汽油機(jī)顆粒捕集器再生時(shí)載體溫度特性研究

南 征，李 楠，張秋實(shí)，伊藤雅晃，毛星燁，華 倫

(1. 燕山大學(xué) 車(chē)輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066000；2. 清華大學(xué)蘇州汽車(chē)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(jī)分為進(jìn)氣道噴射(PFI)和缸內(nèi)直噴(GDI)汽油機(jī)兩種，GDI汽油機(jī)由于具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1-2]，但其混合氣不均勻，導(dǎo)致尾氣中的顆粒物排放對(duì)人體健康造成潛在危害[3-4]．國(guó)Ⅵ法規(guī)實(shí)施以來(lái)，對(duì)汽油機(jī)顆粒物的排放進(jìn)行了嚴(yán)格限制，要滿(mǎn)足國(guó)Ⅵ法規(guī)的排放要求，需在汽油機(jī)上安裝汽油機(jī)顆粒捕集器[5-6](GPF)．

安裝GPF后，車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間行駛會(huì)導(dǎo)致GPF中的顆粒物逐漸增多，適量的顆粒物會(huì)使捕集器的捕集效率提升，但當(dāng)顆粒物累積較多時(shí)，排氣管中會(huì)出現(xiàn)節(jié)流效應(yīng)，排氣流動(dòng)阻力增大，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性，因而需要對(duì)GPF進(jìn)行再生，使顆粒物氧化成CO2排出[7]．再生一般分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生，其中被動(dòng)再生不需要發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)控制運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生減速斷油(DFCO)且達(dá)到再生溫度時(shí)，即可觸發(fā)被動(dòng)再生．減速斷油工況對(duì)載體的再生溫度和碳煙數(shù)量有較高要求，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致GPF內(nèi)部顆粒迅速燃燒，產(chǎn)生的高溫沖擊會(huì)對(duì)載體結(jié)構(gòu)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(guò)耐受溫度是禁止再生的[8]．為了保證GPF再生時(shí)的安全性，需分析GPF內(nèi)部的溫度分布情況．

減速斷油作為再生的常見(jiàn)手段，在汽車(chē)高速行駛時(shí)松開(kāi)踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸進(jìn)入怠速，此時(shí)大量空氣進(jìn)入GPF引發(fā)后燃，導(dǎo)致GPF溫度急劇升高，載體會(huì)在瞬時(shí)承受較高的溫度[9]．已有學(xué)者通過(guò)研究燃油切斷的方式對(duì)載體進(jìn)行耐高溫檢測(cè)．Feng等[10]通過(guò)開(kāi)發(fā)一種燃油切斷測(cè)試程序，通過(guò)熱電偶測(cè)得GPF內(nèi)的最高溫度，結(jié)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(guò)熱電偶測(cè)量了GPF主動(dòng)及被動(dòng)再生策略的載體內(nèi)部溫度，發(fā)現(xiàn)同一溫度下斷油，碳載量越多，GPF的瞬時(shí)最大溫度越大．宗明等[12]分析了GPF對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率的影響，結(jié)果表明：采用斷油活化的方法實(shí)現(xiàn)再生，可有效解決排氣背壓變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)直接影響DPF再生時(shí)的溫度場(chǎng)分布.

目前國(guó)內(nèi)關(guān)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(guò)DFCO的方法研究在不同碳載量及GPF入口溫度下GPF內(nèi)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(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5L缸內(nèi)直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，表1為主要技術(shù)參數(shù)，使用的后處理為緊耦合式三元催 化轉(zhuǎn)換器(TWC)＋GPF，GPF的直徑為118.4mm，長(zhǎng)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(guó)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(tái)架及相關(guān)測(cè)試設(shè)備如表2所示．

