润滑油灰分对GPF过滤效率影响的试验研究

汤东，刘胜，华伦

(1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013;2.清华大学苏州汽车研究院(吴江)，江苏 苏州 215200)

缸内直喷(GDI)汽油发动机由于具有良好的动力性和燃油经济性而被广泛接受，其市场占有率不断提高[1]。同时，GDI发动机的使用也存在一些问题，与进气道喷射(PFI)发动机相比，GDI发动机的颗粒物(PM/PN)排放更高，特别是PN排放，已有的缸内净化与TWC技术已经不能满足中国第六阶段轻型车排放法规要求[2]。与第五阶段排放法规相比较，第六阶段的循环测试标准由 NEDC 改为全球轻型车统一测试循环(WLTC)，增加了实际道路测试(RDE)，并且在不区分PFI和GDI发动机的前提下，增加了颗粒物数量(PN)6.0×1011个/km 的限值要求。因此，如何解决汽油车颗粒物排放问题已迫在眉睫。目前，汽油机颗粒物捕集器(GPF)被认为是解决GDI发动机排放问题最有效的技术[3-6]。

GPF 技术早已用于解决GDI发动机颗粒物排放问题，其过滤机理与柴油机颗粒捕集器(DPF)基本相同。排气气流以一定的流速穿过多孔性壁面，这个过程称为壁流。壁流式颗粒捕集器一般由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成，通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道壁面通过，颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性四种方式被捕集过滤[7]。

灰分的累积一定程度上会影响GPF的耐久性能，对排气背压与颗粒物的过滤效率产生一定的影响。本研究基于润滑油掺烧快速老化的方法，对GPF进行快速老化，通过发动机与整车转毂台架试验以及实际道路测试(RDE)，研究了在整个20万 km耐久里程内，灰分对GPF性能的影响。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本研究采用润滑油掺烧的方式来实现GPF的快速老化。快速老化装置(布置简图如图1所示)主要由缸内直喷汽油机、掺烧燃油供给系统、补气系统以及后处理系统组成，后处理系统包括三元催化转换器(TWC)与汽油机颗粒捕集器(GPF)。掺混燃油供给系统中润滑油与正常汽油按照一定比例均匀混合作为发动机的燃料，在发动机缸内燃烧产生的灰分随着排气一起进入后处理系统，大量灰分被捕集在GPF内部。补气装置为排气系统提供氧气，用于GPF内部的炭烟再生，最终留在GPF内部的只有灰分。快速老化试验和发动机性能试验采用的是1台增压中冷GDI发动机，主要参数如表1所示。

图1 快速老化台架布置简图

表1 发动机参数

本研究所用的TWC与GPF载体材料均为堇青石，GPF涂覆催化剂，载体样件的相关参数如表2所示。

表2 GPF与TWC技术参数

经灰分老化后，将GPF样件安装在1台搭载国六GDI发动机的车辆上，试验车辆的相关参数如表3所示。

表3 试验车辆参数

车辆转毂排放试验的底盘测功机采用HORIBA的VULCAN II-EMS-CD48-2WD测功机，环境仓尺寸为18 000 mm×9 060 mm×4 000 mm，温度控制范围为-20～48 ℃，控制精度为±1 ℃。含湿量控制范围为5～12.2 g/kg干空气。尾气分析系统采用全套的HORIBA全流稀释定容取样系统。实际道路排放试验所用的车载排放测试设备是HORIBA的OBS-ONE PM unit和OBS-ONE GS unit，其中OBS-ONE PM unit主要测量尾气中的颗粒物，OBS-ONE GS unit主要测量尾气中的气体污染物。

1.2 试验方法

基于润滑油掺烧快速老化方法，首先在发动机台架上对GPF进行快速积灰老化，然后在发动机台架上进行外特性试验，研究灰分对排气背压、油耗和发动机动力性能的影响。最后基于WLTC循环，在整车转毂台架上进行过滤效率测试，同时，针对国六法规，将积灰后的排气系统装配在整车上，进行RDE测试。台架与整车试验后处理系统布置简图一致，如图2所示。

图2 后处理布置简图

快速老化时，将润滑油与汽油按照一定比例均匀混合，作为燃料进入发动机缸内燃烧产生灰分，灰分随着排气进入排气系统，大部分被GPF捕集。由于掺混油在缸内的雾化与燃烧较差，为保证发动机的正常运行，在特定的积灰工况下运行8 h后，切换正常汽油作为发动机燃油，同时打开GPF前端补气系统补充氧气，在特定工况运行2 h，使得排气温度达到700 ℃，用以去除掺烧油带来的缸内、喷油器、火花塞处、GPF内的积炭。GPF进行一定时间积灰试验后，拆卸放至马沸炉中，在200 ℃下保温2 h，去除冷凝水对质量的影响，重复称重3次，取平均值作为最终质量，反复积灰称重，直到达到目标积灰质量。

