缸内直喷汽油机颗粒捕集器低温冰堵问题试验研究

冯海涛 李光磊 曲函师 姜思君 陈俊杰

（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011）

主题词：汽油机颗粒捕集器 低温 结冰堵塞 低地板 紧耦合

1 前言

GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》将于2020年7月1日起实施，除对气体排放物如HC、CO、NOx的排放限值降低约50%，颗粒物（Particulate Matter，PM）和粒子数量（Particle Numbers，PN）的限值更是对汽油发动机提出了更大的挑战。汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）发动机已成为市场主导产品，但其相比于进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI）发动机会产生更多颗粒物，因此降低PN成为应对中国第六阶段排放标准所面临的最大技术挑战[1-2]。

中国第六阶段排放标准过渡阶段的PN限值尚能通过升级发动机软、硬件系统及优化标定控制参数进行应对[3]，但过渡阶段结束后，汽油机颗粒捕集器（Gasoline Particulate Filter，GPF）作为降低PN的有力手段必将被引入发动机系统。此外，针对2023年即将实施的对实际行驶排放（Real Driving Emission，RDE）的监控，PFI发动机存在巨大的风险，因此GPF被视为降低PN的主要技术手段而被逐步应用到所有满足第六阶段排放标准的车辆[3-4]。

GPF在推广使用过程中也暴露出一些问题，某早期开发车型的试验车在寒区进行低温标定测试（该车辆主要进行低速低负荷相关试验）过程中，车辆起动怠速或低速行驶若干次后出现发动机无法起动现象，分段拆解分析后确认GPF存在结冰问题。考虑到中国北方大部分城市冬季漫长，部分用户用车工况与此类似，本文以一台带有GPF的V型GDI发动机为基础，对GPF结冰堵塞问题进行试验研究，提出了GPF冰堵判断依据，并利用高原高低温环境模拟系统通过试验、分析给出了解决方案，同时缩短了开发周期。

2 GPF工作原理及吸水性分析

2.1 GPF工作原理

汽油机颗粒物主要由不同粒径的碳烟组成，GPF通过壁流式过滤，应用拦截和扩散为主导的颗粒补集机制，通过各性能参数间优化组合，过滤效率到达90%～98%[5-8]，壁流式过滤器如图1所示。

图1 GPF壁流式过滤器工作原理[9-10]

壁流式过滤器以其极高的过滤效率而被广泛应用，但同时也应注意到，GPF在过滤颗粒的同时也能拦截水分，尤其是低温环境下排气系统后端温度低，水蒸气冷凝析出被GPF拦截并吸附储存于组织内部，发动机运行一段时间后，随温度升高，冷凝水被再次气化并随高速尾气气流排出，而温升速率与发动机运行工况及GPF布置形式强相关。

2.2 GPF吸水性能分析

目前，GPF载体材料主要是堇青石蜂窝陶瓷，该材料以其独特的多孔结构而具有热膨胀系数低、密度小、比表面积大、吸附能力强、耐火温度高、化学稳定性好等特点而广泛应用于尾气后处理系统[11-12]。但堇青石作为硅酸盐矿物的一种，吸水率、孔隙率是其结构特征的重要指标，研究表明，通过陶瓷吸水率测定仪测得堇青石的吸水率和孔隙率（加入ZrO2添加剂）如图2所示。

图2 堇青石蜂窝陶瓷的吸水率和孔隙率[12]

3 试验方案设计

3.1 试验对象及设备

试验选用一台带有三元催化转换器（Three Way Catalyst，TWC）及GPF的V型GDI发动机作为研究对象，发动机参数如表1所示，排气后处理系统布置方式如图3所示，GPF采用低地板布置形式。利用高原高低温环境模拟系统HQC-500（环境舱）进行低温冷冻试验；为建立GPF内部温度场模型，安装若干温度、压力传感器，如图4所示；同时，安装HORIBA FQ-2100DP油耗仪用于燃油消耗量记录，配备METTLER TOLEDOXK3123电子天平用于GPF样件称重，配备纳博热马弗炉N500/85HA进行GPF样件烘烤。

