汽油機(jī)顆粒捕集器再生平衡狀態(tài)的仿真研究

姚 塽，汪 侃，張?jiān)S揚(yáng)，雷海洋，宋崇林，呂 剛

(1.天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.襄陽(yáng)達(dá)安汽車檢測(cè)中心有限公司，襄陽(yáng) 441004)

0 概述

汽油機(jī)采用缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection， GDI)技術(shù)能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出和響應(yīng)速率并能改善燃油經(jīng)濟(jì)性，因此缸內(nèi)直噴汽油機(jī)所占市場(chǎng)份額越來(lái)越大[1]。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，三菱、豐田、本田、大眾、奔馳、通用等公司陸續(xù)推出了缸內(nèi)直噴技術(shù)。但是由于GDI汽油機(jī)將燃料直接噴入氣缸，燃油和空氣混合時(shí)間較短，缸內(nèi)會(huì)產(chǎn)生局部過濃區(qū)域，并且還伴隨著附壁油膜的池火燃燒[1]，導(dǎo)致GDI汽油機(jī)的顆粒物排放水平高于進(jìn)氣道噴射(port fuel injection， PFI)汽油機(jī)。為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，國(guó)內(nèi)外大多采用汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate filter， GPF)技術(shù)來(lái)解決GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放問題[2]。

GPF的過濾機(jī)理是讓發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣流經(jīng)多孔介質(zhì)載體壁面，尾氣中的顆粒物通過擴(kuò)散沉積、慣性沉積、重力沉積及攔截沉積等機(jī)制[3]被捕集在載體壁面內(nèi)(深層過濾)及載體壁面(濾餅過濾)。GPF中顆粒物在被捕集的同時(shí)也會(huì)在一些情況下發(fā)生氧化反應(yīng)，該過程被稱為再生過程，顆粒捕集器的再生過程要經(jīng)過沉積、再生平衡、氧化三個(gè)階段[4-5]，沉積階段顆粒物的捕集速率大于氧化速率，再生平衡階段顆粒物的捕集速率等于氧化速率，高溫氧化階段顆粒物的捕集速率小于氧化速率。其中，一般把顆粒捕集器再生過程中壓力曲線和零壓力增長(zhǎng)率的交點(diǎn)稱為再生平衡狀態(tài)，即再生過程中顆粒捕集器內(nèi)部壓力保持不變的狀態(tài)為再生平衡狀態(tài)[5-6]。如果不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，顆粒物質(zhì)量處于凈增加狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致顆粒捕集器壓降持續(xù)升高，在壓降超出發(fā)動(dòng)機(jī)正常控制范圍之前需要組織合理的再生，不然將嚴(yán)重影響其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[7]。因此，開展針對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)的研究對(duì)提高顆粒物捕集效率及優(yōu)化捕集器的再生策略具有重要意義。

目前關(guān)于再生平衡狀態(tài)的相關(guān)研究主要針對(duì)柴油機(jī)顆粒捕集器，文獻(xiàn)[8]中建立了連續(xù)再生式微粒捕集器三維仿真模型，模擬計(jì)算NO2與碳煙質(zhì)量比、排氣溫度及450 ℃的氧濃度對(duì)再生平衡的影響，研究發(fā)現(xiàn)，NO2與碳煙質(zhì)量比為5或450 ℃下氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，再生達(dá)到平衡。文獻(xiàn)[9]中采用數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方式，研究了連續(xù)再生式顆粒捕集器在不同工況下的再生速率和壓降特性。研究表明，溫度低于400 ℃時(shí)，NO2與碳煙質(zhì)量比對(duì)連續(xù)再生起到?jīng)Q定性作用，顆粒物質(zhì)量處于凈增加或消耗狀態(tài)；溫度高于400 ℃時(shí)，溫度的影響比NO2與碳煙質(zhì)量比的影響更大。文獻(xiàn)[10]中把柴油機(jī)排氣中的NO催化氧化成NO2，再利用NO2的強(qiáng)氧化性將DPF中過濾沉積的碳煙氧化為CO或CO2。這種顆粒捕集器的再生方式稱為被動(dòng)連續(xù)再生，是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注和廣泛采用的方式。而對(duì)于缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，排氣中NO2濃度較低，排氣內(nèi)的氮氧化物(nitrogen oxides， NOx)主要為NO，而氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，一般在0.5%～2.0%[11]。針對(duì)較低氧濃度GPF再生平衡狀態(tài)及排氣中NO濃度是否影響GPF再生平衡狀態(tài)的相關(guān)問題研究還有待深入。