严格执行相关的规定和要求，达到要求的项目要进行裸露泥土的全绿化覆盖，施工中的主干道一律进行硬化处理，及时的设置沉淀池，科学有效的减小泥土中的扬尘对大气的污染。同时，重视对施工道路两侧的绿化工作，在不影响施工工作的前提下对道路两侧提高植被覆盖。其次，根据具体的施工情况，安装全自动喷雾降尘系统，通过先进的仪器，达到降尘加湿的作用，同时对工程中的植被进行浇灌，最大化的利用水资源更好的提升空气质量。第三，重视对新技术的使用，如在路面硬化中，可以采用新式预制混泥土道路施工技术，不仅可以更好的节约资源，还能有效的减少施工现场及后期产生的垃圾和扬尘对空气的污染。

本试验所用的GPF样件有4个，1个新鲜样件和3个积灰样件。积灰质量分别为0 g，3 g，30 g，60 g，用编号G0，G3，G30，G60表示。根据以往试验经验，本次试验中润滑油与汽油的掺混比例为1%，掺混比例太高影响缸内燃烧，比例太低积灰速率太慢。整车机油消耗量约为0.1 mL/km，所用机油中的灰分含量为1.2%，密度为850 g/L，根据OEM提供的试验数据，排气中的灰分实际被捕集在GPF内部的只占30%。根据上述数值计算，积灰质量3 g，30 g，60 g 分别代表车辆的1万 km，10万 km，20万 km行驶里程。

台架试验结束后，将GPF样件装配到车辆上进行车辆试验。值得注意的是，更换样件时只更换GPF样件，前端统一搭载同一个TWC。车辆试验严格按照国六法规要求进行，整车转毂试验开始前先进行预处理，随后浸车6 h以上，使得车辆的水温油温为环境仓状态，每个GPF进行2次WLTC循环试验。实际道路测试在苏州当地进行，包含市区、郊区和高速路线。

2 试验结果与分析

2.1 背压结果与分析

4个GPF样件积灰结束后，装配于发动机台架上进行试验，在外特性点研究灰分对发动机性能的影响。试验装置的布置方式如图3所示。后处理系统在台架上的布置方式与整车的布置方式一致，GPF为后置式，前端搭载紧耦合的TWC。外特性点GPF的背压和发动机燃油消耗率、扭矩结果分别如图4、图5、图6所示。

图3 试验室布置

图4 外特性点GPF背压对比

图5 外特性点燃油消耗率对比

图6 外特性点扭矩对比

随着发动机转速的增加，GPF的背压不断上升，这主要是由于排气流量的增加导致的。发动机转速在1 000 r/min时，4个样件的背压均小于5 kPa，而5 000 r/min时GPF的背压最大高达30 kPa，并且发动机转速越高，不同积灰样件之间的差异越大，可见在高转速工况下，灰分对GPF背压的影响比较显著。同时比较4个不同积灰量GPF之间的背压变化，与G0样件相比，G3、G30、G60样件的背压最大分别增加了1.4 kPa，3.7 kPa，8.8 kPa，由此可见GPF的背压随着灰分量的增加而升高。这是因为灰分沉积在GPF孔道内，减小了有效过滤面积，导致GPF背压上升。

发动机的燃油消耗率由试验台架燃油消耗仪直接测量，图5示出外特性点不同灰分加载量下发动机燃油消耗率的对比情况。低转速时，灰分对发动机燃油消耗率的影响较小，2 500 r/min时，最大增加0.61 g/(kW·h)。这主要是因为低转速时发动机的排气流量小，灰分带来的背压较小，还不足以对燃油消耗率造成较大的影响。高转速时，由于排气流量较大，灰分带来的背压增大，5 000 r/min时，G60样件的燃油消耗率为170.97 g/(kW·h)，相比于G0样件增加4.14 g/(kW·h)。

扭矩是评价发动机动力性能的重要指标，随着GPF内灰分量的增加，排气系统的背压增大，带来的泵气损失增加，导致缸内燃烧变差，影响发动机的动力性能。在3 000 r/min时，与G0样件相比，G3，G30，G60的扭矩分别下降了0.43 N·m，1.7 N·m，3.7 N·m，可见发动机的扭矩随着灰分量的增加而减小，灰分的累积在一定程度上影响了发动机的动力性能。

