基于燃燒器實現GPF快速灰分累積的方法研究

霍永占 高濤

摘要： 在國六排放標準中，加嚴了顆粒物數量（PN）排放的限值，汽油機顆粒捕集器（GPF）能有效降低PN的排放。快速老化方法可有效評價GPF在全生命使用周期內的性能。本文探索了一種基于燃燒器的能夠模擬實際工況的加速GPF灰分累積方法，確定了控制GPF前溫度為600℃、空燃比λ為1.2的灰分累積工況，避免了GPF不出現較快的碳煙累積和頻繁再生。研究了不同排氣流量和灰分累積量工況下的GPF壓降測試。

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.

關鍵詞： GPF;灰分累積;燃燒器;壓降特性

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

中圖分類號：TK4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0004-03

1 ?研究背景

1.1 缸內直噴汽油機GDI

缸內直噴汽油機（GDI）因其較好的動力性、燃油經濟性、駕駛性及排放等優點，得到愈來愈廣泛的使用。國內外大量實驗研究表明，GDI汽油機顆粒物排放數量明顯多于傳統氣道噴射汽油機和配置DPF的柴油機[1]。越來越嚴苛的法規要求直噴汽油機在更寬范圍的工況點都保持穩定而且較低的PM排放[2]。因此，盡管GDI發動機技術仍在不斷發展，單純靠機內凈化難以滿足排放法規的升級。汽油機顆粒捕集器（GPF）被認為是應對GDI汽油機顆粒物排放限值最有效、最可靠的潛在技術。

1.2 GDI汽油機顆粒物生成機理及應對排放法規挑戰

直噴汽油機顆粒物在冷啟動、加速及穩態催化劑加熱時產生最多。GDI汽油機碳煙排放主要源于附壁油膜的池火燃燒和缸內局部濃區燃燒。

為了應對日益嚴峻的環境惡化挑戰，環境保護部于 2016年12月發布了《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法 （第六階段）》標準。一方面，國六標準引入WLTP和實際道路尾氣排放RDE，另一方面加嚴了顆粒物排放限值[3]。

2 ?GPF灰分綜述

2.1 灰分的來源

缸內直噴GDI汽油機的PM、PN是面臨國六嚴苛排放法規最大的挑戰，汽油機微粒捕集器GPF能有效降低其PM、PN排放，但在GPF工作過程中，累積到GPF內的灰分無法通過再生去除，灰分的增加會影響GPF的過濾效率、再生性能[4]，增大排氣背壓和發動機油耗。在GPF累積的灰分中，約有一半的灰分來自于潤滑油的消耗，而潤滑油中的灰分很大程度上來源于潤滑油中的添加劑。

2.2 灰分累積機理

GPF中灰分的累積是較為緩慢的耐久過程。排放氣體伴隨著顆粒物進入進口孔道，從入口位置逐漸堆積，在進口通道的底部被陶瓷層封堵，沿著壁面方向依次形成了微粒濾餅層、灰分濾餅層、深層微粒和壁面幾個部分[5]。在整個氣體排放的過程中形成了碳粒和灰分的累積，如圖1所示。

2.3 灰分的快速累積方法

灰分在微粒中所占的比例非常微小，通常小于1%，潤滑油的消耗量相對于燃油非常微量，因此，如果按照正常的消耗速度來進行灰分的累積，勢必會消耗大量的人力物力。

GPF的可靠性和耐久性評價在實車上開展試驗最能反映實際老化情境，需要開發一種快速的老化方法，來開展相關的試驗。灰分不同于PM中的可通過再生氧化過程除去的有機成分，無機的灰分不能通過發動機和后處理管理系統清除，僅能通過拆除清潔技術。但是目前的法規要求后處理系統在排放質保期內保證不能通過拆除清潔技術實現清除灰分。GPF技術還不成熟，限制其大規模的應用。此外，長期的耐久應用、包括灰分累積的動力學機制還沒有完全被理解。在全生命周期應用中得到了汽車工業界的廣泛關注。

總結國內外關于灰分快速累積的方法[6]，大致分為三類：一、潤滑油摻燒，即在燃燒的燃油中摻燒一定比例的潤滑油;二、對發動機進行機械改造，如對活塞環的結構進行反向設計使潤滑油加速進入燃燒室，從而加速潤滑油的消耗達到灰分快速累積的效果;三、柴油機顆粒捕集器DPF已經產業化較為成熟，有研究機構通過燃燒器進行DPF灰分快速累積的方法。這些方法均可以實現加速灰分累積的效果，但灰分累積的特性（組成成分、形貌特點和累積分布形態）與實車運行的累積特點是否保持一致性，對比其灰分累積特性及其對發動機性能、排放的影響具有現實意義。Alexander Sappok等[7]根據潤滑油滲入發動機缸內的兩種方式：燃油與潤滑油摻燒，進氣道潤滑油進準噴射裝置，如圖2所示。

多種加速灰分累積方法已經在DPF上應用，但是GDI汽油機同傳統的柴油機工作特性相差甚遠，GPF的工作環境同DPF相比有很大不同：①同傳統的柴油機相比，GDI汽油機的碳煙/灰分比例顯著降低;②GDI排氣溫度高導致碳煙加速氧化，降低GPF中碳煙加載量;③GDI高溫排氣可以促進GPF中灰分成分進一步氧化和燒結。

