文章導(dǎo)讀

缸內(nèi)直噴（GDI）汽油機(jī)由于燃料空氣混合不均勻需要顆粒捕集器（GPF）來進(jìn)行尾氣后處理。當(dāng)GPF中累積的顆粒物量達(dá)到一定程度后需要對(duì)其進(jìn)行再生處理，以免帶來較大的排氣阻力。被動(dòng)再生是一種主要的技術(shù)方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生減速斷油（DFCO）且達(dá)到再生溫度時(shí)，即可觸發(fā)被動(dòng)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(yàn)裝置介紹

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5 L缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，使用的后處理為緊耦合式三元催化轉(zhuǎn)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(yàn)中GPF的碳煙通過加濃空燃比的方式進(jìn)行加載，將空燃比調(diào)至0.98，降低軌壓，使燃油霧化不充分，從而實(shí)現(xiàn)快速加載碳煙，加載前后對(duì)比照片見圖1。

圖1 GPF加載碳煙前、后對(duì)比

2. 結(jié)果與分析

分別對(duì)兩個(gè)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(dá)到600℃時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jìn)入載體，使載體內(nèi)部溫度呈不可控的指數(shù)式增加，到達(dá)峰值溫度后又呈指數(shù)式下降的趨勢(shì)。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(yīng)商給出的載體結(jié)構(gòu)損壞極限溫度（1 240℃），其中載體A的最大徑向溫度梯度遠(yuǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

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(chǎng)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(cè)點(diǎn)12 處最大（957.6℃），最大溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23之間（250.24℃/cm）。載體B的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4處，為1 021℃，最大溫度梯度同樣在測(cè)點(diǎn)27和 23之間（272.3℃/cm）。在該溫度下再生時(shí)，盡管載體不存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但此時(shí)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(shí)，載體A的峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)15處（1 168.4℃），此外，測(cè)點(diǎn)19處的最高溫度與測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)26和22之間（385.43℃/cm）。載體B的峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(chǎng)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(shí)溫度逐漸降低。載B溫度明顯高于載體A，主要是因?yàn)檩d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(shí)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(jìn)入引發(fā)后燃，碳煙迅速燃燒產(chǎn)生熱量且不能及時(shí)向四周散去，從而導(dǎo)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?yàn)殡S著碳載量的升高，載體 B 中的熱量不易擴(kuò)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(dǎo)熱率較大，其載體內(nèi)部熱傳導(dǎo)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(chǎng)

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

文獻(xiàn)來源

[1]南征,李楠,張秋實(shí),等.汽油機(jī)顆粒捕集器再生時(shí)載體溫度特性研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2022,（04）:322-330.

學(xué)報(bào)簡介

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