汽油机颗粒捕集器再生时载体温度特性研究

南 征，李 楠，张秋实，伊藤雅晃，毛星烨，华 伦

(1. 燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000；2. 清华大学苏州汽车研究院，江苏 苏州 215000； 3. NGK环保陶瓷有限公司，上海 200336)

汽油机分为进气道喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)汽油机两种，GDI汽油机由于具有较高的燃油经济性，在世界范围内得到广泛应用[1-2]，但其混合气不均匀，导致尾气中的颗粒物排放对人体健康造成潜在危害[3-4]．国Ⅵ法规实施以来，对汽油机颗粒物的排放进行了严格限制，要满足国Ⅵ法规的排放要求，需在汽油机上安装汽油机颗粒捕集器[5-6](GPF)．

安装GPF后，车辆长时间行驶会导致GPF中的颗粒物逐渐增多，适量的颗粒物会使捕集器的捕集效率提升，但当颗粒物累积较多时，排气管中会出现节流效应，排气流动阻力增大，从而影响发动机的经济性及动力性，因而需要对GPF进行再生，使颗粒物氧化成CO2排出[7]．再生一般分为主动再生和被动再生，其中被动再生不需要发动机主动控制运行参数，当发动机发生减速断油(DFCO)且达到再生温度时，即可触发被动再生．减速断油工况对载体的再生温度和碳烟数量有较高要求，过高的温度会导致GPF内部颗粒迅速燃烧，产生的高温冲击会对载体结构造成损坏．堇青石载体最高耐受温度为1100℃以下，理想的再生温度大多为600～900℃，超过耐受温度是禁止再生的[8]．为了保证GPF再生时的安全性，需分析GPF内部的温度分布情况．

减速断油作为再生的常见手段，在汽车高速行驶时松开踏板，发动机逐渐进入怠速，此时大量空气进入GPF引发后燃，导致GPF温度急剧升高，载体会在瞬时承受较高的温度[9]．已有学者通过研究燃油切断的方式对载体进行耐高温检测．Feng等[10]通过开发一种燃油切断测试程序，通过热电偶测得GPF内的最高温度，结果表明：GPF中心温度的升高随入口温度呈指数变化．范明哲等[11]通过热电偶测量了GPF主动及被动再生策略的载体内部温度，发现同一温度下断油，碳载量越多，GPF的瞬时最大温度越大．宗明等[12]分析了GPF对发动机净功率的影响，结果表明：采用断油活化的方法实现再生，可有效解决排气背压变化对发动机净功率的影响．Konstandopoulos等[13]研究发现，DPF中碳烟分布不均匀会直接影响DPF再生时的温度场分布.

目前国内关于GPF的断油再生研究较少，大量的断油再生研究主要集中在DPF中[14-15]．基于此，笔者通过DFCO的方法研究在不同碳载量及GPF入口温度下GPF内部的温度分布，探讨GPF在DFCO工况下再生的安全性，以期为后续GPF的再生和下一代GPF的使用提供参考．

1 试验装置及方法

1.1 试验设备

试验用发动机为1.5L缸内直喷增压发动机，表1为主要技术参数，使用的后处理为紧耦合式三元催 化转换器(TWC)＋GPF，GPF的直径为118.4mm，长为127.0mm，具有相同的孔隙率，两种载体使用相同的催化剂涂覆，分别为目前国Ⅵ在用的GPF(载体A)和下一代GPF(载体B)，中值孔径分别为19µm和15µm．台架及相关测试设备如表2所示．

表1 发动机主要技术参数Tab.1 Engine specifications

表2 主要测试设备Tab.2 Main text equipments

1.2 GPF碳烟加载

试验中GPF的碳烟通过加浓空燃比的方式进行加载，将空燃比调至0.98，降低轨压，使燃油雾化不充分，从而实现快速加载碳烟．试验过程中怠速阶段均由电力测功机带动运行．孟忠伟等[16]研究发现，过渡段长度的不同会导致载体内部碳烟的沉积发生变化，当过渡段长度为0～10cm时，载体中心区域沉积的碳烟颗粒较多，随着过渡段长度的增加，碳烟沉积趋向均匀．笔者将GPF与排气管之间通过锥形变径连接，充当其过渡段区域，该形状使得载体中心区域碳烟沉积较多，向边缘方向逐渐减少．图1为GPF碳烟加载前、后对比，误差为±0.3g，采用的称重设备为高精度电子秤，称取质量前，将GPF置于马弗炉中250℃下保温，避免不同温度带来的质量误差．

