缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī)GPF再生速率研究

楊永真

摘要：本文基于一款2.0L缸內(nèi)直噴增壓汽動(dòng)機(jī)，研究了GPF的再生速率與碳載量、GPF中心溫度、氧流量（廢氣中殘余的O2的質(zhì)量流量）之間的關(guān)系。結(jié)果表明：GPF再生速率與碳載量、GPF中心溫度、氧流量呈非線(xiàn)性的正相關(guān)趨勢(shì)。這同時(shí)表明，碳載量的增多、GPF中心溫度的升高及氧流量的升高，均促進(jìn)了GPF再生效率的提升。

Abstract： Based on a 2.0L direct injection turbocharged turbine， the relationship between regeneration rate of GPF and carbon load， center temperature of GPF and oxygen flow（mass flow of residual O2 in exhaust gas） rate is studied. The results show that the regeneration rate of GPF has a non-linear positive correlation with carbon load， GPF center temperature and oxygen flow rate. At the same time， it shows that the increase of carbon load， temperature of GPF center and oxygen flow rate all promote the regeneration efficiency of GPF.

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴增壓汽油機(jī);GPF;再生速率

0 ?引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人民群眾對(duì)高質(zhì)量環(huán)境的需求越來(lái)越高，國(guó)VI排放法規(guī)GB 18352.6-2016輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（國(guó)六階段）應(yīng)運(yùn)而生，明確規(guī)定了相應(yīng)車(chē)輛的顆粒物排放限值，且對(duì)PM和PN分別作出明確要求。與此同時(shí)，大量試驗(yàn)研究表明，GDI汽油機(jī)顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量明顯高于傳統(tǒng)的氣道噴射汽油機(jī)。目前業(yè)內(nèi)針對(duì)此問(wèn)題已采取的普遍的做法為燃燒系統(tǒng)、供油系統(tǒng)及燃燒參數(shù)，對(duì)降低顆粒物的排放有了一定的效果。由于目前法規(guī)更為嚴(yán)苛，GPF亦已成為各大主機(jī)廠(chǎng)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)之一，開(kāi)展GDI汽油機(jī)的GPF研究也是相當(dāng)重要的。

本文基于一臺(tái)常見(jiàn)2.0L GDIT發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)其配置的GPF再生特性進(jìn)行了一定的研究。

1 ?試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)基礎(chǔ)

以某2.0L GDIT汽油機(jī)為基礎(chǔ)搭建臺(tái)架，臺(tái)架設(shè)備及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1，臺(tái)架布置如圖1所示。

1.2 GPF的再生

GPF使用一段時(shí)間之后，碳煙顆粒物會(huì)GPF內(nèi)部微孔表面形成PM層，此時(shí)GPF捕集效率會(huì)得到一定的提升，但是排氣阻力會(huì)升高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，熱效率下降，油耗升高，此時(shí)為了節(jié)約成本，避免更換GPF，使其進(jìn)行再生處理。

GPF再生受以下幾點(diǎn)因素影響：GPF內(nèi)部已捕集的碳煙顆粒物的總量、排氣通過(guò)GPF時(shí)的溫度及氧流量。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 研究再生速率與GPF中心溫度及氧流量的關(guān)系的試驗(yàn)方法

①激活全新的空載GPF，確認(rèn)GPF基準(zhǔn)質(zhì)量;

②將激活成功后的空載GPF進(jìn)行累碳。累碳質(zhì)量為5g，偏差不超過(guò)±0.5g;

③將含有碳載量的GPF安裝完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷進(jìn)行暖機(jī)，使水溫達(dá)到80℃以上，暖機(jī)過(guò)程需調(diào)整空燃比稍濃至0.97;

④調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況，使GPF中心溫度達(dá)到目標(biāo)溫度;

⑤調(diào)整空燃比，使氧流量達(dá)到目標(biāo)氧流量;

⑥再生完成后，拆卸稱(chēng)重;

⑦通過(guò)精度較高的天平稱(chēng)重GPF再生一定時(shí)間（GPF再生完成后剩余碳載量為1-2g）前后的質(zhì)量，確定燃燒速率。

1.3.2 研究極限再生燃燒速率與碳載量的關(guān)系的試驗(yàn)方法

①激活全新的空載GPF，確認(rèn)GPF基準(zhǔn)質(zhì)量;

②將激活成功后的空載GPF進(jìn)行累碳至最大碳載量8g，偏差不超過(guò)±0.5g;

③將含有碳載量的GPF安裝完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷進(jìn)行暖機(jī)，使水溫達(dá)到80℃以上，暖機(jī)過(guò)程需調(diào)整空燃比稍濃至0.97;

④調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況，使GPF中心溫度達(dá)到800℃;

⑤調(diào)整空燃比，使lambda=1.1，再生5s;

⑥拆卸稱(chēng)重，計(jì)算再生速率;

⑦重復(fù)⑤和⑥直至GPF碳載量小于1g。

2 ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生速率與GPF中心溫度及氧流量的關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于1.3.1試驗(yàn)方法開(kāi)展試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

2.1.2 結(jié)果分析

由圖2可看出，在氧流量為0mg時(shí)，由于沒(méi)有氧含量，GPF所載碳量不能發(fā)生燃燒，GPF不能再生;隨著GPF中心溫度的升高，GPF再生時(shí)的燃燒速率隨之加快，再生速率與GPF中心溫度呈正相關(guān)趨勢(shì);隨著氧流量的增加，GPF再生時(shí)的燃燒速率隨之加快，與GPF中心溫度亦呈正相關(guān)趨勢(shì)。

2.2 極限再生燃燒速率與GPF碳載量的關(guān)系

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于1.3.2試驗(yàn)方法開(kāi)展試驗(yàn)，計(jì)算得到再生速率如表3所示。

2.2.2 結(jié)果分析

由圖3可看出，在保證GPF不損壞的極限邊界條件下，GPF再生燃燒速率與碳載量呈正相關(guān)趨勢(shì);且當(dāng)GPF碳載量大于4g時(shí)，燃燒速率與碳載量幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘鎖柱，宋崇林，裴毅強(qiáng)，等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒物粒徑分布特性[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2013，46（7）：629-634.

[2]李配楠，程曉章，駱洪燕，等.基于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2017，34（1）：1-5.

[3]溫吉輝，滕勤.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）技術(shù)研究進(jìn)展[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2016，48（1）：85-87.

[4]GB 18352.6-2016，輕型汽車(chē)污染物排放限值和測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[5]角井啓，A.Kufferath，R.Busch，等.歐6直噴汽油機(jī)的挑戰(zhàn)及對(duì)可行性解決方案的評(píng)價(jià)[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)，2014，46（6）：9-13.

[6]朱小慧，陳鵬，方俊華.燃料特性和工況對(duì)直噴汽油機(jī)微粒排放的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（1）：69-75.