缸内直喷增压汽油机GPF再生速率研究

杨永真

摘要：本文基于一款2.0L缸内直喷增压汽动机，研究了GPF的再生速率与碳载量、GPF中心温度、氧流量（废气中残余的O2的质量流量）之间的关系。结果表明：GPF再生速率与碳载量、GPF中心温度、氧流量呈非线性的正相关趋势。这同时表明，碳载量的增多、GPF中心温度的升高及氧流量的升高，均促進了GPF再生效率的提升。

Abstract： Based on a 2.0L direct injection turbocharged turbine， the relationship between regeneration rate of GPF and carbon load， center temperature of GPF and oxygen flow（mass flow of residual O2 in exhaust gas） rate is studied. The results show that the regeneration rate of GPF has a non-linear positive correlation with carbon load， GPF center temperature and oxygen flow rate. At the same time， it shows that the increase of carbon load， temperature of GPF center and oxygen flow rate all promote the regeneration efficiency of GPF.

关键词：缸内直喷增压汽油机;GPF;再生速率

0  引言

随着社会的发展，人民群众对高质量环境的需求越来越高，国VI排放法规GB 18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（国六阶段）应运而生，明确规定了相应车辆的颗粒物排放限值，且对PM和PN分别作出明确要求。与此同时，大量试验研究表明，GDI汽油机颗粒物的质量和数量明显高于传统的气道喷射汽油机。目前业内针对此问题已采取的普遍的做法为燃烧系统、供油系统及燃烧参数，对降低颗粒物的排放有了一定的效果。由于目前法规更为严苛，GPF亦已成为各大主机厂重点关注的技术之一，开展GDI汽油机的GPF研究也是相当重要的。

本文基于一台常见2.0L GDIT发动机，对其配置的GPF再生特性进行了一定的研究。

1  试验方案

1.1 试验基础

以某2.0L GDIT汽油机为基础搭建台架，台架设备及发动机主要参数如表1，台架布置如图1所示。

1.2 GPF的再生

GPF使用一段时间之后，碳烟颗粒物会GPF内部微孔表面形成PM层，此时GPF捕集效率会得到一定的提升，但是排气阻力会升高，导致发动机功率下降，热效率下降，油耗升高，此时为了节约成本，避免更换GPF，使其进行再生处理。

GPF再生受以下几点因素影响：GPF内部已捕集的碳烟颗粒物的总量、排气通过GPF时的温度及氧流量。

1.3 试验方法

1.3.1 研究再生速率与GPF中心温度及氧流量的关系的试验方法

①激活全新的空载GPF，确认GPF基准质量;

②将激活成功后的空载GPF进行累碳。累碳质量为5g，偏差不超过±0.5g;

③将含有碳载量的GPF安装完成后，发动机在低速小负荷进行暖机，使水温达到80℃以上，暖机过程需调整空燃比稍浓至0.97;

④调整发动机工况，使GPF中心温度达到目标温度;

⑤调整空燃比，使氧流量达到目标氧流量;

⑥再生完成后，拆卸称重;

⑦通过精度较高的天平称重GPF再生一定时间（GPF再生完成后剩余碳载量为1-2g）前后的质量，确定燃烧速率。

1.3.2 研究极限再生燃烧速率与碳载量的关系的试验方法

①激活全新的空载GPF，确认GPF基准质量;

②将激活成功后的空载GPF进行累碳至最大碳载量8g，偏差不超过±0.5g;

③将含有碳载量的GPF安装完成后，发动机在低速小负荷进行暖机，使水温达到80℃以上，暖机过程需调整空燃比稍浓至0.97;

④调整发动机工况，使GPF中心温度达到800℃;

⑤调整空燃比，使lambda=1.1，再生5s;

⑥拆卸称重，计算再生速率;

⑦重复⑤和⑥直至GPF碳载量小于1g。

2  试验结果及分析

2.1 再生速率与GPF中心温度及氧流量的关系的试验结果及分析

2.1.1 试验结果

基于1.3.1试验方法开展试验，结果如表2所示。

2.1.2 结果分析

由图2可看出，在氧流量为0mg时，由于没有氧含量，GPF所载碳量不能发生燃烧，GPF不能再生;随着GPF中心温度的升高，GPF再生时的燃烧速率随之加快，再生速率与GPF中心温度呈正相关趋势;随着氧流量的增加，GPF再生时的燃烧速率随之加快，与GPF中心温度亦呈正相关趋势。

2.2 极限再生燃烧速率与GPF碳载量的关系

2.2.1 试验结果

基于1.3.2试验方法开展试验，计算得到再生速率如表3所示。

2.2.2 结果分析

由图3可看出，在保证GPF不损坏的极限边界条件下，GPF再生燃烧速率与碳载量呈正相关趋势;且当GPF碳载量大于4g时，燃烧速率与碳载量几乎呈线性关系。

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