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Engine specifications

表2 主要測(cè)試設(shè)備Tab.2 Main text equipments

1.2 GPF碳煙加載

試驗(yàn)中GPF的碳煙通過(guò)加濃空燃比的方式進(jìn)行加載，將空燃比調(diào)至0.98，降低軌壓，使燃油霧化不充分，從而實(shí)現(xiàn)快速加載碳煙．試驗(yàn)過(guò)程中怠速階段均由電力測(cè)功機(jī)帶動(dòng)運(yùn)行．孟忠偉等[16]研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡段長(zhǎng)度的不同會(huì)導(dǎo)致載體內(nèi)部碳煙的沉積發(fā)生變化，當(dāng)過(guò)渡段長(zhǎng)度為0～10cm時(shí)，載體中心區(qū)域沉積的碳煙顆粒較多，隨著過(guò)渡段長(zhǎng)度的增加，碳煙沉積趨向均勻．筆者將GPF與排氣管之間通過(guò)錐形變徑連接，充當(dāng)其過(guò)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(duì)比，誤差為±0.3g，采用的稱(chēng)重設(shè)備為高精度電子秤，稱(chēng)取質(zhì)量前，將GPF置于馬弗爐中250℃下保溫，避免不同溫度帶來(lái)的質(zhì)量誤差．

圖1 GPF加載碳煙前、后對(duì)比Fig.1 Contrast of GPF with and without soot loading

1.3 GPF內(nèi)部熱電偶布置

由于GPF載體內(nèi)部溫度分布不均勻，需要在GPF內(nèi)部徑向及軸向位置布置多個(gè)熱電偶．結(jié)合載體供應(yīng)商的要求，試驗(yàn)時(shí)熱電偶的測(cè)點(diǎn)布置方案如圖2所示．由于載體為軸對(duì)稱(chēng)，因而只需在GPF的一側(cè)進(jìn)行測(cè)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(gè)端面距離載體入口端面為7.5mm，其余端面均與上一個(gè)端面等距(37.3mm)布置．

圖2 GPF內(nèi)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(duì)比兩種載體減速斷油再生特性，通過(guò)研究不同碳載量下GPF在減速斷油時(shí)的載體內(nèi)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(guò)控制目標(biāo)再生溫度進(jìn)一步分析載體內(nèi)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(yàn)結(jié)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(shí)的再生性能

分別對(duì)兩個(gè)載體加載3g/L碳煙，通過(guò)增加噴油的方式在GPF入口溫度達(dá)到600℃時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷油再生研究，圖3為GPF內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度變化．在相同碳載量下，將GPF入口溫度提升至650℃后進(jìn)行斷油再生，載體內(nèi)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(shí)兩種載體內(nèi)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(gè)載體內(nèi)部的溫度呈可控增加，斷油瞬間大量空氣進(jìn)入載體，使載體內(nèi)部溫度呈不可控的指數(shù)式增加，到達(dá)峰值溫度后又呈指數(shù)式下降的趨勢(shì)．期間，載體A的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)12處，為 816.4℃，載體B的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)8處，為860.1℃．碳煙加載過(guò)程中，碳煙主要集中在載體中間位置，再生時(shí)中間位置反應(yīng)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(dǎo)致散熱較快，因而載體中間部位較易產(chǎn)生最高溫度，會(huì)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(cè)點(diǎn)27和23處，分別為193.4℃/cm和150.7℃/cm．可知，載體內(nèi)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(shì)，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(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)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(méi)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(shí)兩種載體內(nèi)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(shí)，載體A的最高溫度在測(cè)點(diǎn)15處，為950.7℃，載體B的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)12，為1005.9℃．與GPF入口溫度為600℃相比，在650℃時(shí)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(cè)點(diǎn)27和23之間，為330.8℃/cm，載體B的最大徑向溫度同樣在測(cè)點(diǎn)27和23之間，為299.9℃/cm．

在碳載量為3g/L下斷油再生時(shí)，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(shí)載體內(nèi)部的峰值溫度和最大溫度梯度均未超過(guò)載體的安全再生限值，不會(huì)對(duì)載體造成損壞．

2.1.2 碳載量為4g/L時(shí)的再生性能

將碳載量增加至4g/L，在600℃下進(jìn)行斷油再生時(shí)兩種載體的內(nèi)部溫度場(chǎng)變化如圖5所示．載體A最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)12處，為964.5℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23之間，為309℃/cm．載體B最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)12處，為951℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)28和24之間，為249.9 ℃/cm．可見(jiàn)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(huì)隨之增高．

