灰分沉积特性对汽油机颗粒捕集器再生性能影响研究

汤 东,张芃菲

(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)

0 引言

随着目前汽车保有量的上升,汽车尾气排放污染也日益严重,对环境和人体健康造成难以逆转的危害[1]。为控制汽车尾气颗粒物等有害物质的排放,新出台的国Ⅵ法规对汽油机颗粒物排放进行严格控制,2023年实施国六b标准要求颗粒物质量(particle matter,PM)限值为3 mg/km,颗粒物数量(particulate number,PN)限值为6×1011个/km[2]。目前最有效的解决方法是安装汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)[3-4]。

GPF内部结构与柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)相似,为一段导通、一段堵塞的多孔状蜂窝结构,发动机排气通过孔道的壁面,通过多孔介质将排气中的颗粒物吸附于壁面缝隙中实现过滤净化[5-7]。随着颗粒物的累积,GPF会堵塞导致排气背压随之上升,因此要定期进行再生将碳粒氧化为气体排出[8]。但再生过程中会留下无法氧化的物质,这些物质统称灰分[9-11]。灰分的累积又会影响GPF的性能。Schwanzer等[12]发现50%的灰分由润滑油产生,剩余的50%灰分来源于发动机磨损碎屑和上游三元催化转化器催化剂涂层脱落;Bock等[13]使用3种不同添加剂润滑油产生的灰分,研究对GPF碳烟氧化的影响,发现使用含钙量高的润滑油产生的灰分可提高碳烟的氧化反应速率,而使用高二烷基二硫代磷酸锌润滑油会对碳烟氧化起抑制作用;Masumitsu等[14]使用具有三元催化转化器功能的涂层GPF,发现灰分累积引起的压降升高会间接影响发动机的动力性,并且压降的升高与灰分累积区域有关,可通过增大GPF体积降低压降;Panchal等[15]发现少量灰分沉积对催化型GPF的CO和NO氧化性能有促进作用;Yue等[16]通过全球轻型车统一测试循环发现在交通繁忙路段GPF再生能力下降,频繁的断油减速可提高GPF内部温度和氧气含量,提供更好的再生环境。

目前对于GPF灰分和再生方面的研究大多集中于试验部分,模拟研究方面甚少,针对灰分量、灰分分布等物理参数对GPF再生影响的研究有待深入。通过搭建发动机后处理试验台架,对比研究不同灰分量对发动机性能的影响,并建立模型通过三维计算流体动力学软件(computational fluid dynamics,CFD)仿真模拟不同灰分分布系数及灰分量对GPF再生性能的影响,为GPF再生方面研究提供一定的理论参考。

1 试验台架和模型建立

建立发动机后处理试验台架对GPF性能展开研究,同时运用CFD模拟软件建立GPF模型,并根据试验数据验证模型的精确度和可靠性。

1.1 试验台架及设备

根据国Ⅵ法规标准,发动机后处理台架采用紧耦合式三元催化转化器(close coupling three-way catalyst,CC-TWC)和后置式催化型汽油机颗粒捕集器(under fixed catalytic gasoline particulate filter,UF-CGPF)的方案布置,载体具体参数如表1所示。表中,1 inch=1 000 mil=0.025 4 m。

表1 CC-TWC和UF-CGPF基本参数

发动机采用直喷式汽油机,参数如表2所示,主要试验设备如表3所示。

表2 发动机基本参数

表3 主要试验设备

1.2 试验方法

首先通过润滑油和汽油掺混燃烧对新鲜件进行快速积灰,得到不同灰分量GPF样件。其中润滑油和汽油掺混比为1∶100,发动机工况为 3 750 r/min、100 N·m,润滑油灰分含量为0.74%。为确保发动机正常运行并减少发动机缸内碳烟累积,试验采用8 h掺混燃烧和2 h正常燃烧;定期打开补气装置通入压缩空气,保证GPF内碳烟及其他未完全反应产物完全氧化。积灰过后将GPF放入马弗炉中200 ℃保温2 h保证内部水分完全蒸发,最终得到纯灰样件。积灰完成后将样件安装于另一台型号相同的新发动机上测试。试验过程中发动机节气门开度为45%,转速为1 000～5 000 r/min,每500 r/min记录GPF前后压力和发动机转矩变化,研究不同灰分量GPF对发动机性能影响。具体试验台架布置如图1所示。