表1 发动机参数

图3 发动机及排气后处理系统布置

图4 排气系统温度及压力传感器布置

针对该GPF样件，通过进气量及燃油消耗量计算得到尾气中的含水量，通过称重得到GPF内水分的增量，进而估算出GPF的吸水率，并建立与其他参变量间的关系，表2所示为该GPF样件的性能参数。

表2 GPF性能参数

3.2 试验方案

主要应用环境舱进行低温冷机怠速试验，控制环境舱内目标温度分别为-30℃、-25℃、-20℃和-10℃，发动机充分热机并静置后，根据不同的冷机怠速运转时间（120 s、300 s、600 s）进行试验测试，试验前、后分别对GPF在目标温度下称重，得到GPF的基准质量及每次试验后的质量增量，每组试验重复进行直到出现GPF冰堵而无法起动发动机，同时应用ETAS软、硬件系统对发动机低温冷机怠速的各处温升进行实时数据监控，建立GPF前、后及内部的温度场模型。试验后对GPF样件应用马弗炉烘烤或运行世界统一轻型车测试循环（Worldwide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC）进行处理。

针对上述工况，本文应用低地板和紧耦合两种方案，并通过优化标定参数进行对比试验。

4 试验及数据分析

4.1 GPF冰堵问题定性判断

北方地区部分用户单位与住宅距离近，冬季每天早、晚高峰时段低速行驶，车辆运行时间过短而无法热机，到达目的地后停机静置时间长，以相近温度下运转10次作为北方地区部分用户的用车习惯。考虑到低速行驶区域广泛而不易规范化，且低速行驶相比于冷机怠速运转由于排气流量大且具有温升速率快等优势，并非最苛刻的用车环境，从扩展边界条件考虑极端用户体验，应用低温冷机怠速工况进行摸底，因此以10次冷机起动是否产生冰堵作为GPF冰堵的判断依据。

首先在目标温度（-25℃和-30℃）下冷机起动发动机怠速运行300 s，停机静置4 h，重复多次直至GPF出现冰堵。GPF布置方案为低地板和紧耦合两种，低地板方案使用原标定数据和特殊优化后的标定数据（提升怠速转速和延长催化器加热时间等），结合用户实际使用工况，低温起动10次以内产生冰堵现象，定为存在冰堵问题；低温起动10次以上出现冰堵现象，认为不影响实际使用，可以接受。试验结果如图5所示。

图5 各方案冷机起动次数与GPF冰堵的关系

由图5可知，对于低地板布置方案，无论标定数据优化与否，在不同的目标温度下都会出现GPF结冰堵塞情况，区别在于起动次数的差异，而紧耦合方案则不存在该问题，GPF冰堵样件及局部如图6所示。

4.2 GPF水份累积定量分析

4.2.1 起动次数对GPF水分累积量的影响

设定起动温度为-25℃，起动运转时间为300 s，研究起动次数对GPF内水分累积量、吸水效率及排气系统各处温升的影响，结果如图7所示。由于试验以V型发动机作为研究对象，对GPF左、右两侧分支分别称重，对比两侧一致性，选取运转条件相对较差的一侧作为研究对象。

图6 GPF冰堵样件及局部放大图

图7 GPF水增量、吸水率与起动次数的关系

由图7可知，在相同运转条件下，燃烧产生等量水，GPF内水分增重随着起动次数的增加而上升，吸水率也同时增长，为了解释其原因，给出排气系统和GPF内各处温升曲线如图8、图9所示。

由图8、图9可知，每次起动排气出口和GPF入口处的温升一致，说明起动及运转状态基本相同，而GPF内部温升随起动次数的增加而逐渐降低，源于GPF内吸热时间增加，水分蒸发和冷凝相变历程变长，而排气温度低导致水的冷凝多于蒸发排出，更多水分聚集而产生冰堵问题。由图8可知，排气系统左侧分支温升速率较右侧分支缓慢，水分累积量较多，运行条件更恶劣，故后续试验只针对左侧分支进行分析。

