催化劑涂覆和灰分沉積對(duì)GPF孔徑和孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)灰分的沉積對(duì)GPF過(guò)濾的效率提高有著積極作用，但同時(shí)會(huì)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(shí)GPF過(guò)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(guò)濾性能。Xia等[9]發(fā)現(xiàn)，炭煙層的形成在提高過(guò)濾效率方面發(fā)揮著重要作用，特別是對(duì)于低灰分累積的GPF而言?？梢钥闯觯珿PF在使用一段時(shí)間后由于有一定的炭煙灰分積累，過(guò)濾性能會(huì)得到提升，但過(guò)高的累炭同時(shí)導(dǎo)致背壓升高，且GPF在再生過(guò)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(duì)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(guò)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(cè)試循環(huán)(NEDC)和全球統(tǒng)一輕型車測(cè)試循環(huán)下(WLTC)催化劑涂覆對(duì)GPF性能的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)催化劑涂覆后，GPF過(guò)濾性能在無(wú)催化劑涂覆基礎(chǔ)上增加10%以上，但100 g/L催化劑涂覆量會(huì)導(dǎo)致約15 kPa的背壓提升?，F(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)不同炭載量對(duì)GPF性能影響研究較少，從以往的研究以及試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(guò)對(duì)GPF進(jìn)行炭煙加載，探究了在不同炭載量下改變發(fā)動(dòng)機(jī)工況參數(shù)對(duì)GPF背壓和過(guò)濾性能的影響，重點(diǎn)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(guò)濾效果，為GPF炭煙控制及再生提供理論和試驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為上汽乘用車NF1增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)具體的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)架布置如圖1所示。測(cè)試設(shè)備包括PUMA控制臺(tái)、AVL電力測(cè)功機(jī)(測(cè)量功率、扭矩、轉(zhuǎn)速)、壓力和溫度傳感器(測(cè)量GPF前后的壓力和溫度)、轉(zhuǎn)化閥等，尾氣經(jīng)過(guò)二級(jí)稀釋處理，由發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣顆粒物粒徑譜儀(EEPS-3090)對(duì)顆粒物排放進(jìn)行測(cè)定。

圖1 臺(tái)架布置

1.2 試驗(yàn)方案

本研究所做試驗(yàn)為不同炭載量的GPF性能試驗(yàn)，選取常用工況點(diǎn)來(lái)研究發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放特性及對(duì)GPF性能的影響，選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,2 000 r/min和3 000 r/min，選取負(fù)荷(平均有效壓力)為0.2 MPa，0.5 MPa和1.0 MPa。試驗(yàn)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(diǎn)，同時(shí)成本較低。試驗(yàn)用GPF具體參數(shù)見(jiàn)表2，該型號(hào)GPF在炭載量4～5 g/L時(shí)再生較為合適。

表2 試驗(yàn)用GPF相關(guān)參數(shù)

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

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

2) 對(duì)每一組GPF試驗(yàn)組分別在選取的工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)量GPF前后顆粒物數(shù)量排放及背壓變化，每一工況點(diǎn)重復(fù)測(cè)3次并取平均值。

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

GPF對(duì)尾氣中顆粒物數(shù)量處理效率可按以下公式計(jì)算：

ηn-GPF=(nu-nd)/nu。

(1)

式中：ηn-GPF為顆粒數(shù)量過(guò)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(yàn)結(jié)果及分析

2.1 炭載量對(duì)GPF背壓的影響

GPF中總壓降損失主要由四個(gè)部分構(gòu)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(guò)炭煙層或貴金屬涂覆層以及多孔壁面產(chǎn)生的流動(dòng)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(guò)多孔介質(zhì)層產(chǎn)生的流動(dòng)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(gòu)成

圖3示出在不同GPF炭載量下，背壓隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化關(guān)系。隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，相同炭載量下GPF背壓升高，這是因?yàn)樨?fù)荷和轉(zhuǎn)速增大時(shí)，節(jié)氣門開度增大，單位時(shí)間做功循環(huán)次數(shù)變多，兩者都會(huì)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(zhǎng)到3 g/L時(shí)，背壓由11.65 kPa增長(zhǎng)到18.20 kPa，此時(shí)GPF內(nèi)部由深床捕集階段逐漸過(guò)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(shí)，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(fù)荷下炭載量對(duì)GPF背壓的影響

2.2 炭載量對(duì)GPF前后顆粒排放特性的影響

GDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)形成初生態(tài)顆粒，經(jīng)過(guò)表面增長(zhǎng)、凝聚及吸附過(guò)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(jí)顆粒，積聚態(tài)顆粒粒徑在50～1 000 nm之間，屬于超細(xì)顆粒。

為了探究炭載量對(duì)GPF前后顆粒物數(shù)量排放特性的影響，選取發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)顆粒物排放主要為核態(tài)顆粒物。GPF對(duì)于核態(tài)顆粒物的過(guò)濾效果極好，保持在99%以上，對(duì)積聚態(tài)顆粒物，尤其是粒徑在50～120 nm顆粒的過(guò)濾效果較差。隨著積聚態(tài)顆粒物粒徑的增加，GPF過(guò)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(shì)[14]。