图1 台架试验布置示意图

1.3 模型建立

几何模型采用试验GPF的尺寸,在三维设计软件中建立并导入CFD仿真软件进行计算分析。

1.3.1GPF压降模型

GPF压降是衡量载体工作性能的重要参数,排气从入口孔道流入,通过壁面多孔介质经出口孔道流出,颗粒物通过此过程过滤完成并沉积于壁面。载体内部碳烟沉积过程如图2所示。基于达西定律建立压降模型可求解载体工作过程(包括碳烟加载与再生过程)造成的压力损失[17],公式如下:

图2 GPF孔道内部碳烟沉积过程示意图

ΔP=ΔPw+ΔPa+ΔPsc+ΔPsd

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:ΔPw为壁面压降;ΔPa为灰分层压降;ΔPsc为滤饼过滤层压降;ΔPsd为深层过滤层压降;δw、δa、δsc、δsd为对应层的厚度;kw、ka、ksc、ksd为对应层的渗透率;d1、d2为进出口孔道直径。

1.3.2GPF碳烟再生模型

碳烟再生时一般考虑2种氧化反应化学方程,故再生模型可基于氧化反应化学动力学,但由于发动机排气中会存在氮氧化物,且具有强氧化性,所以GPF再生过程中还需考虑氮氧化物的反应,化学反应速率根据阿伦尼乌斯公式[18]建立,具体反应方程和反应速率公式如下:

反应方程:

2C(S)+O2→2CO

(6)

C(S)+O2→CO2

(7)

C+2NO2→CO2+2NO

(8)

C+NO2→CO+NO

(9)

2NO+O2→2NO2

(10)

反应速率公式[19]:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

温度因子fCO表达式如下:

(16)

1.4 网格无关性验证

在仿真模拟计算时,网格尺寸的划分会直接影响计算的精度以及时间,因此需要分析不同网格尺寸划分对计算结果的影响。选取网格尺寸为1、2、3 mm进行对比分析,图3为不同网格尺寸对GPF压降的影响。从图中可知,1 mm和2 mm网格尺寸压降结果相近,而3 mm模型的压降与前两者相差较大。考虑到计算的精度以及时间成本,最终采用2 mm网格进行计算。

图3 不同网格尺寸下GPF压降变化曲线

1.5 边界条件设定

GPF再生过程中内部状态不稳定,为使结果更加简单精准,模拟过程中需要做出如下假设[20-21]:① GPF内部颗粒物均为纯碳烟;② GPF内部无热辐射损失;③ 排气均为理想气体,排气中除碳烟外无任何其他杂质。

对GPF入口、出口、再生反应化学方程等参数进行条件设定。入口边界条件设定为发动机排气流量和排气温度,出口边界条件为外界环境气压1 000 kPa,环境温度设定为300 K。

1.6 模型验证

为确定建立的多孔介质流体控制方程和化学动力学等机理设定正确,须对模型进行验证确保其可靠性。本研究利用台架试验对GPF进行测试,对比试验和模拟时的压降变化,试验工况和数据如表4所示,试验值和模拟值见图4。对比发现转速在1 000～3 500 r/min下压降的模拟值和试验值之间的相对误差分别为2.9%、4.5%、1.0%、4.9%、2.5%和2.3%,均小于5%,在误差可接受范围内,说明本模型具有一定可靠性。仿真模型出现误差的主要原因是:① 排气流量在真实试验时并不是均匀气流,有不太明显的波动;② 试验过程中GPF内部和排气进出口有热量损失;③ 试验测量会产生不可避免的误差。

