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实现国六汽油机GPF快速灰分累积的方法研究综述

2022-03-09 17:37:59·  来源：汽车动力总成  
　
缸内直喷汽油机（GDI）因其较好的动力性、燃油经济性、驾驶性及排放等优点，得到愈来愈广泛的使用。国内外大量实验研究表明，GDI 汽油机颗粒物排放数量明显多于

缸内直喷汽油机（GDI）因其较好的动力性、燃油经济性、驾驶性及排放等优点，得到愈来愈广泛的使用。国内外大量实验研究表明，GDI 汽油机颗粒物排放数量明显多于传统气道喷射汽油机和配置 DPF 的柴油机。越来越严苛的法规要求直喷汽油机在更宽范围的工况点都保持稳定而且较低的PM 排放。因此，尽管 GDI 发动机技术仍在不断发展，单纯靠机内净化难以满足排放法规的升级。汽油机颗粒捕集器（GPF）被认为是应对 GDI 汽油机颗粒物排放限值最有效、最可靠的潜在技术。


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直喷汽油机颗粒物在冷启动、加速及稳态催化剂加热时产生最多。GDI汽油机碳烟排放主要源于附壁油膜的池火燃烧和缸内局部区燃烧。为了应对日益严峻的环境恶化挑战，环境保护部于 2016 年12月发布了《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法 （第六阶段）》标准。一方面， 国六标准引入WLTP和实际道路尾气排放RDE，另一方面加严了颗粒物排放限值。


缸内直喷GDI汽油机的PM、PN是面临国六严苛排放法规最大的挑战，汽油机微粒捕集器GPF能有效降低其PM、PN排放,但在GPF工作过程中，累积到GPF内的灰分无法通过再生去除，灰分的增加会影响 GPF的过滤效率、再生性能，增大排气背压和发动机油耗。在 GPF 累积的灰分中，约有一半的灰分来自于润滑油的消耗，而润滑油中的灰分很大程度上来源于润滑油中的添加剂。


GPF中灰分的累积是较为缓慢的耐久过程。排放气体伴随着颗粒物进入进口孔道，从入口位置逐渐堆积，在进口通道的底部被陶瓷层封堵，沿着壁面方向依次形成了微粒滤饼层、灰分滤饼层、深层微粒和壁面几个部分。在整个气体排放的过程中形成了碳粒和灰分的累积，如下图所示。

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灰分在微粒中所占的比例非常微小，通常小于1%，润滑油的消耗量相对于燃油非常微量，因此，如果按照正常的消耗速度来进行灰分的累积，势必会消耗大量的人力物力。GPF的可靠性和耐久性评价在实车上开展试验最能反映实际老化情境，需要开发一种快速的老化方法，来开展相关的试验。灰分不同于PM中的可通过再生氧化过程除去的有机成分，无机的灰分不能通过发动机和后处理管理系统清除，仅能通过拆除清洁技术。但是目前的法规要求后处理系统在排放质保期内保证不能通过拆除清洁技术实现清除灰分。GPF技术还不成熟，限制其大规模的应用。此外，长期的耐久应用、包括灰分累积的动力学机制还没有完全被理解。在全生命周期应用中得到了汽车工业界的广泛关注。


总结近期国内外关于灰分快速累积的方法，大致分为以下四类。


一、润滑油掺烧，即在燃烧的汽油中掺烧一定比例的润滑油，保障汽油与润滑油充分混合均匀，实现混合有润滑油的汽油进入发动机燃烧室燃烧。


二、进气道润滑油精准喷射装置，即实现润滑油精准喷射到进气道后进入发动机燃烧室燃烧。此装置包含控制器、润滑油泵、控制阀、换热器、润滑油喷射器和回油油路，保障润滑油精准计量喷射。


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三、改装发动机机械结构的方式。美国西南研究院开发了特殊形状的活塞环（反向的活塞环）用于模拟润滑油加速消耗方法。这种方法可以加速润滑油窜入燃烧室，较为合理的模拟实车加速润滑油消耗。重新设计的反向活塞环的刮油结构可以使得附着在气缸表层的油膜加速窜入燃烧室而非油底壳，因此可以加速润滑油在燃烧室的消耗，从而加速灰分的产生。

     

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四、基于燃烧器实现GPF灰分快速累积的方法。GPF灰分累积的燃烧器主要包括了润滑油供给系统、空气供给系统、汽油供给系统、燃烧器、燃烧器尾气温度控制系统、后处理系统、排气分析系统、排气控制系统等几个方面。


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润滑油供给系统主要包括润滑油泵、润滑油换热器、润滑油喷嘴等几部分组成；空气流量计是空气供给系统的主要组成部分，根据汽油供给量和氧传感器测量的空燃比实施调整空气进气量，控制油气混合比例，保证充分燃烧。燃烧器部分是燃油、空气、润滑油混合燃烧的部分，形成的高温燃烧产物进入排气系统，用于GPF灰分累积。燃烧器尾气温控系统还包括换热器，用于控制燃烧器的尾气温度控制。GPF分别测量了入口、床体、出口的温度和压力，用于实时监测尾气的碳载量。离心式风机主要用于气体的及时排除，提供压差。


综上所述，虽然有部分国内外学者机构已经开展了GPF加速老化的研究工作，但各种方法能否最大限度的模拟实际工况尚未得到广泛的证实，因此有必要探索一种能够模拟实际工况的加速GPF灰分累积方法并从多个角度进行对比验证。

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