不同載體汽油機顆粒捕集器再生性能試驗研究

南征，李楠*，劉海濤，張秋實，趙慶良， 華倫，伊藤雅晃，毛星燁

1.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066000；2.清華大學 蘇州汽車研究院，江蘇 蘇州 215000； 3.NGK環保陶瓷有限公司，上海 200336

0 引言

近年來，我國汽車保有量不斷增加，據統計，截至2020年6月,我國機動車保有量已達到3.6億輛，其中汽車保有量達2.7億輛，占機動車總量的75%[1]。隨著機動車保有量的增加，機動車排放污染物成為我國大氣污染的重要來源，特別是細小顆粒物(particulate matter,PM)，大氣中的PM隨著呼吸進入心肺等器官，對人體健康造成了嚴重的威脅[2-5]。為了應對環境問題帶來的挑戰，2016年底文獻[6]發布，該標準實行6a階段、6b階段分步實施方案，分別于2020年7月1日和2023年7月1日實施[6]。文獻[6]對PM排放做出進一步限制：自2020年7月1日起，輕型汽車的汽油機Ⅰ型試驗的PM排放限值為4.5 mg/km、粒子數量(particle numbers,PN)為6.0×1011個/km；自2023年7月1日起，PM排放限值為3 mg/km。嚴格的排放標準對汽油機排放提出更高要求。文獻[6]規定，在3 a或6萬km內，由于排放相關部件出現問題引發的排放污染物超出限值，相應的維修更換費用須由汽車生產企業承擔，因此，汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)的性能以及再生技術至關重要[7-10]。加裝GPF后，隨著碳煙不斷積累，造成排氣背壓升高，影響汽油機的經濟性和動力性，需要對GPF進行周期性再生，及時清除GPF中的碳煙顆粒，使其氧化成對人體無害的CO2排出[11-12]。

目前關于GPF的研究較多集中在性能和再生策略方面。范明哲等[13]在某六缸直噴機械增壓發動機上搭建GPF碳載量模型進行主動再生和被動再生策略研究，得到2種再生模型的偏差分別為9%和6%，模型精度滿足工程應用。陳京瑞等[14]研究了GPF的再生及保護策略，通過GPF入口溫度、排氣質量流量和氧氣的質量分數計算GPF溫度，避免GPF熱損壞，進行排溫保護。楊永真等[15]研究了再生速率與碳載量、GPF中心溫度、氧氣的質量分數之間的關系，得到再生速率與碳載量、溫度、氧氣的質量分數呈現非線性的正相關趨勢，溫度和氧氣的質量分數升高均促進再生效率提升。

本文以某1.5 L、滿足國六排放標準的缸內直噴 (gasoline direct-injection,GDI)汽油機配置的GPF為研究對象，通過臺架試驗對2種不同載體GPF的再生性能以及再生時內部溫度的分布情況進行研究。對比不同碳載量、不同溫度時的再生特性，為GPF的匹配提供理論依據。

1 試驗設備及方案

1.1 發動機臺架及主要設備

臺架試驗中使用的測功機測控系統為HORIBA STARS，最高轉速為10 000 r/min，轉速測量精度為±1 r/min、頻次低于10 Hz，本次臺架試驗的主要測試儀器設備及精度如表1所示。

表1 主要測試設備的型號及精度

試驗用汽油機主要技術參數如表2所示。

表2 汽油機主要技術參數

1.2 后處理整體布局及規格

試驗用發動機后處理系統采用前級三效催化器(three way catalyst，TWC)、后級GPF的底盤式布局。TWC與GPF之間的距離約為50 cm，2種不同GPF載體的規格如表3所示。

表3 GPF載體參數

A為目前市售GPF載體，B為下一代具有更高捕集效率的GPF載體，為了滿足未來標準更加嚴格的排放要求，載體B壁面之間的平均中值孔徑更小。為方便對GPF進行拆裝稱質量，在GPF兩端焊制法蘭。法蘭兩端的縮口處安裝壓力傳感器和溫度傳感器，測量GPF進、出口溫度和壓力，臺架布置如圖1所示。

