不同载体汽油机颗粒捕集器再生性能试验研究

南征，李楠*，刘海涛，张秋实，赵庆良， 华伦，伊藤雅晃，毛星烨

1.燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000；2.清华大学 苏州汽车研究院，江苏 苏州 215000； 3.NGK环保陶瓷有限公司，上海 200336

0 引言

近年来，我国汽车保有量不断增加，据统计，截至2020年6月,我国机动车保有量已达到3.6亿辆，其中汽车保有量达2.7亿辆，占机动车总量的75%[1]。随着机动车保有量的增加，机动车排放污染物成为我国大气污染的重要来源，特别是细小颗粒物(particulate matter,PM)，大气中的PM随着呼吸进入心肺等器官，对人体健康造成了严重的威胁[2-5]。为了应对环境问题带来的挑战，2016年底文献[6]发布，该标准实行6a阶段、6b阶段分步实施方案，分别于2020年7月1日和2023年7月1日实施[6]。文献[6]对PM排放做出进一步限制：自2020年7月1日起，轻型汽车的汽油机Ⅰ型试验的PM排放限值为4.5 mg/km、粒子数量(particle numbers,PN)为6.0×1011个/km；自2023年7月1日起，PM排放限值为3 mg/km。严格的排放标准对汽油机排放提出更高要求。文献[6]规定，在3 a或6万km内，由于排放相关部件出现问题引发的排放污染物超出限值，相应的维修更换费用须由汽车生产企业承担，因此，汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)的性能以及再生技术至关重要[7-10]。加装GPF后，随着碳烟不断积累，造成排气背压升高，影响汽油机的经济性和动力性，需要对GPF进行周期性再生，及时清除GPF中的碳烟颗粒，使其氧化成对人体无害的CO2排出[11-12]。

目前关于GPF的研究较多集中在性能和再生策略方面。范明哲等[13]在某六缸直喷机械增压发动机上搭建GPF碳载量模型进行主动再生和被动再生策略研究，得到2种再生模型的偏差分别为9%和6%，模型精度满足工程应用。陈京瑞等[14]研究了GPF的再生及保护策略，通过GPF入口温度、排气质量流量和氧气的质量分数计算GPF温度，避免GPF热损坏，进行排温保护。杨永真等[15]研究了再生速率与碳载量、GPF中心温度、氧气的质量分数之间的关系，得到再生速率与碳载量、温度、氧气的质量分数呈现非线性的正相关趋势，温度和氧气的质量分数升高均促进再生效率提升。

本文以某1.5 L、满足国六排放标准的缸内直喷 (gasoline direct-injection,GDI)汽油机配置的GPF为研究对象，通过台架试验对2种不同载体GPF的再生性能以及再生时内部温度的分布情况进行研究。对比不同碳载量、不同温度时的再生特性，为GPF的匹配提供理论依据。

1 试验设备及方案

1.1 发动机台架及主要设备

台架试验中使用的测功机测控系统为HORIBA STARS，最高转速为10 000 r/min，转速测量精度为±1 r/min、频次低于10 Hz，本次台架试验的主要测试仪器设备及精度如表1所示。

表1 主要测试设备的型号及精度

试验用汽油机主要技术参数如表2所示。

表2 汽油机主要技术参数

1.2 后处理整体布局及规格

试验用发动机后处理系统采用前级三效催化器(three way catalyst，TWC)、后级GPF的底盘式布局。TWC与GPF之间的距离约为50 cm，2种不同GPF载体的规格如表3所示。

表3 GPF载体参数

A为目前市售GPF载体，B为下一代具有更高捕集效率的GPF载体，为了满足未来标准更加严格的排放要求，载体B壁面之间的平均中值孔径更小。为方便对GPF进行拆装称质量，在GPF两端焊制法兰。法兰两端的缩口处安装压力传感器和温度传感器，测量GPF进、出口温度和压力，台架布置如图1所示。

图1 台架布置简图

试验前应对新的GPF激活处理，累碳误差为±0.2 g；为了确保称量准确，在积碳和再生前、后对其称量3次取平均值；每次称量前、后在马弗炉中以250 ℃的温度保温1 h，除掉载体中冷凝的水分，在同一温度下进行保温处理可以避免温度不同带来的称量误差。再生过程中，测量GPF载体内部的温度，温度传感器布置位置如图2所示，将12个热电偶布置在GPF内部，径向位置等距布置3个热电偶，轴向位置等距布置4组热电偶测量载体内部温度；测点1～4测量载体中心温度，测点5～8测量载体(1/2R处)温度，测点9～12测量载体外圈温度。

a)载体出口端面 b)载体轴向截面图2 载体内部温度传感器布置位置示意图

1.3 试验方案

对GPF主动再生和被动再生2种方式进行试验，对比不同碳载量、不同再生温度下2种GPF的再生特性。

1.3.1 主动再生

汽车行驶在市区时GPF的温度一般达不到再生需求，且市区的频繁起-停更容易产生碳烟，影响发动机的性能，因此需要调整发动机的运行模式，提升排温，创造有利的再生环境。综合考虑汽车的常用转速，试验将再生时发动机转速设置为2000 r/min，主动再生过程如图3所示。再生结束后，改变工况使发动机进入怠速工况，怠速转速为900 r/min。本次试验空燃比λ=1.05时再生时间为480 s，λ=1.10时再生时间为200 s。