本文中針對(duì)汽油機(jī)排氣溫度高、氧濃度低而NO存在的實(shí)際工作條件，建立了GPF的三維數(shù)值模型，針對(duì)不同NO濃度、O2濃度及排氣溫度對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)的影響進(jìn)行相關(guān)模擬研究，有助于提高缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排氣中顆粒物的凈化效率，優(yōu)化再生策略及延長(zhǎng)顆粒捕集器的使用壽命。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1.1 GPF的內(nèi)部流場(chǎng)模型

GPF的排氣進(jìn)出口如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流入入口孔道1，然后穿過具有多孔介質(zhì)的壁面流入出口孔道2，碳煙顆粒物隨即沉積在壁面。碳煙顆粒物分別以深層過濾(depth filtration)和濾餅(soot cake)過濾兩種形式被捕集在GPF過濾通道內(nèi)。

圖1中，leff為孔道有效過濾長(zhǎng)度，m；pgi為通道內(nèi)的氣體壓力，Pa，入口孔道i=1，出口孔道i=2；vgi為氣體流速，m/s；d1為入口孔道直徑，m；d2為出口孔道直徑，m；ksc為濾餅滲透率；kac為灰分層滲透率；kw為壁面滲透率；ksd為深層滲透率；δsc為濾餅層厚度，m；δac為灰分層厚度，m；δsd為深層過濾層厚度，m；δtot為壁面外碳煙層總厚度，m；δw為壁面厚度，m。

圖1 GPF進(jìn)出口示意圖

GPF內(nèi)部流體的流動(dòng)模型基于一維穩(wěn)態(tài)的連續(xù)性方程，如公式(1)和公式(2)所示。

(1)

(2)

式中，ρgi為通道內(nèi)的氣體密度，kg/m3；AFi為孔道表面積，m2；vwi為壁面流速，m/s；ASi為過濾通道的濕周半徑，m。

GPF 入口和出口通道的動(dòng)量平衡方程如式(3)和式(4)所示。

(3)

(4)

式中，F(xiàn)i為孔道內(nèi)的氣流摩擦損失系數(shù)；μ為氣流動(dòng)力黏度，Pa·s。

壁面流速為：

(5)

1.1.2 GPF的壓降模型

GPF前后兩端的壓降是評(píng)價(jià)GPF再生平衡狀態(tài)的重要依據(jù)。本文中所采用的GPF壓降模型是基于Darcy[12]定理對(duì)多孔介質(zhì)壓降的定義建立的，完整的GPF進(jìn)出口壓降模型如公式(6)所示。

pg1-pg2=Δpw+Δpsd+Δpac+Δpsc

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，Δpw為壁面壓降，Pa；Δpsd為深層過濾層壓降，Pa；Δpac為灰分層壓降，Pa；Δpsc為濾餅過濾層壓降，Pa。

1.1.3 GPF再生化學(xué)反應(yīng)模型及機(jī)理

GDI汽油機(jī)排氣存在一定量的NO，在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，排氣中的NO會(huì)和O2反應(yīng)生成具有較強(qiáng)氧化性的NO2，能在200 ℃左右開始氧化GPF中的碳煙[13]，而碳煙與氧氣的反應(yīng)需要GPF內(nèi)部溫度達(dá)到450 ℃以上才開始進(jìn)行，則GPF內(nèi)部再生反應(yīng)主要如下：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

公式(14)的化學(xué)反應(yīng)速率r1為：

(16)

(17)

(18)

式中，k、K1、Keq為化學(xué)反應(yīng)指前因子，s-1；patm為大氣壓力，Pa；TA為活化溫度，K；Tsolid為過濾體溫度，K；cNO為NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；cO2為O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；cNO2為NO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；R為理想氣體常數(shù)，R=8.314 5 J/(mol·K)。

1.2 求解方法

FIRE軟件采用有限容積法(finite volume method， FVM)離散控制方程，然后用壓力耦合方程組半隱式算法(Semi-Implicit-Pressure-Linked-Equations， SIMPLE)求解代數(shù)方程組，即可完成求解工作。

SIMPLE算法是一種求解壓力耦合方程的半隱式算法，可用于計(jì)算可壓縮和不可壓縮流場(chǎng)。其求解原理為：(1) 基于假設(shè)的壓力場(chǎng)求出初始速度分布，通常這樣得到的初始速度不能達(dá)到連續(xù)性方程求解條件，所以需要對(duì)壓力、速度進(jìn)行修正；(2) 將修正后的壓力、速度代入到方程組求解其他離散方程組，判斷是否收斂；(3) 如果收斂則計(jì)算結(jié)束，如果不收斂則將上一次迭代得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值重新計(jì)算，直至獲得收斂解。