图4 GPF压降试验值和模拟值直方图

表4 压降试验工况及数据

2 结果与分析

2.1 不同灰分量GPF对汽油机性能影响分析

本研究通过快速积灰试验模拟车辆行驶 20 000、100 000、200 000 km里程得到的3种不同灰分量GPF。根据润滑油厂商提供的试验数据,每行驶10 000 km一般消耗1 L润滑油,模拟行驶20 000、100 000、200 000 km里程需消耗润滑油2、10、20 L。根据GPF厂商提供的试验数据,GPF捕集的灰分量约为润滑油产生的总灰分含量的30%。试验使用的润滑油灰分等级为0.74%,密度为850 g/L,计算得出消耗2、10、20 L润滑油预计可累积约4、20、40 g灰分,误差±1 g,记为1#、2#、3#样件。同时3组数据也分别代表GPF样件低灰分、中灰分、高灰分下不同的灰分累积状态。表5为GPF实际积灰量与目标积灰量,其中1#样件积灰的相对误差较大,但绝对误差仅为0.87 g,在可接受范围内。误差产生的原因可能是发动机或上游TWC运行过程中催化剂等碎屑脱落导致。将灰分样件和新鲜样件装入发动机台架测量其性能。图5为不同灰分量下GPF前后压差曲线。可以看到,随着转速的升高不同样件的压差差异逐渐增大,在5 000 r/min时,相比于新鲜件,1#、2#、3#样件压差分别升高了8.5%、44.2%、71.0%。这是由于灰分的沉积会占据GPF孔道,使得孔道体积减小,堵塞一部分过滤体导致排气排出速度下降,间接导致两端压差越来越高。GPF两端压差升高导致整体发动机系统排气背压随之升高,影响汽油机动力性和经济性。

图5 不同灰分量下GPF样件压差曲线

表5 灰分累积偏差

发动机转矩可反应汽车的起动和加速能力;图6为GPF不同灰分质量对发动机转矩的影响曲线,发现不同灰分量下发动机转矩变化趋势整体呈先上升后下降趋势,在1 000 r/min时,新鲜载体转矩较高,为77.13 N·m,在1 500～4 000 r/min时,4个样件转矩相差较小,但在4 000 r/min后,发动机转矩随灰分量的升高逐渐减小,这是由于灰分累积导致排气背压升高,发动机泵气损失增加,间接导致发动机动力性下降,转矩下降;并且说明灰分累积在发动机低负载时影响不大,但超过一定范围会降低发动机的动力性。

图6 不同灰分量下GPF对发动机转矩影响曲线

2.2 不同灰分分布系数对GPF再生性能影响分析

灰分在孔道内累积的分布形式分为壁面累积和底部灰塞累积,不同的分布形式对再生时有一定影响。通常使用灰分分布系数s来确定分布形态,其公式为:

(17)

式中:mL为壁面累积灰分质量;mA为总灰分累积质量。

灰分分布系数s=0代表灰分全部沉积于孔道底部形成灰塞,s=1代表灰分全部沉积于壁面。设定模型碳载量为2.5 g/L,排气温度为850 K,排气流量为50 kg/h,灰分量为20 g/L,灰分分布系数在0～1之间取5个进行仿真模拟。图7为不同灰分分布系数对GPF再生压降的影响曲线,总体呈先下降后稳步上升最后趋于平稳的趋势。这是由于在0～10 s时,内部处于初始再生状态,大量碳烟迅速氧化随排气流出,壁面孔隙率上升使得内部压降迅速下降;但在10 s之后,反应逐渐稳定,此时灰分为深床捕集阶段,大量灰分进入孔道缝隙使得壁面渗透率降低,导致压降上升;在150 s后,灰分分布系数s=0、0.5和0.75时压降都趋于稳定,但s=0.25和1时压降仍缓慢上升,主要是s=0.25时壁面灰分分布较少不易附着于壁面,灰分的深床捕集时期较长,附于壁面缝隙降低渗透率,导致再生压降后期有所升高;s=1时由于碳烟和灰分同时附着于壁面,大量混合物堵塞孔道缝隙并形成饼层结构,导致后期碳烟氧化速率慢且排气阻力较大,故而再生压降仍缓慢升高。在300 s后,随着再生持续进行,GPF内部碳烟氧化分解,壁面渗透率有所升高使得再生压降逐渐趋于平缓。再生压降随灰分分布系数升高而升高,原因是当灰分分布系数升高时,灰分从孔道底部逐渐分散于壁面,大大缩小了载体内部体积和有效过滤面积,导致压降增大;灰分分布系数s为0和0.25时,再生压降差异较小,说明当灰分大量沉积于载体孔道底部对再生压降影响较小。

