文章導讀

缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機由于燃料空氣混合不均勻需要顆粒捕集器（GPF）來進行尾氣后處理。當GPF中累積的顆粒物量達到一定程度后需要對其進行再生處理，以免帶來較大的排氣阻力。被動再生是一種主要的技術方法，在發(fā)動機發(fā)生減速斷油（DFCO）且達到再生溫度時，即可觸發(fā)被動再生。本期推文筆者者參考DFCO的方法研究在不同碳載量及GPF入口溫度下GPF內(nèi)部的溫度分布，探討GPF在DFCO工況下再生的安全性，以期為后續(xù)GPF的再生和下一代 GPF的使用提供參考。

1. 試驗裝置介紹

試驗用發(fā)動機為1.5 L缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動機，使用的后處理為緊耦合式三元催化轉換器（TWC＋GPF），GPF的直徑為118.4 mm，長為127.0 mm，具有相同的孔隙率，兩種載體使用相同的催化劑涂覆，分別為目前國Ⅵ在用的GPF（載體A）和下一代GPF（載體 B），中值孔徑分別為19 μm和15 μm，具體參數(shù)見原文[1]。

試驗中GPF的碳煙通過加濃空燃比的方式進行加載，將空燃比調至0.98，降低軌壓，使燃油霧化不充分，從而實現(xiàn)快速加載碳煙，加載前后對比照片見圖1。

圖1 GPF加載碳煙前、后對比

2. 結果與分析

分別對兩個載體加載3、4、6 g/L 碳煙，通過增加噴油的方式在GPF入口溫度達到600℃時對發(fā)動機進行斷油再生研究。之后在相同碳載量下，在GPF 入口溫度提升至 650℃后進行斷油再生，載體內(nèi)部的溫度分布如圖2所示。

（a）載體A，3 g/L，600℃ （b）載體B，3 g/L，600℃

（c）載體A，3 g/L，650℃ （d）載體B，3 g/L，650℃

（e）載體A，4 g/L，600℃ （f）載體B，4 g/L，600℃

（g）載體A，6 g/L，600℃ （h）載體B，6 g/L，600℃

（i）載體A，6 g/L，650℃ （j）載體B，6 g/L，650℃

圖2 A，B兩載體分別在3、4、6 g/L，GPF入口溫度在600和650℃下的溫度分布情況

圖2表明斷油后瞬間大量空氣進入載體，使載體內(nèi)部溫度呈不可控的指數(shù)式增加，到達峰值溫度后又呈指數(shù)式下降的趨勢。相比碳載量在3和4 g/L， 6 g/L的碳載量下，兩種載體的峰值溫度均超過載體供應商給出的載體結構損壞極限溫度（1 240℃），其中載體A的最大徑向溫度梯度遠超過堇青石載體所能承受的極限溫度梯度，存在載體破裂風險。

圖3給出了碳載量為2、4 g/L、GPF入口溫度為 700℃下的載體內(nèi)部溫度場分布。碳載量為2 g/L、GPF入口溫度為700℃下，載體A的峰值溫度在測點12 處最大（957.6℃），最大溫度梯度出現(xiàn)在測點27和23之間（250.24℃/cm）。載體B的最高溫度出現(xiàn)在測點4處，為1 021℃，最大溫度梯度同樣在測點27和 23之間（272.3℃/cm）。在該溫度下再生時，盡管載體不存在損壞的風險，但此時載體B的最大溫度梯度已高出載體A。碳載量加載至4 g/L時，載體A的峰值溫度出現(xiàn)在測點15處（1 168.4℃），此外，測點19處的最高溫度與測點15處的最高溫度接近（1 164.5℃），載體內(nèi)部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點26和22之間（385.43℃/cm）。載體B的峰值溫度出現(xiàn)在測點14處，最大溫度為 1 205 ℃，載體內(nèi)部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點26和22之間，為444.02℃/cm。

（a）載體A，2 g/L，700℃ （b）載體B，2 g/L，700℃

（c）載體A，4 g/L，700℃ （d）載體B，4 g/L，700℃

圖3 A，B兩載體分別在碳載量為 2、4 g/L、GPF入口溫度為 700℃下的溫度分布。

圖4為兩種載體空間內(nèi)部溫度場分布情況。圖4（a-b）表明軸向上，入口處溫度低，中間和靠近出口位置，溫度高；徑向位置處，兩種GPF從載體中心到載體1/2 R位置處溫度高，載體1/2 R處出現(xiàn)最高溫度，向外圈時溫度逐漸降低。載B溫度明顯高于載體A，主要是因為載體B的中值孔徑小，在小碳載量下，碳煙主要是以深床捕集為主，此時大量的碳煙被捕集在載體的孔道內(nèi)，使得載體B孔道內(nèi)部單位體積累積的碳煙更多，斷油后大量空氣進入引發(fā)后燃，碳煙迅速燃燒產(chǎn)生熱量且不能及時向四周散去，從而導致載體B的最大溫度較高。

圖4（c-d）表明載體A在軸向位置的中間、后端溫度較高，且高溫部分較集中，載體B在軸向位置上峰值溫度稍靠前，但峰值溫度更高。這是因為隨著碳載量的升高，載體 B 中的熱量不易擴散，且再生釋放出更多的熱量，使得溫度更高。載體 A 由于較大的中值孔徑，使得載體導熱率較大，其載體內(nèi)部熱傳導較快，載體內(nèi)部溫度分布較均勻。

（a）載體A，2 g/L，700℃ （b）載體B，2 g/L，700℃

（c）載體A，4 g/L，700℃ （d）載體B，4 g/L，700℃

圖4 A，B兩載體分別在碳載量為 2、4 g/L、GPF入口溫度為 700℃下的載體內(nèi)部溫度場

其他研究內(nèi)容如“不同碳載量時的溫升特性”和“碳載量對載體最大溫度梯度的影響”等敬請參閱原文[1]。

文獻來源

[1]南征,李楠,張秋實,等.汽油機顆粒捕集器再生時載體溫度特性研究[J].內(nèi)燃機學報,2022,（04）:322-330.

學報簡介

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