4.2.2 起动温度对GPF水分累积量的影响

根据上述试验结果，选取第7次作为基准起动温度研究温升速率，主要包括-30℃、-25℃、-20℃和-10℃（-10℃验证未完成），试验结果如图10～图12所示。

图8 排气系统各处温升曲线

由图12可知，GPF水分累计量和吸水效率随起动温度的升高而降低，而各处温升趋势随温度的升高而加快，主要源于温度的上升使得GPF内水分冷凝结冰程度下降，蒸发速度变快，相变历程缩短，更多水分转化成水蒸气随尾气排出而带来吸水率降低。

4.2.3 起动运转时间对水分累积量的影响

根据上述试验结果，选取-30℃起动温度和第7次起动作为起动运转时间研究的基准，起动运转时间模拟近距离低速行驶工况，主要包括120 s、300 s和600 s 3种时长，试验结果如图13～图15所示。

图9 GPF内部各处温升曲线

图10 GPF水分累计量、吸水率与温度的关系

图11 排气系统各处温升对比曲线

图12 GPF内部各处温升对比曲线

图13 GPF水分累计量、吸水率与运转时间的关系

由图15可知，起动并运转300 s时GPF水分累计量多于其他两种工况，主要因为运行时间短（120 s）未产生足够多的水分，而随着时间的延长，温度的攀升使水分部分被气化，吸水率随运行时间的延长而逐渐降低，分析得出起动并运转300 s时水分累积量最多，工况最恶劣。

图14 排气系统各处温升对比曲线

图15 GPF内部各处温升对比曲线

4.3 优化标定数据对水分累积量的影响

根据上述试验结果，选取-30℃第7次起动并运转300 s作为优化标定数据的基准，研究优化怠速转速对GPF内水分累积量、吸水效率及排气系统各处温升情况的影响，结果图16～图18所示。

由图18可知，GPF水分累计量和吸水效率随怠速转速的升高而降低，各处温升趋势随优化后怠速转速的升高而加快，主要源于提升怠速转速使得排气温度升高，更多水分转化成水蒸气随尾气排出而带来吸水率降低。虽然GPF内水分累积量有所下降，起动次数增加同样会带来GPF冰堵问题，且提高怠速转速会带来燃油经济性变差等问题，不能根本解决冰堵问题。

图16 优化标定对GPF水分累计量、吸水率的影响

图17 排气系统各处温升对比曲线

4.4 GPF布置方式对冰堵的影响

完成GPF冰堵情况的定性判断和定量分析后，针对GPF低地板和紧耦合两种布置方式进行研究，试验布置方式及样件如图19、图20所示，选取测试温度-30℃和-25℃，起动运转时间300 s，应用原标定数据作为基准，研究GPF布置方式对水分累积量、吸水效率、排气系统各处温升情况及气流均匀性的影响，结果如图21～图23所示。

由图23可知，GPF布置方式的差异带来GPF水分累计量和吸水效率的显著变化，紧耦合方案明显优于目前整车使用的低地板方案，其原因主要是紧耦合方案GPF距离排气出口近，排气温度高，GPF内部温升速率极快，导致水分几乎全部随尾气排出，吸水率极低，多次起动也未出现水分凝结，可彻底解决GPF冰堵问题。

图18 GPF内部各处温升对比曲线

图19 GPF低地板和紧耦合布置方案

图20 GPF低地板和紧耦合试验样件

图21 GPF布置形式对冰堵问题的影响

图22 排气系统各处温升对比曲线

图23 GPF内部各处温升对比曲线

5 结束语

GDI发动机安装GPF后处理系统，在中国北方地区冬季存在低温GPF吸水导致结冰堵塞的风险。通过对V型GDI发动机的试验研究表明：随着起动温度的降低、运转时间的减少、起动次数的增加会加剧GPF结冰堵塞的风险，通过优化标定数据可缓解冰堵风险；紧耦合布置形式可彻底消除冰堵风险。