汽油机颗粒捕集器（GPF）台架性能研究

文章讨论了台架颗粒捕集器（以下简称GPF）原排标定、定温定氧燃烧模型、断油燃烧模型、不同碳量的燃烧速率、最大碳量的标定方法;并呈现了匹配某款发动机的GPF标定数据。文中提到了趋势法、仿真法对模型标定进行数据分析和优化,优化工作流程的同时保证整车标定模型准确度,降本增效,也为应对未来更严格的排放法规（例如正在研讨的国Ⅶ和欧Ⅶ）做技术积累。     

2021款路虎新极光发现运动1.5L I3发动机技术亮点(四)

(接上期)六、排气系统1.汽油排放碳粒过滤器(GPF)在实行CN6b排放法规的中国市场,Ingenium I31.5L汽油发动机在排气系统中配备汽油排放碳粒过滤器(GPF)。GPF如图40所示,它用于收集燃烧过程产生的剩余颗粒物(PM),GPF和三元催化器组合在一个单元中。GPF采用基质是堇青石,这是一种合成陶瓷。GPF工作示意图如图41所示,一半基质布置在进口通道上,而另一半布置在出口通道上。当废气流过过滤器时,通向出口的路径被堵塞,这就迫使气体流过基质壁,导致PM沉积在基质材料中。     

捷豹/路虎Ingenium I63.0L汽油发动机与轻混MHEV技术介绍(五)

正六、汽油排放碳粒过滤器(GPF)1.汽油排放碳粒过滤器为满足CN6b(中国)排放法规,Ingenium I6 3.0L汽油发动机现在排气系统中使用汽油排放碳粒过滤器(GPF)。GPF用于收集燃烧过程产生的剩余颗粒物(PM)。汽油发动机产生的PM比柴油发动机要小,但是研究表明,即使微量的颗粒也会对健康造成不利影响。法规要求越来越严格地控制排气管排放。     

汽油机颗粒物捕捉器(GPF)的碳载模型计算介绍

汽油机颗粒物捕捉器(GPF)能有效地捕集汽车排气中的颗粒物,其过滤效果可接近90%。EMS通过对车辆运行过程中碳颗粒(soot)的生成速率以及系统控制再生过程的碳颗粒(soot)的燃烧速率积分计算,进而计算出GPF中累积的颗粒物的质量。因此对碳颗粒的累积质量及再生质量的计算极其重要。     

基于国六法规下的整车GPF再生试验研究

在搭载某直列四缸GDI涡轮增压发动机的整车上进行了怠速再生工况的选择与验证,并通过城市工况再生及高速再生验证了模型的精度。结果表明:在转速3000r/min、储备扭矩20Nm时,涡前温度、GPF入口温度均未出现超温的现象,温度控制合理,能够保证怠速再生的安全;在城市工况和高速工况下,当前实际碳载值要小于当前模型碳载值,可以早点进入再生,清除掉碳载颗粒物,模型与实际匹配结果较好;再生速率良好,能够满足工程应用。     

WLTC工况下汽油机颗粒捕集器性能研究

通过AVL BOOST软件设计缸内直喷汽油机后处理系统模型,即三元催化转化器以及汽油机微粒捕集器(Gasoline particulate filter,GPF)的组合模型。研究了WLTC(Worldwide Light-duty Test Cycle)循环工况对该模型的HC转化效率以及汽油机微粒捕集器的捕集效率和压降的影响。结果表明:在WLTC循环工况下三元催化转化器HC转化效率在90%上下浮动,汽油机微粒捕集器的压降受排气流量影响较大,压降线图与排气流量线图基本一致。GPF的颗粒捕集效率可以稳定在90%。GPF压降平均值在1～2 kPa之间,最高压降为5.5 kPa,满足GPF压降要求。     

缸内直喷汽油机颗粒捕集器低温冰堵问题试验研究

为解决中国北方地区冬季低温条件下汽油机颗粒捕集器(GPF)吸水导致结冰堵塞的问题,针对低地板和紧耦合两种布置形式,通过设定不同的发动机起动温度、起动运行时间及起动运转次数对GPF结冰堵塞进行定性判断,对水分累计量和吸水效率进行定量分析,并对GPF内部温度场模型的建立进行了试验研究,结果表明,优化标定数据可缓解冰堵风险,紧耦合布置形式是GPF冰堵的最终解决方案。     