圖5 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為600℃時(shí)兩種載體內(nèi)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?yàn)檩d體入口變徑對(duì)氣流的影響，中間位置碳加載較多，因而觸發(fā)再生時(shí)，載體中間位置的碳煙迅速反應(yīng)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(biāo)溫度提升至650℃時(shí)對(duì)載 體B進(jìn)行斷油再生，如圖6所示．載體內(nèi)部的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)12處，為1098.3℃，最大徑向溫度梯度在測(cè)點(diǎn)26和22之間，為343℃/cm．此外，在GPF 后端面的測(cè)點(diǎn)3、4、7、8、11、15、16及測(cè)點(diǎn)18處的溫度均超過(guò)1000℃，與碳載量為3g/L時(shí)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(jìn)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(shí)載體B內(nèi)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(jiàn)，隨著碳載量和GPF入口溫度升高，載體內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)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(shí)不會(huì)出現(xiàn)載體損壞的風(fēng)險(xiǎn)．

2.1.3 碳載量為6g/L時(shí)的再生性能

將碳載量增加至6g/L，在600℃時(shí)進(jìn)行斷油再生，再生時(shí)GPF內(nèi)部溫度分布如圖7所示．載體A最高溫度在測(cè)點(diǎn)15處，為1135℃，最大溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)26和22之間，為577.2℃/cm，此時(shí)載體內(nèi)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(guò)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(cè)點(diǎn)12處，最高溫度為1059℃，最大徑向溫度梯度在測(cè)點(diǎn)27和23之間，為447.8℃/cm．與之前的最大徑向溫度梯度結(jié)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(shí)載體內(nèi)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(shí)進(jìn)行斷油再生，再生時(shí)GPF內(nèi)部溫度場(chǎng)如圖8所示，在此溫度下，載體A的最高溫度在測(cè)點(diǎn)15處達(dá)到1293.8℃，最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23之間，為602.9℃/cm．載體B的最高溫度同樣出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)15處，為1256.8℃，最大徑向溫度梯度也出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23之間，為461.7℃/cm．在該工況下進(jìn)行斷油再生時(shí)，兩種載體的峰值溫度均超過(guò)載體供應(yīng)商給出的載體結(jié)構(gòu)損壞極限溫度(1240℃)，其中載體A的最大徑向溫度梯度遠(yuǎn)超過(guò)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(shí)兩種載體均存在破裂的風(fēng)險(xiǎn)．

圖8 碳載量為6g/L、GPF入口溫度為650℃時(shí)載體內(nèi)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(shí)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(nèi)部溫度場(chǎng)分布．載體A的峰值溫度在測(cè)點(diǎn)12處最大(957.6℃)，最大溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23之間(250.24℃/cm)．載體B的最高溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4處，為1021℃，最大溫度梯度同樣在測(cè)點(diǎn)27和23之間(272.3℃/cm)．在該溫度下再生時(shí)，盡管載體不存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但此時(shí)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(shí)載體內(nèi)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(jìn)行高溫?cái)嘤驮囼?yàn)，如圖10所示．圖10a中，載體A的峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)15處(1168.4℃)，此外，測(cè)點(diǎn)19處的最高溫度與測(cè)點(diǎn)15處的最高溫度接近(1164.5℃)，載體內(nèi)部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)26和22之間(385.43℃/cm)．圖10b中，載體B的峰值溫度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)14處，最大溫度為1205℃，載體內(nèi)部的最大徑向溫度梯度出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)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(shí)兩種載體內(nèi)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(nèi)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(shí)載體B的最大徑向溫度梯度也已超過(guò)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(guò)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(shí)需關(guān)注．

2.3 兩種載體空間內(nèi)部溫度場(chǎng)分布特性

由于氣流的影響，各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)峰值溫度的時(shí)間先后順序不同，為分析載體內(nèi)部的溫度分布特性，筆者對(duì)比了載體出現(xiàn)最高溫度時(shí)刻時(shí)載體內(nèi)部溫度場(chǎng)．

圖11示出碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時(shí)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(shí)溫度逐漸降低．載體B溫 度明顯高于載體A，主要是因?yàn)檩d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(shí)大量的碳煙被捕集在載體的孔道內(nèi)，使得載體B孔道內(nèi)部單位體積累積的碳煙更多，斷油后大量空氣進(jìn)入引發(fā)后燃，碳煙迅速燃燒產(chǎn)生熱量且不能及時(shí)向四周散去，從而導(dǎo)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(shí)載體內(nèi)部溫度場(chǎng)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(shí)兩種載體的溫度場(chǎng)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?yàn)殡S著碳載量的升高，載體B中的熱量不易擴(kuò)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(dǎo)熱率較大，其載體內(nèi)部熱傳導(dǎo)較快，載體內(nèi)部溫度分布較均勻．