1.3 仿真模型的建立

1.3.1 幾何模型的建立

本文中采用直徑143.8 mm、長(zhǎng)度127 mm的碳化硅載體，GPF基本參數(shù)與文獻(xiàn)[14]中一致，具體參數(shù)如表1所示。

表1 GPF基本參數(shù)

1.3.2 GPF網(wǎng)格的劃分

仿真計(jì)算中網(wǎng)格的尺寸對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響，因此有必要進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，本文中分別采用網(wǎng)格尺寸3 mm、2 mm、1 mm進(jìn)行對(duì)比。圖2為不同網(wǎng)格尺寸對(duì)GPF壓降的影響，可見網(wǎng)格尺寸為 2 mm 與1 mm時(shí)計(jì)算結(jié)果相差不大，綜合準(zhǔn)確度和計(jì)算成本，采用2 mm的最小網(wǎng)格尺寸，總網(wǎng)格數(shù)為211 160。圖3為GPF模型計(jì)算網(wǎng)格。

圖2 不同網(wǎng)格尺寸對(duì)GPF壓降計(jì)算結(jié)果的影響

圖3 GPF三維網(wǎng)格模型

1.3.3 初始條件和邊界條件的設(shè)定

在進(jìn)行仿真分析時(shí)，為了避免不可控因素的影響，做出如下假設(shè)：(1) 忽略GPF內(nèi)部熱輻射損失，考慮導(dǎo)熱的影響；(2) 排氣中PM成分為純碳煙；(3) 在汽油機(jī)顆粒捕集器中，參數(shù)僅在軸向方向上變化，在徑向方向上均勻分布。

GPF模型氣體的初始條件為：

vg1=vin|z=0

(19)

pg1=pin|z=0

(20)

vg2=vout|z=leff

(21)

pg2=pout|z=leff

(22)

式中，vin為入口孔道入口氣流速度，m/s；vout為出口孔道出口氣流速度，m/s；pin為進(jìn)口孔道進(jìn)口氣壓，Pa；pout為出口孔道出口氣壓，Pa。

邊界條件包括 GPF出入口、壁面參數(shù)及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模塊的參數(shù)等。GPF入口以發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量和溫度數(shù)據(jù)作為邊界條件，出口以環(huán)境壓力作為邊界條件，載體初始溫度設(shè)定為 300 K，排氣中碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

2 模型驗(yàn)證

為提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，需要對(duì)已建立的模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。選用文獻(xiàn)[14]中發(fā)動(dòng)機(jī)在 3 000 r/min 轉(zhuǎn)速全負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min的GPF壓降值來(lái)標(biāo)定所建立的GPF模型，該工況下排氣流量為 0.092 kg/s，排氣溫度1 035 K，初始炭載量為0。設(shè)置模擬參數(shù)與上述參數(shù)一致，在該條件下運(yùn)轉(zhuǎn) 30 min，得出GPF壓降隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。本文中模擬計(jì)算所得GPF的壓降值為GPF中氣流的進(jìn)口平均壓力與出口平均壓力的差值。

圖4 壓降試驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比

如圖4所示，GPF整體壓降的模擬值和文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)值誤差在10%的范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的誤差可能源于：在GPF實(shí)際使用過程中，顆粒物中的灰分會(huì)在載體孔道堆積，因此試驗(yàn)所測(cè)壓降值要比模擬計(jì)算值稍大。模擬結(jié)果表明此模型可以較為準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)結(jié)果，因此可以基于此模型對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)進(jìn)行研究。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析及討論

3.1 氧氣濃度的影響

GPF在實(shí)際工作條件下排氣中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般處于0.5%～2.0%的范圍內(nèi)[11]。當(dāng)氧濃度較低時(shí)，不能有效地氧化碳煙，可能會(huì)造成排氣背壓過大，影響燃油經(jīng)濟(jì)性，所以在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域一般采用減速斷油或者在GPF前加裝氣泵的方式來(lái)提高排氣中的氧濃度，實(shí)現(xiàn)GPF的主動(dòng)再生。設(shè)定排氣中氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算值分別為2%、4%、6%、7%，保持NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，排氣溫度為800 K，排氣流量為0.01 kg/s，僅改變氧氣濃度，以探究氧氣濃度對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)的影響。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。當(dāng)氧氣的質(zhì)量濃度在 2%～6%范圍內(nèi)時(shí)，GPF中沉積的碳煙質(zhì)量在整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)單調(diào)遞增，GPF不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，并且質(zhì)量升高率隨著氧濃度的增加而減小；當(dāng)氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%時(shí)，沉積的碳煙質(zhì)量在440 s前單調(diào)遞增，在440 s達(dá)到最大值后基本保持不變，即達(dá)到再生平衡狀態(tài)。