圖1 臺架布置簡圖

試驗前應對新的GPF激活處理，累碳誤差為±0.2 g；為了確保稱量準確，在積碳和再生前、后對其稱量3次取平均值；每次稱量前、后在馬弗爐中以250 ℃的溫度保溫1 h，除掉載體中冷凝的水分，在同一溫度下進行保溫處理可以避免溫度不同帶來的稱量誤差。再生過程中，測量GPF載體內部的溫度，溫度傳感器布置位置如圖2所示，將12個熱電偶布置在GPF內部，徑向位置等距布置3個熱電偶，軸向位置等距布置4組熱電偶測量載體內部溫度；測點1～4測量載體中心溫度，測點5～8測量載體(1/2R處)溫度，測點9～12測量載體外圈溫度。

a)載體出口端面 b)載體軸向截面圖2 載體內部溫度傳感器布置位置示意圖

1.3 試驗方案

對GPF主動再生和被動再生2種方式進行試驗，對比不同碳載量、不同再生溫度下2種GPF的再生特性。

1.3.1 主動再生

汽車行駛在市區時GPF的溫度一般達不到再生需求，且市區的頻繁起-停更容易產生碳煙，影響發動機的性能，因此需要調整發動機的運行模式，提升排溫，創造有利的再生環境。綜合考慮汽車的常用轉速，試驗將再生時發動機轉速設置為2000 r/min，主動再生過程如圖3所示。再生結束后，改變工況使發動機進入怠速工況，怠速轉速為900 r/min。本次試驗空燃比λ=1.05時再生時間為480 s，λ=1.10時再生時間為200 s。

圖3 主動再生過程示意圖

1.3.2 被動再生

汽車在高速工況行駛突然斷油時，排氣中氧氣的質量流量迅速增大，此時如果溫度達到再生條件，GPF中的PM會迅速燃燒，但由于此時排氣質量流量較小，再生時碳煙燃燒產生的高溫不能被及時帶走，熱量聚集在載體后端，很容易燒壞載體，因此需要保證GPF瞬時的峰值溫度低于載體溫度限值。本試驗在碳載量分別為2 g/L和4 g/L時進行斷油再生，燃油切斷時間為180 s，碳載量為2 g/L的GPF在入口溫度為700 ℃時停止供油，碳載量為4 g/L的GPF在入口溫度為600 ℃時停止供油。

2 試驗結果及分析

2.1 主動再生過程對載體的影響

再生溫度分別為550、600和700 ℃時，碳載量為2 g/L的GPF再生速率和再生效率如圖4所示。

a)λ=1.05 b)λ=1.10圖4 碳載量為2 g/L時GPF再生速率和再生效率對比

由圖4可知：再生速率和再生效率均隨溫度的升高而增大；λ相同時，載體B的再生速率和再生效率均高于載體A，主要原因是碳載量為2 g/L時，碳煙顆粒處于深床捕集，由于載體B壁面之間的平均中值孔徑較小，比表面積增大，單位體積所承載的碳煙顆粒增多，同時比表面積增大也增加了碳煙顆粒與氧氣接觸的比率，因此再生階段載體B內部的碳煙顆粒再生速率和效率更大。

由圖4a)可知：當λ=1.05時，再生速率隨再生溫度線性升高，當再生溫度為550 ℃時，載體A和載體B的再生速率差距不大，分別為3.21 mg/s和3.35 mg/s；再生溫度升高到700 ℃時，2種載體的再生速率分別達到5.67 mg/s和6.19 mg/s。

由圖4b)可知：當λ=1.10時，再生速率在溫度為550、600 ℃時保持在較低水平且相差不大；溫度為700 ℃時再生速率大幅提升，分別為11.30 mg/s和12.85 mg/s，載體B的再生速率比載體A高12.06%，相較于λ=1.05，載體B的再生速率提升了1倍，說明在氧含量和溫度足夠高時顆粒物更容易燃燒，GPF中碳煙顆粒的反應速率顯著增加。