图3 主动再生过程示意图

1.3.2 被动再生

汽车在高速工况行驶突然断油时，排气中氧气的质量流量迅速增大，此时如果温度达到再生条件，GPF中的PM会迅速燃烧，但由于此时排气质量流量较小，再生时碳烟燃烧产生的高温不能被及时带走，热量聚集在载体后端，很容易烧坏载体，因此需要保证GPF瞬时的峰值温度低于载体温度限值。本试验在碳载量分别为2 g/L和4 g/L时进行断油再生，燃油切断时间为180 s，碳载量为2 g/L的GPF在入口温度为700 ℃时停止供油，碳载量为4 g/L的GPF在入口温度为600 ℃时停止供油。

2 试验结果及分析

2.1 主动再生过程对载体的影响

再生温度分别为550、600和700 ℃时，碳载量为2 g/L的GPF再生速率和再生效率如图4所示。

a)λ=1.05 b)λ=1.10图4 碳载量为2 g/L时GPF再生速率和再生效率对比

由图4可知：再生速率和再生效率均随温度的升高而增大；λ相同时，载体B的再生速率和再生效率均高于载体A，主要原因是碳载量为2 g/L时，碳烟颗粒处于深床捕集，由于载体B壁面之间的平均中值孔径较小，比表面积增大，单位体积所承载的碳烟颗粒增多，同时比表面积增大也增加了碳烟颗粒与氧气接触的比率，因此再生阶段载体B内部的碳烟颗粒再生速率和效率更大。

由图4a)可知：当λ=1.05时，再生速率随再生温度线性升高，当再生温度为550 ℃时，载体A和载体B的再生速率差距不大，分别为3.21 mg/s和3.35 mg/s；再生温度升高到700 ℃时，2种载体的再生速率分别达到5.67 mg/s和6.19 mg/s。

由图4b)可知：当λ=1.10时，再生速率在温度为550、600 ℃时保持在较低水平且相差不大；温度为700 ℃时再生速率大幅提升，分别为11.30 mg/s和12.85 mg/s，载体B的再生速率比载体A高12.06%，相较于λ=1.05，载体B的再生速率提升了1倍，说明在氧含量和温度足够高时颗粒物更容易燃烧，GPF中碳烟颗粒的反应速率显著增加。

对比再生效率发现，λ=1.05时，载体A在700 ℃时的再生效率达到93.47%，载体B高达99.66%，进一步说明随着温度升高，载体的再生性能更加优异。λ=1.10、再生温度为550 ℃时，载体A和载体B再生效率基本一致，分别为21.25%和21.97%，主要是因为再生温度较低，未能形成较好的再生环境，因此差异较小。

碳载量为4 g/L时不同再生温度的GPF再生速率和再生效率对比如图5所示。

a)λ=1.05 b) λ=1.10图5 碳载量为4 g/L时GPF再生速率和再生效率对比

由图5可知：GPF再生速率随着温度的升高增大，且λ相同时，碳载量为4 g/L的GPF的再生速率在600 ℃和700 ℃时明显大于2 g/L的。这是因为随着碳载量的增加，更多的碳烟参与到反应中，使得再生速率相应升高。

由图5a)可知：λ=1.05，再生温度为700 ℃时，2种载体的再生速率分别为9.44 mg/s和10.63 mg/s，差距较大。由图5b)可知，λ=1.10、再生温度为700 ℃时，2种载体的再生速率趋近一致，约为19.70 mg/s,主要因为此时温度高且氧含量充足，再生环境处于最佳状态，因此差异性较小。

λ相同时，随着碳载量的增加，GPF再生效率降低。一方面，当碳载量较大，碳烟的沉积从深床捕集逐渐变成表面过滤为主，碳烟将载体表面的涂层覆盖，使氧化性气体对碳烟的作用减弱，导致再生效率降低；另一方面，随着碳载量增加，孔道内部的有效体积减小，空气流速增大，空气与碳烟的接触时间减小，使得整体的再生效率相较于碳载量为2 g/L时有所降低。此外，载体B的再生效率普遍优于载体A，主要是因为载体B的平均中值孔径较小、孔道内部有效体积减小导致的。