2.2 过滤效率结果与分析

2.2.1WLTC工况各阶段颗粒排放分析

WLTC工况分为四个阶段，分别为低速段、中速段、高速段和超高速段(见图7)。其中，第一部分为市区工况，最高车速为56.5 km/h，平均车速为18.9 km/h；第二部分为市郊工况，最高车速为76.6 km/h，平均车速为39.5 km/h；第三部分为高速工况，最高车速为97.4 km/h，平均车速为56.7 km/h；第四部分为超高速工况，最高车速为131.3 km/h，平均车速为92.0 km/h。相比于国五法规的NEDC工况，WLTC工况的车速更高，发动机运行的工况范围更广，更加符合我国复杂多样的实际路况。

图7 WLTC工况车速

图8示出WLTC工况下四个阶段PN排放情况，该车辆发动机颗粒物排放高的区域主要集中在第一阶段和第四阶段。所有样件第一阶段的PN排放贡献率超过90%，且第一阶段的排放值随着灰分量的增加而减少。这主要是因为第一阶段为冷起动阶段，缸内温度较低，燃油雾化和缸内蒸发较差，并且发动机转速低，缸内湍流强度较弱，不利于形成更加均匀的混合气，造成PN排放较高。第四阶段为超高速阶段，转速高，负荷大，缸内混合气变浓，导致燃烧不完全，从而使颗粒物排放增加。

图8 WLTC工况各阶段PN排放

2.2.2WLTC工况颗粒物过滤效率

将4个GPF按原车布置方式装配于整车上。基于WLTC循环在整车转毂台架进行试验，颗粒物PN排放总值如图9所示。

图9 WLTC工况下PN排放总值

在WLTC工况下，该车辆PN的原排达到1.02×1012个/km，已经超出了国六排放限值要求；加装GPF后，4套排气系统的PN值均能满足法规要求。随着灰分量的增加，PN的过滤效率不断增加，最大高达99%。3 g灰分量下GPF样件的PN过滤效率达到96.6%，相比于新鲜件的75%提高了21%，说明少量灰分的累积可以显著提高GPF的过滤效率。GPF对灰分的过滤分为深床过滤与饼层过滤，灰分沉积初期处于深床过滤阶段，这一阶段灰分进入过滤壁面孔隙，减小了GPF整体的孔隙率，可以显著提高GPF对PN的过滤效率。

2.2.3RDE工况颗粒物排放

根据法规要求，实际道路测试路线包含市区、郊区和高速路段，其中市区路段车速应限制在60 km/h以下，郊区路段车速应限制在60～90 km/h，高速路段车速限制在90 km/h以上。三段路线的比例应该是34%的市区路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述比例的误差应该控制在±10%以内，且市区路段的行驶比例不能低于总里程的29%。三段路程中每段路程的最小行驶距离为16 km，且整个试验循环要在120 min内完成。

表4示出实际道路试验各路段车速和里程结果。市区路段车速为29.4 km/h，小于60 km/h，郊区路段车速为75.5 km/h，位于60～90 km/h之间，高速路段车速为101.3 km/h，大于90 km/h。市区路段、郊区路段和高速路段所占比例分别为32.6%，34%，33.4%，整个试验循环完成时间为96 min。

表4 RDE试验车速和里程

目前国六b排放法规只对PN和NOx规定限值，实际道路测试限值略高于整车WLTC工况限值，影响因子为2.1，PN排放限值为1.26×1012个/km。 PN的排放结果如图10所示。PN排放远低于法规限值，随着灰分量的增加，PN排放不断减小，减排率((新鲜样件PN排放值-积灰样件PN排放值)/新鲜样件PN排放值)不断提高。60 g灰分样件下PN排放为4.07×109个/km，相比于新鲜件降低了两个数量级，3 g灰分量下减排率高达92.4%，少量灰分即可显著提高GPF的过滤效率，减小PN排放。RDE工况和WLTC工况结果一致，结果都表明灰分的累积可以显著提高GPF的过滤效率。

图10 RDE工况下PN排放

3 结论

a) GPF背压随着灰分量和排气流量的增加而增大，与无灰GPF相比，60 g灰分量下发动机背压最大上升8.8 kPa；

b) 发动机的动力性能随着灰分量的增加而下降，与无灰GPF相比，60 g灰分量下发动机扭矩最大下降3.7 N·m；

c) WLTC工况下，车辆PN排放主要集中在冷起动阶段和超高速阶段；

d) GPF的过滤效率随着灰分量的增加而增大，且少量的灰分累积即可显著提高GPF对PN的过滤效率。