南 征，李 楠，張秋實，伊藤雅晃，毛星燁，華 倫

(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)

汽油機分為進氣道噴射(PFI)和缸內直噴(GDI)汽油機兩種，GDI汽油機由于具有較高的燃油經(jīng)濟性，在世界范圍內得到廣泛應用[1-2]，但其混合氣不均勻，導致尾氣中的顆粒物排放對人體健康造成潛在危害[3-4]．國Ⅵ法規(guī)實施以來，對汽油機顆粒物的排放進行了嚴格限制，要滿足國Ⅵ法規(guī)的排放要求，需在汽油機上安裝汽油機顆粒捕集器[5-6](GPF)．

安裝GPF后，車輛長時間行駛會導致GPF中的顆粒物逐漸增多，適量的顆粒物會使捕集器的捕集效率提升，但當顆粒物累積較多時，排氣管中會出現(xiàn)節(jié)流效應，排氣流動阻力增大，從而影響發(fā)動機的經(jīng)濟性及動力性，因而需要對GPF進行再生，使顆粒物氧化成CO2排出[7]．再生一般分為主動再生和被動再生，其中被動再生不需要發(fā)動機主動控制運行參數(shù)，當發(fā)動機發(fā)生減速斷油(DFCO)且達到再生溫度時，即可觸發(fā)被動再生．減速斷油工況對載體的再生溫度和碳煙數(shù)量有較高要求，過高的溫度會導致GPF內部顆粒迅速燃燒，產(chǎn)生的高溫沖擊會對載體結構造成損壞．堇青石載體最高耐受溫度為1100℃以下，理想的再生溫度大多為600～900℃，超過耐受溫度是禁止再生的[8]．為了保證GPF再生時的安全性，需分析GPF內部的溫度分布情況．

減速斷油作為再生的常見手段，在汽車高速行駛時松開踏板，發(fā)動機逐漸進入怠速，此時大量空氣進入GPF引發(fā)后燃，導致GPF溫度急劇升高，載體會在瞬時承受較高的溫度[9]．已有學者通過研究燃油切斷的方式對載體進行耐高溫檢測．Feng等[10]通過開發(fā)一種燃油切斷測試程序，通過熱電偶測得GPF內的最高溫度，結果表明：GPF中心溫度的升高隨入口溫度呈指數(shù)變化．范明哲等[11]通過熱電偶測量了GPF主動及被動再生策略的載體內部溫度，發(fā)現(xiàn)同一溫度下斷油，碳載量越多，GPF的瞬時最大溫度越大．宗明等[12]分析了GPF對發(fā)動機凈功率的影響，結果表明：采用斷油活化的方法實現(xiàn)再生，可有效解決排氣背壓變化對發(fā)動機凈功率的影響．Konstandopoulos等[13]研究發(fā)現(xiàn)，DPF中碳煙分布不均勻會直接影響DPF再生時的溫度場分布.

目前國內關于GPF的斷油再生研究較少，大量的斷油再生研究主要集中在DPF中[14-15]．基于此，筆者通過DFCO的方法研究在不同碳載量及GPF入口溫度下GPF內部的溫度分布，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 試驗裝置及方法

1.1 試驗設備

試驗用發(fā)動機為1.5L缸內直噴增壓發(fā)動機，表1為主要技術參數(shù)，使用的后處理為緊耦合式三元催 化轉換器(TWC)＋GPF，GPF的直徑為118.4mm，長為127.0mm，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19μm和15μm．臺架及相關測試設備如表2所示．

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)Tab.1 Engine specifications

表2 主要測試設備Tab.2 Main text equipments

1.2 GPF碳煙加載

試驗中GPF的碳煙通過加濃空燃比的方式進行加載，將空燃比調至0.98，降低軌壓，使燃油霧化不充分，從而實現(xiàn)快速加載碳煙．試驗過程中怠速階段均由電力測功機帶動運行．孟忠偉等[16]研究發(fā)現(xiàn)，過渡段長度的不同會導致載體內部碳煙的沉積發(fā)生變化，當過渡段長度為0～10cm時，載體中心區(qū)域沉積的碳煙顆粒較多，隨著過渡段長度的增加，碳煙沉積趨向均勻．筆者將GPF與排氣管之間通過錐形變徑連接，充當其過渡段區(qū)域，該形狀使得載體中心區(qū)域碳煙沉積較多，向邊緣方向逐漸減少．圖1為GPF碳煙加載前、后對比，誤差為±0.3g，采用的稱重設備為高精度電子秤，稱取質量前，將GPF置于馬弗爐中250℃下保溫，避免不同溫度帶來的質量誤差．