图1 GPF加载碳烟前、后对比Fig.1 Contrast of GPF with and without soot loading

1.3 GPF内部热电偶布置

由于GPF载体内部温度分布不均匀，需要在GPF内部径向及轴向位置布置多个热电偶．结合载体供应商的要求，试验时热电偶的测点布置方案如图2所示．由于载体为轴对称，因而只需在GPF的一侧进行测量即可，在径向端面布置7根热电偶，两两之间距离为9.0mm；在轴向端面布置4根热电偶，第一个端面距离载体入口端面为7.5mm，其余端面均与上一个端面等距(37.3mm)布置．

图2 GPF内部热电偶分布示意Fig.2 Schematic of thermocouples distribution in GPF

笔者在不同碳载量和温度下对比两种载体减速断油再生特性，通过研究不同碳载量下GPF在减速断油时的载体内部温度变化，判断两种载体的性能差异以及最大碳载量限值．通过控制目标再生温度进一步分析载体内部可能出现的最高温度及温度梯度 的分布规律．

2 试验结果与讨论

2.1 不同碳载量下的再生性能

2.1.1 碳载量为3g/L时的再生性能

分别对两个载体加载3g/L碳烟，通过增加喷油的方式在GPF入口温度达到600℃时对发动机进行断油再生研究，图3为GPF内部各测点的温度变化．在相同碳载量下，将GPF入口温度提升至650℃后进行断油再生，载体内部的温度分布如图4所示．

图4 碳载量为3g/L、GPF入口温度为650℃时两种载体内部温度Fig.4 Internal temperature of two carriers with soot loading of 3g/L and GPF inlet temperature of 650℃

图3中，前两个载体内部的温度呈可控增加，断油瞬间大量空气进入载体，使载体内部温度呈不可控的指数式增加，到达峰值温度后又呈指数式下降的趋势．期间，载体A的最高温度出现在测点12处，为 816.4℃，载体B的最高温度出现在测点8处，为860.1℃．碳烟加载过程中，碳烟主要集中在载体中间位置，再生时中间位置反应较为激烈，而边缘部分加载的碳烟量较少，且再生期间边缘部分与外界直接接触，导致散热较快，因而载体中间部位较易产生最高温度，会使载体边缘部分与载体中间部分产生较大的温度梯度．载体A和B的最大径向温度梯度均出现在测点27和23处，分别为193.4℃/cm和150.7℃/cm．可知，载体内部温度呈中心高于边缘、出口温度高于入口温度且靠近载体出口温度最高的趋势，这是由于碳烟在中心位置沉积较多，触发再生后，碳烟在燃烧时产生的热量会随排气气流向载体末端传递，由于排气气流较小，不能迅速排出，从而在出口处形成热量聚集，且中心温度散热没有边缘处迅速，因而载体靠近出口的位置更易产生较高的温度．

图3 碳载量为3g/L、GPF入口温度为600℃时两种载体内部温度Fig.3 Internal temperature of two carriers with soot loading of 3g/L and GPF inlet temperature of 600℃

图4中，在650℃下减速断油再生时，载体A的最高温度在测点15处，为950.7℃，载体B的最高温度出现在测点12，为1005.9℃．与GPF入口温度为600℃相比，在650℃时载体的最高温度增加非常明显，其中载体A的最大径向温度梯度在测点27和23之间，为330.8℃/cm，载体B的最大径向温度同样在测点27和23之间，为299.9℃/cm．

在碳载量为3g/L下断油再生时，载体B的峰值温度高于载体A，但最大径向温度梯度比载体A低．可知，GPF碳载量为3g/L、GPF入口温度为650℃以下时载体内部的峰值温度和最大温度梯度均未超过载体的安全再生限值，不会对载体造成损坏．