图7 不同灰分分布系数下GPF再生压降变化曲线

图8为不同灰分分布系数下载体内部剩余碳载量变化曲线。再生初期剩余碳载量急剧下降,60 s后下降逐渐缓慢并趋于稳定,且灰分分布系数越大,剩余碳烟含量越大。这是因为再生初始阶段,碳烟大量累积并迅速进入饼层捕集状态覆盖于孔道壁面,浮于孔道壁面的碳烟可迅速被氧化分解,但灰分分布系数越大,灰分覆盖于孔道壁面增大传热阻力,影响再生反应速率导致碳烟无法及时氧化。

图8 不同灰分分布系数下GPF再生内部剩余碳载量变化曲线

2.3 不同灰分量对GPF再生性能影响分析

灰分累积质量也会影响GPF的再生性能,故从低中高分别选择0、5、10、20、40 g/L灰分进行仿真分析。设定模型碳载量为2.5 g/L,排气温度为850 K,排气流量为50 kg/h。不同灰分量对GPF再生压降如图9所示,从图9中可看出,GPF灰分量为40 g/L时再生压降显著高于其他3个载体,这是由于随着灰分量的升高,在饼层捕集阶段灰分层逐渐增厚,且此时孔道缝隙已被填满,气体流动阻力增大,压降随之增大。总体再生压降在50 s前下降不太明显,之后急剧下降最后趋于平缓。这是因为灰分和碳烟沉积减小载体孔道的有效容积,所以再生初期压降下降缓慢;再生一段时间后,碳烟燃烧增大了壁面孔隙率,此时再生压降迅速下降。

图9 不同灰分量下GPF再生压降变化曲线

不同灰分量下载体再生峰值温度变化如图10所示。

图10 不同灰分量下GPF再生峰值温度变化曲线

从图10可以看出,再生的峰值温度随灰分量的升高而升高;无灰分累积时,峰值温度约为873.5 K,当灰分量为40 g/L时,峰值温度约为874.3 K。这是由于40 g/L情况下灰分层较厚,碳烟再生燃烧释放的热量直接传递到致密的灰分层,而灰分的热传递能力较弱,热量不易散出,故而高灰分下峰值温度较高。整体温度走势呈山峰状,并且最高峰值温度出现在再生中后期,这是因为再生初期内部温度普遍较低,经过一段时间的碳烟氧化反应后产生热量并通过排气流动从前端转移至后端,逐渐达到最高峰值温度;在0 g/L时,碳烟再生散发的热量直接通过载体传出,无灰分的阻隔效果,所以再生最高峰值温度出现时间比载灰GPF早10 s左右。

图11为不同灰分量下再生剩余碳载量的变化曲线,发现剩余碳载量随灰分量升高而减小,再生时前50 s下降缓慢,50～175 s大幅下降,最后趋于平缓;这是由于再生初期载体内部温度较低,碳烟的氧化反应发生率较低,所以大部分碳烟仍然沉积于载体内,随着再生持续发生,载体内部温度逐渐升高,碳烟达到再生温度后开始持续放热,加上载体内部气体流动,将热量传至后方带动孔道底端碳烟再生,后期由于再生温度有所下降和热量的散发,所以碳烟下降逐渐平缓。由于灰分的沉积导致导热能力变差,载体内部更多的热量无法散出,可促进碳烟进一步氧化再生,故而灰分质量越多,再生剩余碳载量越低。

图11 不同灰分量下GPF再生剩余碳载量变化曲线

3 结论

1) 灰分的累积对发动机有一定影响,灰分量的升高导致GPF前后压差明显升高;发动机在低转速情况下,灰分累积对发动机转矩影响较小,但在高转速状态下,较高的灰分累积会降低转矩,影响发动机动力性;

2) 灰分的沉积位置对GPF再生性能影响较大,当灰分大量沉积于GPF末端,即灰分分布系数小于0.5时,再生性能较好,此时再生压降和剩余碳载量都较低,同时载体压降和剩余碳载量随灰分分布系数增大而升高;

3) 少量灰分累积对GPF再生性能具有促进作用,可产生局部热点增大再生峰值温度,促进碳烟氧化再生;但过多的灰分大大增加再生压降,增大排气管压力影响排气系统,故在实际使用中需关注并及时清理GPF内部灰分。

基于研究内容,未来可继续进行整车试验并结合三元催化转化器探究不同灰分理化性质对GPF再生性能的影响。