汽油颗粒捕获器与机动车污染物排放

随着GDI发动机的广泛使用和机动车颗粒污染物排放法规的日益加严,GPF将大量应用。本文阐述了汽油颗粒捕获器(GPF)的应用特点,分几个部分介绍了汽油颗粒捕获器GPF的应用背景、应用领域、系统布置和工作特性,尽管车辆的颗粒物排放会随着驾驶工况、燃油系统结构、测量方法,以及后处理系统布置等有所不同,但采用GPF都能够在整车寿命期内,使车辆排放完全满足6×1011个/km的法规限值要求,且GPF的过滤效率会随着车辆使用里程的增长而提高。涂覆催化剂的GPF,能够提高GPF的过滤效率,且部分替代三元催化剂的功能,GPF的使用也能够满足未来更严格颗粒物排放的法规要求。     

发动机颗粒排放和再生频率对汽油机颗粒捕集器效率的影响

汽油机颗粒捕集器(GPF)是1种重要的排放后处理系统,能使汽油缸内直喷(GDI)发动机达到现行的排放标准。现行标准规定的非挥发性颗粒物直径大于23.0nm。然而,随着排放法规的逐渐严格,GPF过滤效率需要进一步提高,并且可能会对直径低至10.0nm的非挥发性颗粒物排放进行限制。GPF过滤效率取决于在发动机运行期间聚集在GPF上的炭烟量。在车辆运行期间,当排气温度足够高且含有足够的氧气时,GPF通常是“被动”再生的。研究了发动机废气颗粒数排放(PN)和GPF再生频率对GPF过滤效率的影响。采用2种GPF技术,分别在2台发动机台架上进行了测试,并匹配2台量产车在转毂台架上进行了测试。试验发动机颗粒物排放数量分布的带宽很广,几乎达到1个数量级,更具实际排放代表性。GPF的过滤效率通过符合规定的颗粒数系统(非挥发性颗粒直径大于23.0nm、下限为2.5nm)的粒子计数器,以及差分迁移率光谱仪进行测量计算获得。结果显示,GPF有规律地达到可再生的条件,并且GPF的平均驾驶循环过滤效率高度依赖于发动机颗粒物排放量;当发动机颗粒物排放量增加约1个数量级时,GPF的过滤效率显著提高。研究表明,根据发动机颗粒物排放量选择合适的GPF技术非常重要。     

润滑油灰分对直喷汽油车GPF性能影响的试验研究

为开发汽油车颗粒捕集器(GPF)快速老化方法,评价GPF的耐久特性,分别在发动机与整车转鼓台架上试验研究了GPF的快速积灰方法和GPF对缸内直喷(GDI)汽油车颗粒物排放、背压、油耗的影响,最后用CT与XRF对灰分的分布与成分进行了分析。结果表明:GPF的积灰效率会随着时间变化逐步上升,最终达到30%左右的稳定值;装有GPF的整车在世界统一的轻型车测试循环(WLTC)下可满足国六颗粒物排放限值要求;随着灰分的不断积累,GPF对颗粒物质量(PM)与数量(PN)仍旧可以保持较高的过滤效率,分别为82%和99%;灰分累积对GPF的背压上升会有一定的影响,最大为6.5 kPa;在WLTC循环测试下GPF内的灰分增加对整车油耗影响并不明显,最大为1.25%;灰分主要组成物质为CaO和P_2O_5,主要沉积在GPF末端特别是在中心区域,为总含量的71.2%。     

GPF对实际行驶污染物排放的影响研究

基于一辆国五升级以应对国六排放标准的TGDI车辆,通过车载排放测试系统研究了安装/未装GPF在实际行驶(RDE)测试工况下排放的变化,以探究GPF对RDE污染物排放的影响,并对TGDI车辆国六升级进行建议。结果表明:安装GPF可有效过滤PN排放,尤其在低转速、高负荷的发动机运行工况,可将PN排放降低两个数量级,PN捕获效率超过99%;对于TGDI车辆而言,安装GPF后RDE总行程的PN排放降低到未装GPF时的2.5%以下,因此GPF成为此类车辆可否满足国六排放测试的关键后处理装置;在国五TGDI车辆升级国六过程中,仅升级GPF可能会引起其他污染物排放(如NOx)的恶化,对于本车而言,安装GPF影响了RDE行程中催化器温度,最终导致总行程NOx排放的上升。     

PFI发动机灰分载量对GPF的影响研究

基于一台装有汽油机颗粒物捕集器(GPF)的1.4T进气道燃油喷射(PFI)发动机研究了发动机在不同负荷下的原始颗粒物排放特性和不同灰分载量对GPF过滤性能的影响。结果表明:在中小负荷下,发动机排放的颗粒物主要为核模态,在大负荷下,则存在粒径10～25 nm的核模态和100～200 nm的积聚模态颗粒物;灰分载量对GPF的工作特性有较大影响,灰分载量为0的GPF对颗粒物的捕集率约为85%,而灰分载量为5 g/L的GPF捕集率达97%;发动机排气背压、温度和燃油消耗率随GPF灰分载量的增加而提高,灰分载量为20 g/L时的燃油消耗率相比灰分载量为0时提高了3%～7%。     