2.1.2 碳载量为4g/L时的再生性能

将碳载量增加至4g/L，在600℃下进行断油再生时两种载体的内部温度场变化如图5所示．载体A最高温度出现在测点12处，为964.5℃，最大径向温度梯度出现在测点27和23之间，为309℃/cm．载体B最高温度出现在测点12处，为951℃，最大径向温度梯度出现在测点28和24之间，为249.9 ℃/cm．可见在同一GPF入口温度下，随着碳载量的升高，载体的峰值温度会随之增高．

图5 碳载量为4g/L、GPF入口温度为600℃时两种载体内部温度Fig.5 Internal temperature of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 600℃

载体在断油后峰值温度均出现在载体出口端面且靠近载体中心位置处，这主要是因为载体入口变径对气流的影响，中间位置碳加载较多，因而触发再生时，载体中间位置的碳烟迅速反应使载体在中间位置靠近出口处产生更高的温度．

相同碳载量下，将目标温度提升至650℃时对载 体B进行断油再生，如图6所示．载体内部的最高温度出现在测点12处，为1098.3℃，最大径向温度梯度在测点26和22之间，为343℃/cm．此外，在GPF 后端面的测点3、4、7、8、11、15、16及测点18处的温度均超过1000℃，与碳载量为3g/L时再生相似，载体前端颗粒物氧化放热经排气将热量输送至载体后端形成热量聚集，从而促进了载体后端的碳烟氧化，使其后端温度更高．

图6 碳载量为4g/L、GPF入口温度为650℃时载体B内部温度Fig.6 Internal temperature of the GPF-B with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 650℃

可见，随着碳载量和GPF入口温度升高，载体内部各测点的峰值温度和温度梯度均有所提升，但该碳载量下断油再生时不会出现载体损坏的风险．

2.1.3 碳载量为6g/L时的再生性能

将碳载量增加至6g/L，在600℃时进行断油再生，再生时GPF内部温度分布如图7所示．载体A最高温度在测点15处，为1135℃，最大温度梯度出现在测点26和22之间，为577.2℃/cm，此时载体内部最高温度仍未超出载体所能承受的极限温度，但径向温度梯度已超过堇青石载体所能承受的最大温度梯度限值(550℃/cm)．载体B最高温度出现在测点12处，最高温度为1059℃，最大径向温度梯度在测点27和23之间，为447.8℃/cm．与之前的最大径向温度梯度结果相同，都是载体A温度梯度高于载体B，且最大径向温度梯度出现在载体靠近边缘位置处．

图7 碳载量为6g/L、GPF入口温度为600℃时载体内部温度Fig.7 Internal temperature of two carriers with soot loading of 6g/L and inlet temperature of 600℃

继续在该碳载量下将GPF入口温度增至650℃时进行断油再生，再生时GPF内部温度场如图8所示，在此温度下，载体A的最高温度在测点15处达到1293.8℃，最大径向温度梯度出现在测点27和23之间，为602.9℃/cm．载体B的最高温度同样出现在测点15处，为1256.8℃，最大径向温度梯度也出现在测点27和23之间，为461.7℃/cm．在该工况下进行断油再生时，两种载体的峰值温度均超过载体供应商给出的载体结构损坏极限温度(1240℃)，其中载体A的最大径向温度梯度远超过堇青石载体所能承受的极限温度梯度，因而碳载量为6g/L、GPF入 口温度为650℃时两种载体均存在破裂的风险．

图8 碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃时载体内部温度Fig.8 Internal temperature of two carriers with soot loading of 6g/L and inlet temperature of 650℃

2.2 载体GPF入口温度为700℃时温度分布

图9示出碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃下的载体内部温度场分布．载体A的峰值温度在测点12处最大(957.6℃)，最大温度梯度出现在测点27和23之间(250.24℃/cm)．载体B的最高温度出现在测点4处，为1021℃，最大温度梯度同样在测点27和23之间(272.3℃/cm)．在该温度下再生时，尽管载体不存在损坏的风险，但此时载体B的最大温度梯度已高出载体A．