圖1 GPF加載碳煙前、后對比Fig.1 Contrast of GPF with and without soot loading

1.3 GPF內部熱電偶布置

由于GPF載體內部溫度分布不均勻，需要在GPF內部徑向及軸向位置布置多個熱電偶．結合載體供應商的要求，試驗時熱電偶的測點布置方案如圖2所示．由于載體為軸對稱，因而只需在GPF的一側進行測量即可，在徑向端面布置7根熱電偶，兩兩之間距離為9.0mm；在軸向端面布置4根熱電偶，第一個端面距離載體入口端面為7.5mm，其余端面均與上一個端面等距(37.3mm)布置．

圖2 GPF內部熱電偶分布示意Fig.2 Schematic of thermocouples distribution in GPF

筆者在不同碳載量和溫度下對比兩種載體減速斷油再生特性，通過研究不同碳載量下GPF在減速斷油時的載體內部溫度變化，判斷兩種載體的性能差異以及最大碳載量限值．通過控制目標再生溫度進一步分析載體內部可能出現(xiàn)的最高溫度及溫度梯度 的分布規(guī)律．

2 試驗結果與討論

2.1 不同碳載量下的再生性能

2.1.1 碳載量為3g/L時的再生性能

分別對兩個載體加載3g/L碳煙，通過增加噴油的方式在GPF入口溫度達到600℃時對發(fā)動機進行斷油再生研究，圖3為GPF內部各測點的溫度變化．在相同碳載量下，將GPF入口溫度提升至650℃后進行斷油再生，載體內部的溫度分布如圖4所示．

圖4 碳載量為3g/L、GPF入口溫度為650℃時兩種載體內部溫度Fig.4 Internal temperature of two carriers with soot loading of 3g/L and GPF inlet temperature of 650℃

圖3中，前兩個載體內部的溫度呈可控增加，斷油瞬間大量空氣進入載體，使載體內部溫度呈不可控的指數(shù)式增加，到達峰值溫度后又呈指數(shù)式下降的趨勢．期間，載體A的最高溫度出現(xiàn)在測點12處，為 816.4℃，載體B的最高溫度出現(xiàn)在測點8處，為860.1℃．碳煙加載過程中，碳煙主要集中在載體中間位置，再生時中間位置反應較為激烈，而邊緣部分加載的碳煙量較少，且再生期間邊緣部分與外界直接接觸，導致散熱較快，因而載體中間部位較易產(chǎn)生最高溫度，會使載體邊緣部分與載體中間部分產(chǎn)生較大的溫度梯度．載體A和B的最大徑向溫度梯度均出現(xiàn)在測點27和23處，分別為193.4℃/cm和150.7℃/cm．可知，載體內部溫度呈中心高于邊緣、出口溫度高于入口溫度且靠近載體出口溫度最高的趨勢，這是由于碳煙在中心位置沉積較多，觸發(fā)再生后，碳煙在燃燒時產(chǎn)生的熱量會隨排氣氣流向載體末端傳遞，由于排氣氣流較小，不能迅速排出，從而在出口處形成熱量聚集，且中心溫度散熱沒有邊緣處迅速，因而載體靠近出口的位置更易產(chǎn)生較高的溫度．

圖3 碳載量為3g/L、GPF入口溫度為600℃時兩種載體內部溫度Fig.3 Internal temperature of two carriers with soot loading of 3g/L and GPF inlet temperature of 600℃

圖4中，在650℃下減速斷油再生時，載體A的最高溫度在測點15處，為950.7℃，載體B的最高溫度出現(xiàn)在測點12，為1005.9℃．與GPF入口溫度為600℃相比，在650℃時載體的最高溫度增加非常明顯，其中載體A的最大徑向溫度梯度在測點27和23之間，為330.8℃/cm，載體B的最大徑向溫度同樣在測點27和23之間，為299.9℃/cm．