雖然有部分國內外學者機構已經開展了GPF加速老化的研究工作，但各種方法能否最大限度的模擬實際工況尚未得到廣泛的證實，因此有必要探索一種能夠模擬實際工況的加速GPF灰分累積方法并從多個角度進行對比驗證。

3 ?試驗方案及結果分析

3.1 試驗系統

GPF灰分累積的燃燒器設計是本部分工作的重點內容，其主要包括了潤滑油供給系統、空氣供給系統、汽油供給系統、燃燒器、燃燒器尾氣溫度控制系統、后處理系統、排氣分析系統、排氣控制系統等，如圖3所示。

潤滑油供給系統主要包括潤滑油泵、潤滑油換熱器、潤滑油噴嘴等幾部分組成;空氣流量計是空氣供給系統的主要組成部分，根據汽油供給量和氧傳感器測量的空燃比實施調整空氣進氣量，控制油氣混合比例，保證充分燃燒。燃燒器部分是燃油、空氣、潤滑油混合燃燒的部分，形成的高溫燃燒產物進入排氣系統，用于GPF灰分累積。燃燒器尾氣溫控系統還包括換熱器，用于控制燃燒器的尾氣溫度控制。GPF分別測量了入口、床體、出口的溫度和壓力，用于實時監測尾氣的碳載量。離心式風機主要用于氣體的及時排除，提供壓差。

試驗時排氣流量10kg/h到600kg/h，入口溫度從 200℃到600℃，根據需求選擇相應的流量和溫度，記錄對應點的前后背壓。測量上述測點的溫度等。

3.2 試驗方法

3.2.1 灰分累積工況

為了使GPF獲得比較穩定的灰分累積速率，參照較為相似的發動機臺架灰分累積工況。設定燃燒器在某個穩定工況運轉，控制GPF前溫度為400℃、排氣流量為252kg/hr。盡管保證了較為過量的空供給量，即空燃比λ為1.1防止GPF中soot的生成速率太快，但是GPF中的碳煙生成較為迅速導致GPF發生了較實際工況頻繁的再生。

因此將燃燒器的運行工況調整為控制GPF前溫度為600℃、排氣流量為252kg/hr，空燃比λ為1.2。在此工況下運行，GPF才不出現較為快速的soot累積和頻繁再生。較高的空燃比和排氣溫度使得soot再生燃燒，基本不會沉積在GPF中，因此可以認為GPF重量的增加即為灰分。

灰分累積工況時汽油消耗率為14.7kg/h，每升汽油中摻燒1.5g潤滑油。

在此工況下運行燃燒器，過程中稱量GPF灰分累積量，直至最終完成國六16萬公里的耐久要求，如表1所示，累灰量約為58g，即30g/L。

3.2.2 灰分累積對GPF壓降的影響

在燃燒器上對不同灰分累積量的GPF，在不同排氣流量條件下進行壓力損失進行測量。壓降測試設定了5個不同排氣流量，分別代表不同運行工況。圖為5個工況的流量和GPF入口溫度監測數據，當GPF入口溫度保持在400℃左右、空燃比λ為1，保證每個工況的流量穩定一段時間再記錄GPF前后的壓力數據，如表2所示。

在不同灰分加載條件下進行壓降特性測試。為了防止壓力測試過程中soot累積在GPF，在測試GPF前加置一個用于過濾soot的GPF。

3.3 試驗結果及討論

結果表明，在GPF中僅有灰分累積的情況下壓降較小。在基于燃燒器灰分累積方法中，五個排氣流量工況條件下壓降最大分別為0.29kPa、0.34kPa、0.28kPa、0.59kPa和0.8kPa。

從壓降特性分析，基于燃燒器的灰分累積方法中：在0g/L增至13g/L的灰分累積量之間，GPF的壓降基本保持很小幅度的增加;而在在13g/L增至19g/L的灰分累積量之間過程中，GPF的壓降增加較快，如圖4所示。

4 ?總結

①本文介紹了基于燃燒器的GPF灰分累積方法。對燃燒器系統進行了概述，對試驗系統搭建、管路和傳感器布置、試驗運轉測試等進行了介紹;②研究了較為合適的灰分累積工況，篩選了較高空燃比λ為1.2、控制GPF前溫度為600℃的工況，防止GPF中的碳煙生成較為迅速導致GPF發生較實際工況頻繁的再生狀態;③在灰分累積工況下運行燃燒器，過程中稱量GPF灰分累積量，直至最終完成國六16萬公里的耐久要求，累灰量約為58g，即30g/L。在燃燒器上對不同灰分累積量的GPF，在不同排氣流量條件下進行壓力損失進行測量和討論分析。

參考文獻：

[1]蔣德明.內燃機燃燒學與排放學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

[2]潘鎖柱，宋崇林，裴毅強，等.缸內直噴汽油機顆粒物粒徑分布特性[J].天津大學學報：自然科學與工程技術版，2013，46（7）：629-634.

[3]輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[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]范錢旺，尹琪.直噴汽油機顆粒物成因及滿足EURO-VI排放限值技術路線[J].上海汽車，2013，06.

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[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.