图9 碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃时载体内部温度Fig.9 Internal temperature of two carriers with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

将碳载量加载至4g/L，在700℃下进行高温断油试验，如图10所示．图10a中，载体A的峰值温度出现在测点15处(1168.4℃)，此外，测点19处的最高温度与测点15处的最高温度接近(1164.5℃)，载体内部的最大径向温度梯度出现在测点26和22之间(385.43℃/cm)．图10b中，载体B的峰值温度出现在测点14处，最大温度为1205℃，载体内部的最大径向温度梯度出现在测点26和22之间，为444.02℃/cm．

图10 碳载量为4g/L、GPF入口温度为700℃时两种载体内部温度Fig.10 Internal temperature of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

GPF入口温度为700℃下的载体内部温度分布中，载体中部位置温度高于载体外圈位置，出口处温度高于入口温度，同时载体B的最大径向温度梯度也已超过载体A．两种载体的峰值温度和最大径向温度梯度均未超过载体的温度限值．但载体B的峰值温度已接近载体的耐受温度，再生时需关注．

2.3 两种载体空间内部温度场分布特性

由于气流的影响，各测点出现峰值温度的时间先后顺序不同，为分析载体内部的温度分布特性，笔者对比了载体出现最高温度时刻时载体内部温度场．

图11示出碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃时载体轴向和径向位置温度分布．轴向上，入口处低，中间和靠近出口位置高；径向位置处，两种GPF从载体中心到载体1/2R位置处温度高，载体1/2R处出现最高温度，向外圈时温度逐渐降低．载体B温 度明显高于载体A，主要是因为载体B的中值孔径小，在小碳载量下，碳烟主要是以深床捕集为主，此时大量的碳烟被捕集在载体的孔道内，使得载体B孔道内部单位体积累积的碳烟更多，断油后大量空气进入引发后燃，碳烟迅速燃烧产生热量且不能及时向四周散去，从而导致载体B的最大温度较高．

图11 碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃时载体内部温度场Fig.11 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

图12示出碳载量为4g/L、GPF入口温度为700℃时两种载体的温度场分布．载体A在轴向位置的中间、后端温度较高，且高温部分较集中，载体B在轴向位置上峰值温度稍靠前，但峰值温度更高．这是因为随着碳载量的升高，载体B中的热量不易扩散，且再生释放出更多的热量，使得温度更高．载体A由于较大的中值孔径，使得载体导热率较大，其载体内部热传导较快，载体内部温度分布较均匀．

图12 碳载量为4g/L、GPF入口温度为700℃时载体内部温度场Fig.12 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

图13示出碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃时两种载体的温度场分布．轴向方向，载体在中间靠出口处温度达到最大，载体A温度更高；径向方向，载体温度越接近边缘，温度越低．当碳载量为6g/L时，碳烟捕集已从深床捕集转变为碳烟层捕集，载体孔道内部捕集的碳烟饱和，由于载体A孔径较大，孔道内部承载的碳烟颗粒更多，再生发生后更多的碳烟参与反应放热，使得载体A的温度更高．一方面，由于碳烟加载过程中气流的作用导致载体中心位置处碳载量更多，再生时释放的热量更多；另一方面，排气气流的作用使得载体后端热量迅速排出，载体后端温度略有降低，从而载体中间出现最高温度．

图13 碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃时载体内部温度场Fig.13 Internal temperature field of two carriers with soot loading of 6g/L and GPF inlet temperature of 650℃

2.4 不同碳载量时的温升特性

图14示出碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃时两种载体在出现最高温度测点处的温度及温度升高率(TRR)．图14a中，载体A在断油后16s达到最高温度，期间的最大温度升高率在断油后13s达到39.7℃/s，载体B在断油后21s达到最高温度，断油后13s的TRR最大为35.3℃/s．这是因为载体B壁面上的中值孔径较小，在小碳载量下载体B孔径内部单位体积捕集更多的碳烟，气流通过时阻碍较大，使得温度在径向方向的传递较弱，导致TRR较载体A有所降低．随着排气温度的升高，由于载体A的升温速率较大，期间温度快速升高反应掉的碳烟较多，剩余PM氧化释放热量减少，最终载体内部的最高温度有所降低．

