汽油机颗粒捕集器再生时载体温度特性研究

文章导读

缸内直喷（GDI）汽油机由于燃料空气混合不均匀需要颗粒捕集器（GPF）来进行尾气后处理。当GPF中累积的颗粒物量达到一定程度后需要对其进行再生处理，以免带来较大的排气阻力。被动再生是一种主要的技术方法，在发动机发生减速断油（DFCO）且达到再生温度时，即可触发被动再生。本期推文笔者者参考DFCO的方法研究在不同碳载量及GPF入口温度下GPF内部的温度分布，探讨GPF在DFCO工况下再生的安全性，以期为后续GPF的再生和下一代 GPF的使用提供参考。

1. 试验装置介绍

试验用发动机为1.5 L缸内直喷增压发动机，使用的后处理为紧耦合式三元催化转换器（TWC＋GPF），GPF的直径为118.4 mm，长为127.0 mm，具有相同的孔隙率，两种载体使用相同的催化剂涂覆，分别为目前国Ⅵ在用的GPF（载体A）和下一代GPF（载体 B），中值孔径分别为19 µm和15 µm，具体参数见原文[1]。

试验中GPF的碳烟通过加浓空燃比的方式进行加载，将空燃比调至0.98，降低轨压，使燃油雾化不充分，从而实现快速加载碳烟，加载前后对比照片见图1。

图1 GPF加载碳烟前、后对比

2. 结果与分析

分别对两个载体加载3、4、6 g/L 碳烟，通过增加喷油的方式在GPF入口温度达到600℃时对发动机进行断油再生研究。之后在相同碳载量下，在GPF 入口温度提升至 650℃后进行断油再生，载体内部的温度分布如图2所示。

（a）载体A，3 g/L，600℃ （b）载体B，3 g/L，600℃

（c）载体A，3 g/L，650℃ （d）载体B，3 g/L，650℃

（e）载体A，4 g/L，600℃ （f）载体B，4 g/L，600℃

（g）载体A，6 g/L，600℃ （h）载体B，6 g/L，600℃

（i）载体A，6 g/L，650℃ （j）载体B，6 g/L，650℃

图2 A，B两载体分别在3、4、6 g/L，GPF入口温度在600和650℃下的温度分布情况

图2表明断油后瞬间大量空气进入载体，使载体内部温度呈不可控的指数式增加，到达峰值温度后又呈指数式下降的趋势。相比碳载量在3和4 g/L， 6 g/L的碳载量下，两种载体的峰值温度均超过载体供应商给出的载体结构损坏极限温度（1 240℃），其中载体A的最大径向温度梯度远超过堇青石载体所能承受的极限温度梯度，存在载体破裂风险。

图3给出了碳载量为2、4 g/L、GPF入口温度为 700℃下的载体内部温度场分布。碳载量为2 g/L、GPF入口温度为700℃下，载体A的峰值温度在测点12 处最大（957.6℃），最大温度梯度出现在测点27和23之间（250.24℃/cm）。载体B的最高温度出现在测点4处，为1 021℃，最大温度梯度同样在测点27和 23之间（272.3℃/cm）。在该温度下再生时，尽管载体不存在损坏的风险，但此时载体B的最大温度梯度已高出载体A。碳载量加载至4 g/L时，载体A的峰值温度出现在测点15处（1 168.4℃），此外，测点19处的最高温度与测点15处的最高温度接近（1 164.5℃），载体内部的最大径向温度梯度出现在测点26和22之间（385.43℃/cm）。载体B的峰值温度出现在测点14处，最大温度为 1 205 ℃，载体内部的最大径向温度梯度出现在测点26和22之间，为444.02℃/cm。

（a）载体A，2 g/L，700℃ （b）载体B，2 g/L，700℃

（c）载体A，4 g/L，700℃ （d）载体B，4 g/L，700℃

图3 A，B两载体分别在碳载量为 2、4 g/L、GPF入口温度为 700℃下的温度分布。

图4为两种载体空间内部温度场分布情况。图4（a-b）表明轴向上，入口处温度低，中间和靠近出口位置，温度高；径向位置处，两种GPF从载体中心到载体1/2 R位置处温度高，载体1/2 R处出现最高温度，向外圈时温度逐渐降低。载B温度明显高于载体A，主要是因为载体B的中值孔径小，在小碳载量下，碳烟主要是以深床捕集为主，此时大量的碳烟被捕集在载体的孔道内，使得载体B孔道内部单位体积累积的碳烟更多，断油后大量空气进入引发后燃，碳烟迅速燃烧产生热量且不能及时向四周散去，从而导致载体B的最大温度较高。

图4（c-d）表明载体A在轴向位置的中间、后端温度较高，且高温部分较集中，载体B在轴向位置上峰值温度稍靠前，但峰值温度更高。这是因为随着碳载量的升高，载体 B 中的热量不易扩散，且再生释放出更多的热量，使得温度更高。载体 A 由于较大的中值孔径，使得载体导热率较大，其载体内部热传导较快，载体内部温度分布较均匀。

（a）载体A，2 g/L，700℃ （b）载体B，2 g/L，700℃

（c）载体A，4 g/L，700℃ （d）载体B，4 g/L，700℃

图4 A，B两载体分别在碳载量为 2、4 g/L、GPF入口温度为 700℃下的载体内部温度场

其他研究内容如“不同碳载量时的温升特性”和“碳载量对载体最大温度梯度的影响”等敬请参阅原文[1]。

文献来源

[1]南征,李楠,张秋实,等.汽油机颗粒捕集器再生时载体温度特性研究[J].内燃机学报,2022,（04）:322-330.

学报简介

《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。《内燃机学报》主要刊载内燃机方面有较高学术价值和应用价值的学术性论文，在海内外有广大的读者群，是内燃机工作者的良师益友，欢迎登录《内燃机学报》官方网站（www.transcsice.org.cn）投稿。