基于燃烧器实现GPF快速灰分累积的方法研究

霍永占 高涛

摘要： 在国六排放标准中，加严了颗粒物数量（PN）排放的限值，汽油机颗粒捕集器（GPF）能有效降低PN的排放。快速老化方法可有效评价GPF在全生命使用周期内的性能。本文探索了一种基于燃烧器的能够模拟实际工况的加速GPF灰分累积方法，确定了控制GPF前温度为600℃、空燃比λ为1.2的灰分累积工况，避免了GPF不出现较快的碳烟累积和频繁再生。研究了不同排气流量和灰分累积量工况下的GPF压降测试。

Abstract： In the CHN VI emission standard，the emission limit of particle number （PN） is increased， and the gasoline particle filter （GPF） of gasoline engine can effectively reduce the PN.The rapid aging method can effectively evaluate the performance of GPF in its whole life cycle.In this paper， a method of GPF rapid ash accumulation based on burner is explored， which can simulate the actual working condition. The ash accumulation working condition under which the temperature before GPF was 600℃ and the air-fuel ratio λ was 1.2 was determined， so as to avoid the rapid soot accumulation and frequent regeneration of GPF.GPF pressure drop test under different exhaust flow and ash accumulation conditions was studied.

關键词： GPF;灰分累积;燃烧器;压降特性

Key words： GPF;ash accumulation;burner;pressure drop performance

中图分类号：TK4                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0004-03

1  研究背景

1.1 缸内直喷汽油机GDI

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[1]。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[2]。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。

1.2 GDI汽油机颗粒物生成机理及应对排放法规挑战

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浓区燃烧。

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[3]。

2  GPF灰分综述

2.1 灰分的来源

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[4]，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。

2.2 灰分累积机理

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[5]。在整个气体排放的过程中形成了碳粒和灰分的累积，如图1所示。

2.3 灰分的快速累积方法

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。

总结国内外关于灰分快速累积的方法[6]，大致分为三类：一、润滑油掺烧，即在燃烧的燃油中掺烧一定比例的润滑油;二、对发动机进行机械改造，如对活塞环的结构进行反向设计使润滑油加速进入燃烧室，从而加速润滑油的消耗达到灰分快速累积的效果;三、柴油机颗粒捕集器DPF已经产业化较为成熟，有研究机构通过燃烧器进行DPF灰分快速累积的方法。这些方法均可以实现加速灰分累积的效果，但灰分累积的特性（组成成分、形貌特点和累积分布形态）与实车运行的累积特点是否保持一致性，对比其灰分累积特性及其对发动机性能、排放的影响具有现实意义。Alexander Sappok等[7]根据润滑油渗入发动机缸内的两种方式：燃油与润滑油掺烧，进气道润滑油进准喷射装置，如图2所示。

多种加速灰分累积方法已经在DPF上应用，但是GDI汽油机同传统的柴油机工作特性相差甚远，GPF的工作环境同DPF相比有很大不同：①同传统的柴油机相比，GDI汽油机的碳烟/灰分比例显著降低;②GDI排气温度高导致碳烟加速氧化，降低GPF中碳烟加载量;③GDI高温排气可以促进GPF中灰分成分进一步氧化和烧结。

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。

3  試验方案及结果分析

3.1 试验系统

GPF灰分累积的燃烧器设计是本部分工作的重点内容，其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，如图3所示。

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。

试验时排气流量10kg/h到600kg/h，入口温度从 200℃到600℃，根据需求选择相应的流量和温度，记录对应点的前后背压。测量上述测点的温度等。

3.2 试验方法

3.2.1 灰分累积工况

为了使GPF获得比较稳定的灰分累积速率，参照较为相似的发动机台架灰分累积工况。设定燃烧器在某个稳定工况运转，控制GPF前温度为400℃、排气流量为252kg/hr。尽管保证了较为过量的空供给量，即空燃比λ为1.1防止GPF中soot的生成速率太快，但是GPF中的碳烟生成较为迅速导致GPF发生了较实际工况频繁的再生。