图14 碳载量为2g/L、GPF入口温度为700℃时最高温度及 TRRFig.14 Max temperature and TRR with soot loading of 2g/L and GPF inlet temperature of 700℃

图15示出碳载量为4g/L、GPF入口温度为700℃时两种载体最高温度和TRR，与碳载量为2g/L相比，两种载体的最大温度升高率均有所增加，载体A在断油后30s升高到最高温度，断油后的13s温度升高率最大达到71.4℃/s；载体B在断油后13s升高到最高温度，断油后8s温度升高率最大达到136.6℃/s．主要是随着碳载量的增加，载体孔道内部碳烟含量增加，局部碳烟氧化释放大量的热量，由于载体B的孔径小，热量大量聚集在孔道内部，促进碳烟的再生，提高碳烟的再生速率，导致TRR增加．

图15 碳载量为4g/L、GPF入口温度为700℃时最高温度及TRRFig.15 Max temperature and TRR with soot loading of 4g/L and GPF inlet temperature of 700℃

图16示出碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃下两种载体的最高温度及所在测点处的温度升高率．载体A在断油29s后达到最高温度，断油17s时温度升高率达到最大值，为195.4℃/s，载体B在断油24s后达到最高温度，同样在断油17s温度升高率达到最大值(136.2℃/s)．此时载体A的温度升 高率相较于4g/L时明显增加，但载体B变化不大，同时载体A温度升高率明显高于载体B，主要是由于此时碳载量增加，再生时释放大量的热量又促进再生，形成良性循环，使得峰值温度升高．同时碳载量的升高放大了载体导热性差的效果，碳载量的升高使得碳烟层壁面渗透率降低，造成孔道内气流流通性较差，且载体A孔径大使其承载更多数量的碳烟，再生时反应更加剧烈，因而载体A的温度升高率出现明显升高．

图16 碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃时最高温度及TRRFig.16 Max temperature and TRR with soot loading of 6g/L and GPF inlet temperature of 650℃

2.5 碳载量对载体最大温度梯度的影响

在判断载体能否安全再生时，除载体内部的最高温度之外，最大温度梯度也是主要影响因素之一．

图17为不同温度再生时的最大温度梯度．随着碳载量的增加，最大温度梯度也随之增加，同时，GPF入口温度的增加也会导致温度梯度增加．试验时载体的最大温度梯度多出现在测点27和23、测点28和24之间．当GPF入口温度为600℃和650℃时，载体A的温度梯度都高于载体B，GPF入口温度为700℃时，载体B的温度梯度高于载体A，且随着碳载量的增加两者的差距略有增加．GPF入口温度为600℃和650℃时，载体A的最大温度梯度分别达到577.2℃/cm和602.9℃/cm，超过了载体的耐受温度梯度限值，再生时需重点关注边缘位置处．

图17 不同GPF入口温度下再生过程中最大温度梯度Fig.17 Maximum temperature gradient in regeneration process under different GPF inlet temperature

3 结 论

(1) 断油发生后，两种载体在各测点均先后出现峰值温度，断油后温度先呈指数式快速上升，随着碳烟的不断燃烧，温度逐渐下降且趋于平缓．

(2) 两种载体在不同碳载量下进行断油再生时，载体内部最高温度多出现在半径1/2R处，且靠近载体中后段处；轴向位置上入口温度较低，靠近出口温度高，径向温度呈靠近中心处温度高、靠近载体边缘温度逐渐降低的趋势，最大温度梯度均出现在载体边缘附近；载体B的最大温度普遍高于载体A，但载体B的最大温度梯度普遍低于载体A．

(3) 在碳载量为6g/L、GPF入口温度为650℃条件下进行减速断油时，载体A和B内部的最高温度分别为1293.8℃和1256.8℃，均超过载体的耐受温度限值；载体A在碳载量为6g/L、两种温度下断油再生时，最大温度梯度均超过载体耐受梯度限值，但两种载体均未发生明显损坏，载体B在极限碳载量下的安全再生性能更优．