圖5 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳煙質(zhì)量的影響

圖6為氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GPF壓降的影響，當(dāng)排氣溫度等條件恒定時(shí)，GPF的碳煙累積質(zhì)量直接影響GPF的壓降，所以當(dāng)氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%～6%范圍內(nèi)時(shí)，GPF整體壓降在整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)單調(diào)遞增；當(dāng)氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7%時(shí)，壓降在440 s后基本保持不變，即GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)。這表明排氣氧濃度越高越有利于GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)。這是因?yàn)殡S著氧氣濃度的增加，碳煙的氧化速率增加，則隨著碳煙沉積量的增加，單位時(shí)間內(nèi)氧化掉的碳煙質(zhì)量增加，當(dāng)碳煙的氧化速率等于其捕集效率后，GPF中沉積的碳煙質(zhì)量及其壓降基本保持不變。

圖6 氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)GPF壓降的影響

3.2 NO濃度的影響

GPF在實(shí)際工作條件下排氣NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.03%～0.50%范圍內(nèi)[14]，故設(shè)定NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算值分別為0.1%和0.2%，保持排氣溫度為 800 K， 氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，排氣流量為 0.01 kg/s，僅改變NO濃度，以進(jìn)一步研究排氣中NO 濃度對(duì)已達(dá)到再生平衡的GPF壓降的影響。

圖7為7%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生平衡的影響，在氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的條件下，NO的加入可加速GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)，隨著NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增大到0.2%，三種條件下GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)所用時(shí)間分別為440 s、350 s、300 s，即GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)所需時(shí)間隨著NO濃度的增加而減小；另外，GPF整體壓降隨著排氣中NO濃度的升高而下降。這表明即使GPF已經(jīng)達(dá)到再生平衡狀態(tài)，增加NO濃度會(huì)仍會(huì)進(jìn)一步降低整體壓降，有利于GPF的再生過程。這是因?yàn)榕艢庵械腘O會(huì)與氧氣反應(yīng)生成NO2，而NO2氧化性較強(qiáng)，可加速碳煙的氧化[15]，并且生成NO2的量隨NO濃度的增大而增大，所以GPF整體壓降和達(dá)到平衡狀態(tài)所需時(shí)間隨NO濃度的增加而減少。故在實(shí)際工程研究領(lǐng)域，應(yīng)考慮NO濃度對(duì)GPF再生過程的影響，可在GPF上涂敷催化劑以促進(jìn)NO的氧化進(jìn)而降低顆粒物的起燃溫度，促進(jìn)GPF的被動(dòng)再生過程，從而降低主動(dòng)再生頻率和提高燃油經(jīng)濟(jì)性[14]。

圖7 7%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生平衡的影響

保持排氣溫度800 K不變，在氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的條件下，改變NO濃度，以進(jìn)一步研究排氣中NO 濃度對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)的影響。

圖8為6%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生平衡的影響，在氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的條件下，當(dāng)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，GPF不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，但GPF的整體壓降小于氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0條件下的壓降；當(dāng)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，達(dá)到再生平衡狀態(tài)，所需時(shí)間為376 s。這表明在NO與O2反應(yīng)生成的NO2參與碳煙的氧化反應(yīng)時(shí)，即使因氧濃度較低不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，但仍能有效地降低GPF整體壓降，并且NO濃度越高，GPF越容易達(dá)到再生平衡。

圖8 6%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)再生平衡的影響

3.3 排氣溫度的影響

GPF在實(shí)際工作條件下排氣溫度一般在693.15～1 053.15 K的范圍內(nèi)[14]，故設(shè)定排氣溫度計(jì)算值為800 K、900 K、1 000 K，保持NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，排氣流量為0.01 kg/s，僅改變排氣溫度，以進(jìn)一步研究排氣溫度對(duì)GPF再生平衡狀態(tài)的影響。