在碳載量為3g/L下斷油再生時，載體B的峰值溫度高于載體A，但最大徑向溫度梯度比載體A低．可知，GPF碳載量為3g/L、GPF入口溫度為650℃以下時載體內部的峰值溫度和最大溫度梯度均未超過載體的安全再生限值，不會對載體造成損壞．

2.1.2 碳載量為4g/L時的再生性能

將碳載量增加至4g/L，在600℃下進行斷油再生時兩種載體的內部溫度場變化如圖5所示．載體A最高溫度出現(xiàn)在測點12處，為964.5℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點27和23之間，為309℃/cm．載體B最高溫度出現(xiàn)在測點12處，為951℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點28和24之間，為249.9 ℃/cm．可見在同一GPF入口溫度下，隨著碳載量的升高，載體的峰值溫度會隨之增高．

圖5 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為600℃時兩種載體內部溫度Fig.5 Internal temperature of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 600℃

載體在斷油后峰值溫度均出現(xiàn)在載體出口端面且靠近載體中心位置處，這主要是因為載體入口變徑對氣流的影響，中間位置碳加載較多，因而觸發(fā)再生時，載體中間位置的碳煙迅速反應使載體在中間位置靠近出口處產(chǎn)生更高的溫度．

相同碳載量下，將目標溫度提升至650℃時對載 體B進行斷油再生，如圖6所示．載體內部的最高溫度出現(xiàn)在測點12處，為1098.3℃，最大徑向溫度梯度在測點26和22之間，為343℃/cm．此外，在GPF 后端面的測點3、4、7、8、11、15、16及測點18處的溫度均超過1000℃，與碳載量為3g/L時再生相似，載體前端顆粒物氧化放熱經(jīng)排氣將熱量輸送至載體后端形成熱量聚集，從而促進了載體后端的碳煙氧化，使其后端溫度更高．

圖6 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為650℃時載體B內部溫度Fig.6 Internal temperature of the GPF-B with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 650℃

可見，隨著碳載量和GPF入口溫度升高，載體內部各測點的峰值溫度和溫度梯度均有所提升，但該碳載量下斷油再生時不會出現(xiàn)載體損壞的風險．

2.1.3 碳載量為6g/L時的再生性能

將碳載量增加至6g/L，在600℃時進行斷油再生，再生時GPF內部溫度分布如圖7所示．載體A最高溫度在測點15處，為1135℃，最大溫度梯度出現(xiàn)在測點26和22之間，為577.2℃/cm，此時載體內部最高溫度仍未超出載體所能承受的極限溫度，但徑向溫度梯度已超過堇青石載體所能承受的最大溫度梯度限值(550℃/cm)．載體B最高溫度出現(xiàn)在測點12處，最高溫度為1059℃，最大徑向溫度梯度在測點27和23之間，為447.8℃/cm．與之前的最大徑向溫度梯度結果相同，都是載體A溫度梯度高于載體B，且最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在載體靠近邊緣位置處．

圖7 碳載量為6g/L、GPF入口溫度為600℃時載體內部溫度Fig.7 Internal temperature of two carriers with soot loading of 6g/L and inlet temperature of 600℃

繼續(xù)在該碳載量下將GPF入口溫度增至650℃時進行斷油再生，再生時GPF內部溫度場如圖8所示，在此溫度下，載體A的最高溫度在測點15處達到1293.8℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點27和23之間，為602.9℃/cm．載體B的最高溫度同樣出現(xiàn)在測點15處，為1256.8℃，最大徑向溫度梯度也出現(xiàn)在測點27和23之間，為461.7℃/cm．在該工況下進行斷油再生時，兩種載體的峰值溫度均超過載體供應商給出的載體結構損壞極限溫度(1240℃)，其中載體A的最大徑向溫度梯度遠超過堇青石載體所能承受的極限溫度梯度，因而碳載量為6g/L、GPF入 口溫度為650℃時兩種載體均存在破裂的風險．

圖8 碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃時載體內部溫度Fig.8 Internal temperature of two carriers with soot loading of 6g/L and inlet temperature of 650℃