因此将燃烧器的运行工况调整为控制GPF前温度为600℃、排气流量为252kg/hr，空燃比λ为1.2。在此工况下运行，GPF才不出现较为快速的soot累积和频繁再生。较高的空燃比和排气温度使得soot再生燃烧，基本不会沉积在GPF中，因此可以认为GPF重量的增加即为灰分。

灰分累积工况时汽油消耗率为14.7kg/h，每升汽油中掺烧1.5g润滑油。

在此工况下运行燃烧器，过程中称量GPF灰分累积量，直至最终完成国六16万公里的耐久要求，如表1所示，累灰量约为58g，即30g/L。

3.2.2 灰分累积对GPF压降的影响

在燃烧器上对不同灰分累积量的GPF，在不同排气流量条件下进行压力损失进行测量。压降测试设定了5个不同排气流量，分别代表不同运行工况。图为5个工况的流量和GPF入口温度监测数据，当GPF入口温度保持在400℃左右、空燃比λ为1，保证每个工况的流量稳定一段时间再记录GPF前后的压力数据，如表2所示。

在不同灰分加载条件下进行压降特性测试。为了防止压力测试过程中soot累积在GPF，在测试GPF前加置一个用于过滤soot的GPF。

3.3 试验结果及讨论

结果表明，在GPF中仅有灰分累积的情况下压降较小。在基于燃烧器灰分累积方法中，五个排气流量工况条件下压降最大分别为0.29kPa、0.34kPa、0.28kPa、0.59kPa和0.8kPa。

从压降特性分析，基于燃烧器的灰分累积方法中：在0g/L增至13g/L的灰分累积量之间，GPF的压降基本保持很小幅度的增加;而在在13g/L增至19g/L的灰分累积量之间过程中，GPF的压降增加较快，如图4所示。

4  总结

①本文介绍了基于燃烧器的GPF灰分累积方法。对燃烧器系统进行了概述，对试验系统搭建、管路和传感器布置、试验运转测试等进行了介绍;②研究了较为合适的灰分累积工况，筛选了较高空燃比λ为1.2、控制GPF前温度为600℃的工况，防止GPF中的碳烟生成较为迅速导致GPF发生较实际工况频繁的再生状态;③在灰分累积工况下运行燃烧器，过程中称量GPF灰分累积量，直至最终完成国六16万公里的耐久要求，累灰量约为58g，即30g/L。在燃烧器上对不同灰分累积量的GPF，在不同排气流量条件下进行压力损失进行测量和讨论分析。

参考文献：

[1]蒋德明.内燃机燃烧学与排放学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[2]潘锁柱，宋崇林，裴毅强，等.缸内直喷汽油机颗粒物粒径分布特性[J].天津大学学报：自然科学与工程技术版，2013，46（7）：629-634.

[3]轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].[D].GB 18352.6-2016.

[4]Bernardoff， R.， Hennebert，B.， Delvigne， T.， et al. A study of ash accumulation in the after-treatment system of a gasoline direct injection engine equipped with a gasoline particulate filter[R]. SAE Paper 2017-01-0879.

[5]范钱旺，尹琪.直喷汽油机颗粒物成因及满足EURO-VI排放限值技术路线[J].上海汽车，2013，06.

[6]Custer N， Kamp C J， Sappok A， et al. Lubricant-derived ash impact on gasoline particulate filter performance[J]. SAE International Journal of Engines， 2016， 9（2016-01-0942）： 1604-1614.

[7]Alexander Sappok， Yujun Wang， Ruo-Qian Wang， et al. Theoretical and Experimental Analysis of Ash Accumulation and Mobility in Ceramic Exhaust Particulate Filters and Potential for Improved Ash Management[J].SAEInternational， 2014， 7（2014-01-1517）： 511-523.