2.2 被动再生过程对载体的影响

2.2.1 再生温度场分布

碳载量为2 g/L、GPF前温度达到700 ℃时停止供油，2种载体的内部温度场变化如图6所示。

a)载体A b) 载体B图6 碳载量为2 g/L时2种载体内部温度

由图6可知：停止供油后，GPF内部的温度由正常的升温可控变为指数上升的升温失控状态，一段时间后，随着碳烟的不断再生，放热量逐渐减少，内部温度逐渐降低；载体A在断油后15 s出现峰值温度，最高温度出现在GPF尾端中心点即测点4处，达923.9 ℃。载体B在断油后18 s出现峰值温度，同样在测点4处，为974.5 ℃。载体A出现峰值温度所需的时间较短，这是因为载体A在较短的时间快速升温将碳烟反应掉，此时载体B还剩余部分碳烟，随着剩余碳烟继续再生，温度持续增加。载体B升高到最高温度用时较长，主要是因为中值孔径小，导致氧气流通受阻，反应较慢，温度升高较慢。

边缘处的温度测点几乎未出现峰值温度，这是由于载体边缘位置散热较快，碳烟在边缘处的分布较少导致。GPF径向温度分布呈现靠近内圈温度最高、中圈次之、外圈温度最低的规律。主要是因为GPF上游变径对气流的影响，中间位置碳加载较多，再生过程中载体中心碳烟反应更剧烈，因此中心温度高于边缘。轴向温度分布呈现靠近出口端温度高于靠近进口端温度，主要原因是车辆减速停止供油后，由于排气气流的影响，载体前端的碳烟再生产生的高温传到后端，不断积累且不能及时排出，加上后端碳烟氧化产生更多的热量使得后端温度较高。

碳载量为4 g/L、GPF前温度达到600 ℃时进行断油，2种载体的内部温度场变化如图7所示。

a)载体A b) 载体B图7 碳载量4 g/L时2种载体内部温度

由图7可知：载体A在断油后33 s出现峰值温度，在测点4处，为942.2 ℃，载体B在断油后44 s出现峰值温度，在测点8处，为910.2 ℃。碳载量为4 g/L时，碳烟层捕集占主导地位，此时2种载体壁面捕集较多的碳烟导致中值孔径带来的差异不明显，但是由于碳载量增加使壁面渗透下降，导致孔道内部气流运动较差，空气补充不及时，载体的被动再生速率降低，因此载体B的温度较载体A偏低。

碳载量为4 g/L时载体内部温度的分布情况与2 g/L相似，都呈现出中间温度高于边缘，出口温度高于入口，且载体A升高到最高温度所用的时间比载体B短。2种载体中心与边缘处出现明显的温度差，主要是因为碳载量增大，中间温度本身就高，触发再生时碳烟反应更加剧烈，边缘处散热较快，因此形成较大的温度差异。

2.2.2 再生效率及温度梯度

被动再生时，再生效率及温度梯度如表4所示。

表4 被动再生时再生效率及温度梯度

由表4可知：碳载量相同时，载体A的再生效率高于载体B，主要是因为载体B的中值孔径小，再生时空气流速较快，减小了氧气与碳烟的接触时间，导致再生效率偏低。碳载量为4 g/L时，2种载体的再生效率明显降低，主要是因为断油前GPF入口温度较低，断油时GPF入口温度会出现降低趋势，导致碳烟燃烧效率降低；随着碳载量增加，碳烟沉积由深床层变为饼层，载体表面的催化剂被覆盖，不能与空气较好地接触，从而使整体再生效率降低。

GPF高温损坏不仅与最大耐受温度有关，也与其轴向和径向的温度变化率有关。当碳载量为4 g/L时，载体A的最大径向温度梯度出现在测点11和测点7之间，达到116.43 ℃/cm，载体B的最大温度梯度出现在测点12和测点8之间，为142.52 ℃/cm，最大温度梯度均出现在载体后端径向位置。碳载量为2 g/L时,2种载体的最大温度梯度出现在测点12和测点8之间，分别为87.40 ℃/cm和102.37 ℃/cm；载体B的最大径向温度梯度比载体A高，因此被动再生时应重点关注载体末端径向位置的温度梯度，防止因为温差过大导致载体破裂。

3 结论

通过发动机台架试验，分析了2种不同载体GPF主动再生和被动再生之间的差异，得到再生过程中载体内部的温度变化和再生效率，为下一代GPF的使用提供了依据。

1)载体B的再生速率和再生效率均优于载体A，碳载量为4 g/L、λ=1.10时，载体B在700 ℃的再生速率达到19.70 mg/s；碳载量为2 g/L、λ=1.05时，载体B在700 ℃时的再生效率高达99.66%。

2)主动再生时，随着再生温度和λ的升高，GPF的再生速率和再生效率均有所提升；随着碳载量的增加，再生速率升高，但是再生效率有所降低。

3)被动再生时载体内部峰值温度出现在载体中心靠近出口处，且温度分布规律为径向温度呈现出中间高、边缘低的趋势，轴向温度为入口低、出口高。

4)被动再生时，载体A的再生效率优于载体B；碳载量相同时，载体B的径向温度梯度高于载体A。被动再生时最高温度出现在载体中心出口处，最大温度梯度均出现在载体末端径向位置处，再生时需要重点关注该位置的温度梯度不得超过载体耐受极限，后续试验会对载体极限碳载量的断油再生进行进一步的研究。