2.2 載體GPF入口溫度為700℃時溫度分布

圖9示出碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃下的載體內部溫度場分布．載體A的峰值溫度在測點12處最大(957.6℃)，最大溫度梯度出現(xiàn)在測點27和23之間(250.24℃/cm)．載體B的最高溫度出現(xiàn)在測點4處，為1021℃，最大溫度梯度同樣在測點27和23之間(272.3℃/cm)．在該溫度下再生時，盡管載體不存在損壞的風險，但此時載體B的最大溫度梯度已高出載體A．

圖9 碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時載體內部溫度Fig.9 Internal temperature of two carriers with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

將碳載量加載至4g/L，在700℃下進行高溫斷油試驗，如圖10所示．圖10a中，載體A的峰值溫度出現(xiàn)在測點15處(1168.4℃)，此外，測點19處的最高溫度與測點15處的最高溫度接近(1164.5℃)，載體內部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點26和22之間(385.43℃/cm)．圖10b中，載體B的峰值溫度出現(xiàn)在測點14處，最大溫度為1205℃，載體內部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測點26和22之間，為444.02℃/cm．

圖10 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時兩種載體內部溫度Fig.10 Internal temperature of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

GPF入口溫度為700℃下的載體內部溫度分布中，載體中部位置溫度高于載體外圈位置，出口處溫度高于入口溫度，同時載體B的最大徑向溫度梯度也已超過載體A．兩種載體的峰值溫度和最大徑向溫度梯度均未超過載體的溫度限值．但載體B的峰值溫度已接近載體的耐受溫度，再生時需關注．

2.3 兩種載體空間內部溫度場分布特性

由于氣流的影響，各測點出現(xiàn)峰值溫度的時間先后順序不同，為分析載體內部的溫度分布特性，筆者對比了載體出現(xiàn)最高溫度時刻時載體內部溫度場．

圖11示出碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時載體軸向和徑向位置溫度分布．軸向上，入口處低，中間和靠近出口位置高；徑向位置處，兩種GPF從載體中心到載體1/2R位置處溫度高，載體1/2R處出現(xiàn)最高溫度，向外圈時溫度逐漸降低．載體B溫 度明顯高于載體A，主要是因為載體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，此時大量的碳煙被捕集在載體的孔道內，使得載體B孔道內部單位體積累積的碳煙更多，斷油后大量空氣進入引發(fā)后燃，碳煙迅速燃燒產(chǎn)生熱量且不能及時向四周散去，從而導致載體B的最大溫度較高．

圖11 碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時載體內部溫度場Fig.11 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

圖12示出碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時兩種載體的溫度場分布．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．這是因為隨著碳載量的升高，載體B中的熱量不易擴散，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，使得載體導熱率較大，其載體內部熱傳導較快，載體內部溫度分布較均勻．

圖12 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時載體內部溫度場Fig.12 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

圖13示出碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃時兩種載體的溫度場分布．軸向方向，載體在中間靠出口處溫度達到最大，載體A溫度更高；徑向方向，載體溫度越接近邊緣，溫度越低．當碳載量為6g/L時，碳煙捕集已從深床捕集轉變?yōu)樘紵煂硬都d體孔道內部捕集的碳煙飽和，由于載體A孔徑較大，孔道內部承載的碳煙顆粒更多，再生發(fā)生后更多的碳煙參與反應放熱，使得載體A的溫度更高．一方面，由于碳煙加載過程中氣流的作用導致載體中心位置處碳載量更多，再生時釋放的熱量更多；另一方面，排氣氣流的作用使得載體后端熱量迅速排出，載體后端溫度略有降低，從而載體中間出現(xiàn)最高溫度．

圖13 碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃時載體內部溫度場Fig.13 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 6g/L and GPF inlet temperature of 650℃

2.4 不同碳載量時的溫升特性

圖14示出碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時兩種載體在出現(xiàn)最高溫度測點處的溫度及溫度升高率(TRR)．圖14a中，載體A在斷油后16s達到最高溫度，期間的最大溫度升高率在斷油后13s達到39.7℃/s，載體B在斷油后21s達到最高溫度，斷油后13s的TRR最大為35.3℃/s．這是因為載體B壁面上的中值孔徑較小，在小碳載量下載體B孔徑內部單位體積捕集更多的碳煙，氣流通過時阻礙較大，使得溫度在徑向方向的傳遞較弱，導致TRR較載體A有所降低．隨著排氣溫度的升高，由于載體A的升溫速率較大，期間溫度快速升高反應掉的碳煙較多，剩余PM氧化釋放熱量減少，最終載體內部的最高溫度有所降低．