對比再生效率發現，λ=1.05時，載體A在700 ℃時的再生效率達到93.47%，載體B高達99.66%，進一步說明隨著溫度升高，載體的再生性能更加優異。λ=1.10、再生溫度為550 ℃時，載體A和載體B再生效率基本一致，分別為21.25%和21.97%，主要是因為再生溫度較低，未能形成較好的再生環境，因此差異較小。

碳載量為4 g/L時不同再生溫度的GPF再生速率和再生效率對比如圖5所示。

a)λ=1.05 b) λ=1.10圖5 碳載量為4 g/L時GPF再生速率和再生效率對比

由圖5可知：GPF再生速率隨著溫度的升高增大，且λ相同時，碳載量為4 g/L的GPF的再生速率在600 ℃和700 ℃時明顯大于2 g/L的。這是因為隨著碳載量的增加，更多的碳煙參與到反應中，使得再生速率相應升高。

由圖5a)可知：λ=1.05，再生溫度為700 ℃時，2種載體的再生速率分別為9.44 mg/s和10.63 mg/s，差距較大。由圖5b)可知，λ=1.10、再生溫度為700 ℃時，2種載體的再生速率趨近一致，約為19.70 mg/s,主要因為此時溫度高且氧含量充足，再生環境處于最佳狀態，因此差異性較小。

λ相同時，隨著碳載量的增加，GPF再生效率降低。一方面，當碳載量較大，碳煙的沉積從深床捕集逐漸變成表面過濾為主，碳煙將載體表面的涂層覆蓋，使氧化性氣體對碳煙的作用減弱，導致再生效率降低；另一方面，隨著碳載量增加，孔道內部的有效體積減小，空氣流速增大，空氣與碳煙的接觸時間減小，使得整體的再生效率相較于碳載量為2 g/L時有所降低。此外，載體B的再生效率普遍優于載體A，主要是因為載體B的平均中值孔徑較小、孔道內部有效體積減小導致的。

2.2 被動再生過程對載體的影響

2.2.1 再生溫度場分布

碳載量為2 g/L、GPF前溫度達到700 ℃時停止供油，2種載體的內部溫度場變化如圖6所示。

a)載體A b) 載體B圖6 碳載量為2 g/L時2種載體內部溫度

由圖6可知：停止供油后，GPF內部的溫度由正常的升溫可控變為指數上升的升溫失控狀態，一段時間后，隨著碳煙的不斷再生，放熱量逐漸減少，內部溫度逐漸降低；載體A在斷油后15 s出現峰值溫度，最高溫度出現在GPF尾端中心點即測點4處，達923.9 ℃。載體B在斷油后18 s出現峰值溫度，同樣在測點4處，為974.5 ℃。載體A出現峰值溫度所需的時間較短，這是因為載體A在較短的時間快速升溫將碳煙反應掉，此時載體B還剩余部分碳煙，隨著剩余碳煙繼續再生，溫度持續增加。載體B升高到最高溫度用時較長，主要是因為中值孔徑小，導致氧氣流通受阻，反應較慢，溫度升高較慢。

邊緣處的溫度測點幾乎未出現峰值溫度，這是由于載體邊緣位置散熱較快，碳煙在邊緣處的分布較少導致。GPF徑向溫度分布呈現靠近內圈溫度最高、中圈次之、外圈溫度最低的規律。主要是因為GPF上游變徑對氣流的影響，中間位置碳加載較多，再生過程中載體中心碳煙反應更劇烈，因此中心溫度高于邊緣。軸向溫度分布呈現靠近出口端溫度高于靠近進口端溫度，主要原因是車輛減速停止供油后，由于排氣氣流的影響，載體前端的碳煙再生產生的高溫傳到后端，不斷積累且不能及時排出，加上后端碳煙氧化產生更多的熱量使得后端溫度較高。