圖9為2%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下排氣溫度對(duì)再生平衡的影響，在氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%條件下，當(dāng)排氣溫度由800 K增加到900 K時(shí)，GPF仍不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，GPF壓降在計(jì)算時(shí)間內(nèi)遞增；當(dāng)排氣溫度為1 000 K時(shí)，GPF達(dá)到再生平衡，達(dá)到再生平衡狀態(tài)所需時(shí)間為220 s。這表明排氣溫度的增加能促使GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)，這是因?yàn)榕艢鉁囟鹊纳吣芴岣哐鯕獾霓D(zhuǎn)化率[8]，進(jìn)而增加顆粒物的氧化速率，有利于沉積顆粒物的氧化，隨著碳煙沉積量的增加，單位時(shí)間內(nèi)被氧化的碳煙質(zhì)量增加，當(dāng)碳煙的氧化速率等于其捕集效率后，GPF壓降保持不變，達(dá)到再生平衡狀態(tài)。同時(shí)可見，當(dāng)排氣溫度為1 000 K時(shí)，隨著時(shí)間的增加，GPF整體壓降起初大于800 K、900 K條件下的壓降；這主要是因?yàn)楫?dāng)排氣質(zhì)量流量一定時(shí)，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，排氣溫度的增加會(huì)使體積流量增加，壁面流動(dòng)速度增加，從而導(dǎo)致了更高的壓降[3]。又由于隨著碳煙在GPF中不斷被捕集，1 000 K排氣溫度下的氧化速率明顯高于其他條件，該碳煙累計(jì)質(zhì)量明顯少于800 K、900 K條件下的碳煙累積質(zhì)量，所以1 000 K排氣溫度情況下的GPF壓降最終小于800 K、900 K條件下的壓降。

圖9 2%氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)下排氣溫度對(duì)再生平衡的影響

影響GPF性能的另外一個(gè)重要因素是載體的熱負(fù)荷，其在很大程度上影響GPF的使用壽命。當(dāng)排氣氣氛不變時(shí)(氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0)，GPF的壁面峰值溫度將隨著排氣溫度的增加而增加，GPF將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受著較高的熱負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致GPF燒裂，工作失效[16]。所以排氣溫度的增加雖然有利于顆粒物的氧化，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)較高的熱負(fù)荷，影響顆粒捕集器的使用壽命。在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域，GPF的布置形式常采用后置式(underfloor type， UF)，將GPF布置在距離三元催化器較遠(yuǎn)的下游位置，在節(jié)省機(jī)艙內(nèi)布置空間的同時(shí)又可避免過高的熱負(fù)荷，延長(zhǎng)GPF的使用壽命，并可以減小排氣背壓及提高燃油經(jīng)濟(jì)性和顆粒物捕集效率。

4 結(jié)論

(1) 在排氣溫度為800 K的條件下，當(dāng)排氣氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于7%時(shí)，GPF不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，并且當(dāng)排氣氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由2%增加到7%時(shí)，GPF的整體壓降及積炭量隨著氧濃度的增加而減小，因此氧濃度越高越有利于達(dá)到再生平衡狀態(tài)和減小GPF壓降，去除碳煙顆粒物。故在實(shí)際工程領(lǐng)域中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到GPF壓降高于設(shè)定值后可觸發(fā)主動(dòng)再生，通過提升氧濃度來(lái)促進(jìn)顆粒物的氧化，使GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)。

(2) 在排氣溫度為800 K及氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的條件下，當(dāng)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到0.2%時(shí)，GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)的整體壓降和所需時(shí)間隨著NO濃度的增加而減小，這表明NO濃度越高越有利于降低再生平衡狀態(tài)下的壓降。在排氣溫度800 K及氧氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的條件下，當(dāng)NO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0增加到0.2%時(shí)，GPF達(dá)到再生平衡狀態(tài)，這表明NO濃度越高越有利于GPF達(dá)到再生平衡。因此工程應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)考慮NO濃度對(duì)GPF的再生過程的影響，可在顆粒捕集器上涂敷催化劑以促進(jìn)NO的氧化，進(jìn)而更有效地去除碳煙。

(3) 在氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的條件下，當(dāng)排氣溫度小于1 000 K時(shí)，GPF不能達(dá)到再生平衡狀態(tài)，這表明在較低氧濃度條件下排氣溫度越高越能使GPF達(dá)到再生平衡，但是排氣溫度升高的同時(shí)也會(huì)增大GPF的熱負(fù)荷，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際需求，合理地布置GPF位置，并且根據(jù)實(shí)際排氣溫度來(lái)合理控制排氣氧濃度以達(dá)到GPF再生的目的，以保證GPF具有較高的過濾效率和使用壽命。