圖14 碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時最高溫度及 TRRFig.14 Max temperature and TRR with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

圖15示出碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時兩種載體最高溫度和TRR，與碳載量為2g/L相比，兩種載體的最大溫度升高率均有所增加，載體A在斷油后30s升高到最高溫度，斷油后的13s溫度升高率最大達到71.4℃/s；載體B在斷油后13s升高到最高溫度，斷油后8s溫度升高率最大達到136.6℃/s．主要是隨著碳載量的增加，載體孔道內部碳煙含量增加，局部碳煙氧化釋放大量的熱量，由于載體B的孔徑小，熱量大量聚集在孔道內部，促進碳煙的再生，提高碳煙的再生速率，導致TRR增加．

圖15 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時最高溫度及TRRFig.15 Max temperature and TRR with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

圖16示出碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃下兩種載體的最高溫度及所在測點處的溫度升高率．載體A在斷油29s后達到最高溫度，斷油17s時溫度升高率達到最大值，為195.4℃/s，載體B在斷油24s后達到最高溫度，同樣在斷油17s溫度升高率達到最大值(136.2℃/s)．此時載體A的溫度升 高率相較于4g/L時明顯增加，但載體B變化不大，同時載體A溫度升高率明顯高于載體B，主要是由于此時碳載量增加，再生時釋放大量的熱量又促進再生，形成良性循環(huán)，使得峰值溫度升高．同時碳載量的升高放大了載體導熱性差的效果，碳載量的升高使得碳煙層壁面滲透率降低，造成孔道內氣流流通性較差，且載體A孔徑大使其承載更多數(shù)量的碳煙，再生時反應更加劇烈，因而載體A的溫度升高率出現(xiàn)明顯升高．

圖16 碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃時最高溫度及TRRFig.16 Max temperature and TRR with soot loading of 6g/L and GPF inlet temperature of 650℃

2.5 碳載量對載體最大溫度梯度的影響

在判斷載體能否安全再生時，除載體內部的最高溫度之外，最大溫度梯度也是主要影響因素之一．

圖17為不同溫度再生時的最大溫度梯度．隨著碳載量的增加，最大溫度梯度也隨之增加，同時，GPF入口溫度的增加也會導致溫度梯度增加．試驗時載體的最大溫度梯度多出現(xiàn)在測點27和23、測點28和24之間．當GPF入口溫度為600℃和650℃時，載體A的溫度梯度都高于載體B，GPF入口溫度為700℃時，載體B的溫度梯度高于載體A，且隨著碳載量的增加兩者的差距略有增加．GPF入口溫度為600℃和650℃時，載體A的最大溫度梯度分別達到577.2℃/cm和602.9℃/cm，超過了載體的耐受溫度梯度限值，再生時需重點關注邊緣位置處．

圖17 不同GPF入口溫度下再生過程中最大溫度梯度Fig.17 Maximum temperature gradient in regeneration process under different GPF inlet temperature

3 結 論

(1) 斷油發(fā)生后，兩種載體在各測點均先后出現(xiàn)峰值溫度，斷油后溫度先呈指數(shù)式快速上升，隨著碳煙的不斷燃燒，溫度逐漸下降且趨于平緩．

(2) 兩種載體在不同碳載量下進行斷油再生時，載體內部最高溫度多出現(xiàn)在半徑1/2R處，且靠近載體中后段處；軸向位置上入口溫度較低，靠近出口溫度高，徑向溫度呈靠近中心處溫度高、靠近載體邊緣溫度逐漸降低的趨勢，最大溫度梯度均出現(xiàn)在載體邊緣附近；載體B的最大溫度普遍高于載體A，但載體B的最大溫度梯度普遍低于載體A．

(3) 在碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃條件下進行減速斷油時，載體A和B內部的最高溫度分別為1293.8℃和1256.8℃，均超過載體的耐受溫度限值；載體A在碳載量為6g/L、兩種溫度下斷油再生時，最大溫度梯度均超過載體耐受梯度限值，但兩種載體均未發(fā)生明顯損壞，載體B在極限碳載量下的安全再生性能更優(yōu)．