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        不同載體汽油機顆粒捕集器再生性能試驗研究

        2021-12-16 08:06:36南征李楠劉海濤張秋實趙慶良華倫伊藤雅晃毛星燁
        內(nèi)燃機與動力裝置 2021年6期
        關鍵詞:效率

        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(huán)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(jù)統(tǒng)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(huán)境問題帶來的挑戰(zhàn),2016年底文獻[6]發(fā)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(shù)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(guī)定,在3 a或6萬km內(nèi),由于排放相關部件出現(xiàn)問題引發(fā)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(chǎn)企業(yè)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(jīng)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(fā)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(shù)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(shù)之間的關系,得到再生速率與碳載量、溫度、氧氣的質量分數(shù)呈現(xiàn)非線性的正相關趨勢,溫度和氧氣的質量分數(shù)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(nèi)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(nèi)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(jù)。

        1 試驗設備及方案

        1.1 發(fā)動機臺架及主要設備

        臺架試驗中使用的測功機測控系統(tǒng)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(shù)如表2所示。

        表2 汽油機主要技術參數(shù)

        1.2 后處理整體布局及規(guī)格

        試驗用發(fā)動機后處理系統(tǒng)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(guī)格如表3所示。

        表3 GPF載體參數(shù)

        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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(qū)時GPF的溫度一般達不到再生需求,且市區(qū)的頻繁起-停更容易產(chǎn)生碳煙,影響發(fā)動機的性能,因此需要調(diào)整發(fā)動機的運行模式,提升排溫,創(chuàng)造有利的再生環(huán)境。綜合考慮汽車的常用轉速,試驗將再生時發(fā)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(fā)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(chǎn)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(nèi)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(fā)現(xiàn),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(yōu)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(huán)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(huán)境處于最佳狀態(tài),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(nèi)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(yōu)于載體A,主要是因為載體B的平均中值孔徑較小、孔道內(nèi)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(nèi)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(nèi)部溫度

        由圖6可知:停止供油后,GPF內(nèi)部的溫度由正常的升溫可控變?yōu)橹笖?shù)上升的升溫失控狀態(tài),一段時間后,隨著碳煙的不斷再生,放熱量逐漸減少,內(nèi)部溫度逐漸降低;載體A在斷油后15 s出現(xiàn)峰值溫度,最高溫度出現(xiàn)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(xiàn)峰值溫度,同樣在測點4處,為974.5 ℃。載體A出現(xiàn)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(xù)再生,溫度持續(xù)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(xiàn)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(xiàn)靠近內(nèi)圈溫度最高、中圈次之、外圈溫度最低的規(guī)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)部溫度

        由圖7可知:載體A在斷油后33 s出現(xiàn)峰值溫度,在測點4處,為942.2 ℃,載體B在斷油后44 s出現(xiàn)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(nèi)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(nèi)部溫度的分布情況與2 g/L相似,都呈現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(xiàn)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?yōu)轱瀸樱d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(xiàn)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(xiàn)在測點12和測點8之間,為142.52 ℃/cm,最大溫度梯度均出現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(nèi)部的溫度變化和再生效率,為下一代GPF的使用提供了依據(jù)。

        1)載體B的再生速率和再生效率均優(yōu)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(nèi)部峰值溫度出現(xiàn)在載體中心靠近出口處,且溫度分布規(guī)律為徑向溫度呈現(xiàn)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(yōu)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(xiàn)在載體中心出口處,最大溫度梯度均出現(xiàn)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(xù)試驗會對載體極限碳載量的斷油再生進行進一步的研究。

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