圖12 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時(shí)載體內(nèi)部溫度場(chǎng)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(shí)兩種載體的溫度場(chǎng)分布．軸向方向，載體在中間靠出口處溫度達(dá)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(dāng)碳載量為6g/L時(shí)，碳煙捕集已從深床捕集轉(zhuǎn)變?yōu)樘紵煂硬都?，載體孔道內(nèi)部捕集的碳煙飽和，由于載體A孔徑較大，孔道內(nèi)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(yīng)放熱，使得載體A的溫度更高．一方面，由于碳煙加載過(guò)程中氣流的作用導(dǎo)致載體中心位置處碳載量更多，再生時(shí)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(shí)載體內(nèi)部溫度場(chǎng)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(shí)的溫升特性

圖14示出碳載量為2g/L、GPF入口溫度為700℃時(shí)兩種載體在出現(xiàn)最高溫度測(cè)點(diǎn)處的溫度及溫度升高率(TRR)．圖14a中，載體A在斷油后16s達(dá)到最高溫度，期間的最大溫度升高率在斷油后13s達(dá)到39.7℃/s，載體B在斷油后21s達(dá)到最高溫度，斷油后13s的TRR最大為35.3℃/s．這是因?yàn)檩d體B壁面上的中值孔徑較小，在小碳載量下載體B孔徑內(nèi)部單位體積捕集更多的碳煙，氣流通過(guò)時(shí)阻礙較大，使得溫度在徑向方向的傳遞較弱，導(dǎo)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(yīng)掉的碳煙較多，剩余PM氧化釋放熱量減少，最終載體內(nèi)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(shí)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(shí)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(dá)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(dá)到136.6℃/s．主要是隨著碳載量的增加，載體孔道內(nèi)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(nèi)部，促進(jìn)碳煙的再生，提高碳煙的再生速率，導(dǎo)致TRR增加．

圖15 碳載量為4g/L、GPF入口溫度為700℃時(shí)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(cè)點(diǎn)處的溫度升高率．載體A在斷油29s后達(dá)到最高溫度，斷油17s時(shí)溫度升高率達(dá)到最大值，為195.4℃/s，載體B在斷油24s后達(dá)到最高溫度，同樣在斷油17s溫度升高率達(dá)到最大值(136.2℃/s)．此時(shí)載體A的溫度升 高率相較于4g/L時(shí)明顯增加，但載體B變化不大，同時(shí)載體A溫度升高率明顯高于載體B，主要是由于此時(shí)碳載量增加，再生時(shí)釋放大量的熱量又促進(jìn)再生，形成良性循環(huán)，使得峰值溫度升高．同時(shí)碳載量的升高放大了載體導(dǎo)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(nèi)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(shí)反應(yīng)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(shí)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(duì)載體最大溫度梯度的影響

在判斷載體能否安全再生時(shí)，除載體內(nèi)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(shí)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(shí)，GPF入口溫度的增加也會(huì)導(dǎo)致溫度梯度增加．試驗(yàn)時(shí)載體的最大溫度梯度多出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)27和23、測(cè)點(diǎn)28和24之間．當(dāng)GPF入口溫度為600℃和650℃時(shí)，載體A的溫度梯度都高于載體B，GPF入口溫度為700℃時(shí)，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(shí)，載體A的最大溫度梯度分別達(dá)到577.2℃/cm和602.9℃/cm，超過(guò)了載體的耐受溫度梯度限值，再生時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注邊緣位置處．

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

3 結(jié) 論

(1) 斷油發(fā)生后，兩種載體在各測(cè)點(diǎn)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(jìn)行斷油再生時(shí)，載體內(nèi)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(shì)，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(jìn)行減速斷油時(shí)，載體A和B內(nèi)部的最高溫度分別為1293.8℃和1256.8℃，均超過(guò)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(shí)，最大溫度梯度均超過(guò)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)．