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

GPF對(duì)顆粒的過(guò)濾主要有以下幾種機(jī)制，分別為擴(kuò)散機(jī)制、攔截機(jī)制、慣性沉積機(jī)制以及篩分機(jī)制[15-16]。顆粒的粒徑越小，它的布朗運(yùn)動(dòng)效應(yīng)越強(qiáng)，越容易被GPF載體捕獲。隨著粒徑的增大，擴(kuò)散效應(yīng)減弱，但慣性效應(yīng)不明顯，顆粒會(huì)隨著氣流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)與載體表面的距離小于其半徑的1/2時(shí)，該顆粒就會(huì)被攔截[17]。慣性沉積效應(yīng)指的是顆粒粒徑較大具有一定的慣性，氣體流線繞過(guò)載體表面時(shí)，顆粒因慣性保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向脫離氣體流線被載體捕獲。當(dāng)顆粒粒徑大于孔隙直徑時(shí)，則通過(guò)所謂的“篩分”機(jī)制進(jìn)行捕獲。當(dāng)顆粒物經(jīng)過(guò)GPF時(shí)，大多數(shù)核態(tài)顆粒物由于擴(kuò)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?yàn)槠淞较鄬?duì)于核態(tài)顆粒物已顯得足夠大，布朗運(yùn)動(dòng)效果減弱，不再容易因擴(kuò)散作用被捕獲，但又沒(méi)有積聚起較大的質(zhì)量和體積，也不容易因慣性效應(yīng)和攔截作用被捕獲。在顆粒物經(jīng)過(guò)GPF的這一段時(shí)間內(nèi)，顆粒物之間還存在吸附黏結(jié)的過(guò)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(jié)果。

從圖4可以看出，炭載量在1 g/L，3 g/L和5 g/L時(shí)顆粒物過(guò)濾效果較好，而當(dāng)炭載量繼續(xù)增長(zhǎng)到7 g/L時(shí)，GPF前后顆粒物排放數(shù)量差距變小，GPF的過(guò)濾效率反而下降。為進(jìn)一步探究在過(guò)量炭載量下GPF在不同工況點(diǎn)的工作效率，選取了隨機(jī)工況點(diǎn)1 000 r/min，0.5 MPa和2 000 r/min，0.2 MPa進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5和圖6所示。發(fā)現(xiàn)在7 g/L炭載量時(shí)， GPF前后不同粒徑下的顆粒物數(shù)量排放數(shù)量級(jí)接近，說(shuō)明GPF工作效率顯著降低，這是因?yàn)镚PF積炭過(guò)多，早已超出了GPF再生限值，GPF在工作過(guò)程中會(huì)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(diǎn)(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?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)GPF的過(guò)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(jìn)一步說(shuō)明GPF對(duì)于核態(tài)顆粒物的過(guò)濾效果要優(yōu)于對(duì)積聚態(tài)顆粒物的過(guò)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(duì)GPF過(guò)濾效率的影響

圖8示出穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量下GPF過(guò)濾效率隨顆粒物粒徑的變化。炭載量在5 g/L及以下時(shí)，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(yàn)GPF對(duì)核態(tài)顆粒物的過(guò)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(guò)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(guò)濾效率下降趨勢(shì)明顯大于3 g/L和5 g/L炭載量的GPF試驗(yàn)組。而炭載量為3 g/L和5 g/L的GPF過(guò)濾效率下降趨勢(shì)較為接近，不同于對(duì)核態(tài)顆粒物的過(guò)濾效率，炭載量為5 g/L的GPF對(duì)積聚態(tài)顆粒物的過(guò)濾效率要略優(yōu)于炭載量為3 g/L的GPF試驗(yàn)組。當(dāng)炭載量為7 g/L時(shí)，GPF對(duì)于顆粒物的過(guò)濾效率大幅降低，GPF過(guò)濾效率隨顆粒物粒徑的變化曲線出現(xiàn)振蕩波動(dòng)的狀態(tài)，說(shuō)明此時(shí)GPF內(nèi)部累炭過(guò)多，GPF不能正常工作，應(yīng)及時(shí)再生清除GPF內(nèi)部過(guò)多積炭。

圖8 炭載量對(duì)GPF過(guò)濾效率的影響

圖9示出在固定工況點(diǎn)3 000 r/min，1.0 MPa下，不同炭載量GPF的核態(tài)顆粒物過(guò)濾效率、積聚態(tài)顆粒物過(guò)濾效率以及總過(guò)濾效率對(duì)比。從圖9可以看出，雖然各組GPF對(duì)于積聚態(tài)顆粒的過(guò)濾效率較差，但是總過(guò)濾效率同核態(tài)顆粒物過(guò)濾效率較為接近，這是因?yàn)楦變?nèi)直噴汽油機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)以上，說(shuō)明GPF的總過(guò)濾效率主要取決于對(duì)核態(tài)顆粒物的過(guò)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(guò)濾效率分別為98.85%，99.70%和99.36%，總過(guò)濾效率分別為98.71%，98.91%和99.04%。炭載量為5 g/L的GPF對(duì)積聚態(tài)顆粒物的過(guò)濾效率最好，過(guò)濾效率為73.33%。當(dāng)炭載量為7 g/L時(shí)，GPF過(guò)濾效率急劇下降，其總過(guò)濾效率為75.60%。此時(shí)GPF已不滿足工作需求，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(guò)濾效率及總過(guò)濾效率對(duì)比

3 結(jié)論

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

b) 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(duì)于核態(tài)顆粒物過(guò)濾效果理想，對(duì)于積聚態(tài)顆粒物，尤其是粒徑范圍在50～100 nm的顆粒物過(guò)濾效果較差；

c) GPF內(nèi)部保持一定炭載量有助于過(guò)濾效率的提高，但過(guò)多的炭載量反而造成背壓上升，過(guò)濾效率急劇下降，因此，定期地配合主動(dòng)再生，降低GPF中炭載量有利于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的提升。