碳載量為4 g/L、GPF前溫度達到600 ℃時進行斷油，2種載體的內部溫度場變化如圖7所示。

a)載體A b) 載體B圖7 碳載量4 g/L時2種載體內部溫度

由圖7可知：載體A在斷油后33 s出現峰值溫度，在測點4處，為942.2 ℃，載體B在斷油后44 s出現峰值溫度，在測點8處，為910.2 ℃。碳載量為4 g/L時，碳煙層捕集占主導地位，此時2種載體壁面捕集較多的碳煙導致中值孔徑帶來的差異不明顯，但是由于碳載量增加使壁面滲透下降，導致孔道內部氣流運動較差，空氣補充不及時，載體的被動再生速率降低，因此載體B的溫度較載體A偏低。

碳載量為4 g/L時載體內部溫度的分布情況與2 g/L相似，都呈現出中間溫度高于邊緣，出口溫度高于入口，且載體A升高到最高溫度所用的時間比載體B短。2種載體中心與邊緣處出現明顯的溫度差，主要是因為碳載量增大，中間溫度本身就高，觸發再生時碳煙反應更加劇烈，邊緣處散熱較快，因此形成較大的溫度差異。

2.2.2 再生效率及溫度梯度

被動再生時，再生效率及溫度梯度如表4所示。

表4 被動再生時再生效率及溫度梯度

由表4可知：碳載量相同時，載體A的再生效率高于載體B，主要是因為載體B的中值孔徑小，再生時空氣流速較快，減小了氧氣與碳煙的接觸時間，導致再生效率偏低。碳載量為4 g/L時，2種載體的再生效率明顯降低，主要是因為斷油前GPF入口溫度較低，斷油時GPF入口溫度會出現降低趨勢，導致碳煙燃燒效率降低；隨著碳載量增加，碳煙沉積由深床層變為餅層，載體表面的催化劑被覆蓋，不能與空氣較好地接觸，從而使整體再生效率降低。

GPF高溫損壞不僅與最大耐受溫度有關，也與其軸向和徑向的溫度變化率有關。當碳載量為4 g/L時，載體A的最大徑向溫度梯度出現在測點11和測點7之間，達到116.43 ℃/cm，載體B的最大溫度梯度出現在測點12和測點8之間，為142.52 ℃/cm，最大溫度梯度均出現在載體后端徑向位置。碳載量為2 g/L時,2種載體的最大溫度梯度出現在測點12和測點8之間，分別為87.40 ℃/cm和102.37 ℃/cm；載體B的最大徑向溫度梯度比載體A高，因此被動再生時應重點關注載體末端徑向位置的溫度梯度，防止因為溫差過大導致載體破裂。

3 結論

通過發動機臺架試驗，分析了2種不同載體GPF主動再生和被動再生之間的差異，得到再生過程中載體內部的溫度變化和再生效率，為下一代GPF的使用提供了依據。

1)載體B的再生速率和再生效率均優于載體A，碳載量為4 g/L、λ=1.10時，載體B在700 ℃的再生速率達到19.70 mg/s；碳載量為2 g/L、λ=1.05時，載體B在700 ℃時的再生效率高達99.66%。

2)主動再生時，隨著再生溫度和λ的升高，GPF的再生速率和再生效率均有所提升；隨著碳載量的增加，再生速率升高，但是再生效率有所降低。

3)被動再生時載體內部峰值溫度出現在載體中心靠近出口處，且溫度分布規律為徑向溫度呈現出中間高、邊緣低的趨勢，軸向溫度為入口低、出口高。

4)被動再生時，載體A的再生效率優于載體B；碳載量相同時，載體B的徑向溫度梯度高于載體A。被動再生時最高溫度出現在載體中心出口處，最大溫度梯度均出現在載體末端徑向位置處，再生時需要重點關注該位置的溫度梯度不得超過載體耐受極限，后續試驗會對載體極限碳載量的斷油再生進行進一步的研究。