GPF断油再生控制研究

本文详细阐述GPF断油再生过程的原理,以及通过试验过程充分论证断油再生在GPF再生过程中的重要作用,并给国VI GPF再生标定提供相应的建议。     

缸内直喷汽油机GPF过滤特性研究

以装有汽油机颗粒过滤器(GPF)的2.0L缸内直喷增压汽油机(TGDI)为研究对象,研究了转速、负荷变化对发动机颗粒排放特性的影响,以及不同排温和不同灰分量对GPF的PN过滤效率的影响。结果表明:TGDI汽油机颗粒物排放随着负荷的增加呈现明显的先下降后上升的"U"型趋势。GPF再生过程中会出现GPF后PN数大于GPF前PN数的现象。灰分层的积累使汽油机颗粒过滤器过滤机理中的拦截沉积作用增强,过滤效率会随之增大。     

汽油机颗粒捕集器怠速再生过程整车热害测试研究

为改善怠速条件下汽油机颗粒捕集器(GPF)再生带来的热害问题,设计试验对怠速再生模式下的GPF排气温度变化和零部件热害情况进行了测试。结果表明:常用的单一控制点火提前角策略无法保证稳定的GPF入口排气温度,应增加排气温度精确控制逻辑;逐步降低排气温度,使尽可能多的零部件达到耐温要求,再对仍然未达标零部件采取局部隔热措施的方法可以较好地保证整车热害性能;关闭发动机罩进行GPF怠速再生时散热更优。     

润滑油灰分对GPF过滤效率影响的试验研究

基于润滑油掺烧快速老化方法,在发动机台架上研究灰分对GPF背压和发动机动力性的影响;基于世界统一的轻型车测试循(WLTC)整车试验和实际道路测试(RDE)研究了灰分对GPF过滤效率的影响.结果表明:灰分沉积会提高发动机的排气背压,降低发动机的动力性,60 g灰分量时背压最大升高8.8 kPa,扭矩下降3.7 N·m;WLTC工况第一阶段PN排放贡献率大于90％,且WLTC和RDE工况少量灰分即可显著提高GPF对PN的过滤效率,3 g灰分量下过滤效率可达96.6％;过滤效率随着灰分量的增加而增大,60 g灰分样件的PN过滤效率达到99.6％.     

碳烟氧化模型的研究及在车用柴油机中的计算应用

提出了一个基于平均反应率的碳烟氧化模型,将其应用于柴油机数值模拟中,并结合试验方法研究了后喷射对碳烟排放的影响。将Hiroyasu碳烟生成模型和文中提出的碳烟氧化模型耦合在CFD源程序中构建多维模型,利用数值解析的手段,根据不同的后喷射方案计算柴油机碳烟的生成和氧化历程,并结合试验数据分析后喷射影响碳烟氧化的各种因素。研究结果表明,采用碳烟氧化模型和试验方法能真实反映柴油机碳烟的生成和氧化历程以及后喷射对碳烟排放的影响规律。     

柴油机碳烟排放浓度的预测

本文在国外有关碳烟生成和氧化过程基础研究所获得的理性认识基础上,建立了一个考虑到碳烟先兆物生成、成核、凝聚、集聚和氧化等过程的较为仔细的柴油机碳烟排放预测模型。该模型在110柴油机上作了初步验证,表明模型具有一定的预测能力。     

溶气浓度对发动机燃烧影响的数值研究

文中在KIVA程序的基础上,建立了溶有CO2燃油低温着火模型、碳烟模型,修改了油滴蒸发模型,对溶有不同质量比的CO2燃油发动机的燃烧过程进行了数值模拟,从而探究NOX和碳烟随其所产生的变化,结果表明随着CO2质量比的增加,NOX和碳烟的生成量有了明显的减少。     

Simulation and Experimental Study on the Thermal Loads of Exhaust Manifold

为某发动机排气歧管建立流固耦合模型,以进行热负荷仿真分析,模型中考虑了辐射换热和材料的非线性;同时在台架上对排气歧管进行了温度场和应变测量.仿真与测试结果表明,排气歧管汇合处的温度最高,部分区域发生了塑性变形,塑性应变最大位置与发生断裂破环的危险区域相吻合.