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满足欧6排放的东莞汽车颗粒捕集器GPF

来源:http://dg.ukconn.com/news43083.html发布时间:2019/1/16 9:46:00

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缸内直喷(GDI)汽油机具有良好的燃油经济性,能有效降低CO2排放,具有逐渐取代传统进气道喷射汽油机的趋势,在汽油机市场上的份额也逐渐增加,成为满足日益严格排放法规和经济性法规的重要技术手段。但GDI汽油机的颗粒质量排放和颗粒数排放比传统PFI汽油机排放显著增加,为此欧6排放法规针对汽油GDI发动机的颗粒物质量和数量排放进行了限制,限值分别为0.005 g/km和6x1011个/km。汽油GDI发动机的颗粒质量和数量排放成为开发满足欧VI排放发动机需要攻克的技术难题之一。因此,本文针对汽油GDI发动机颗粒质量和数量排放问题,介绍GDI发动机满足欧VI排放的重要后处理技术:汽油东莞颗粒捕集器(Gasoline Particulate Filter, GPF)。



1、东莞汽车颗粒捕集器(GPF)介绍

汽油GDI发动机的颗粒物主要来源于局部过浓混合气生成的颗粒物,关于介绍汽油GDI发动机颗粒物来源的文章请阅读往期推文《缸内直喷汽油机颗粒物来源及影响规律》。GPF已经成为满足欧6排放的标准后处理配置,GPF过滤机理与东莞DPF基本相同,排气以一定的流速通过多孔性的壁面,相邻的两个孔道分别堵住出口端和进口端,排气从一个孔道进来,需要流经两个通道间的载体壁面,才能到达相邻的孔道出口并流出,这个过程称为“壁流”,如下图所示。大量研究表明,壁流式过滤器是目前减少颗粒排放最有效的手段。



2、GPF的材质

决定汽车颗粒捕集器性能的关键是过滤材料,其过滤能力、机械强度、热稳定性、散热能力等物理性能直接影响GPF的结构设计,从而影响GPF的过滤效率、排气背压、使用寿命等指标。与DPF过滤材料性能要求相似,GPF过滤材料需具备以下性能:

a) 较高的过滤效率、较低的排气阻力;

b) 较小的热膨胀系数、热稳定性好及能承受较高的热负荷;

c) 良好的抗高温性和耐热冲击性、耐腐蚀性;

d) 较高的机械强度和抗振动性。

GPF过滤材料主要是堇青石、SIC(碳化硅)、AT(钛酸铝)、合金,其材质特性对比如下表所示。目前研究与使用最多的两种材料是堇青石和碳化硅。堇青石的主要优点在于成本低、热膨胀系数小以及耐高温和机械强度高。堇青石载体在过滤效率、初始背压、被动再生以及成本等属性上有较优异的性能,但其最大碳载量略低于其它材料的载体。对于GDI汽油机来说,由于燃油品质的不同,其颗粒物的累积与柴油机相比要低得多,因此,对于碳载量的需求并不是很高,综合考虑性能与成本因素,堇青石是目前相对较好的GPF载体材料。



3、汽车颗粒捕集器的布置方式

目前汽油机后处理系统布置主要有三种形式,一种是紧耦合(Closed-coupled)式布置,即GPF与TWC集成到一起安装,距离排气歧管较近。第二种是后置(Under-floor)式布置,即GPF布置在TWC下游位置,距离随排温而定。第三种是四元催化器,GPF与TWC合二为一,距离排气歧管最近。三种布置方案优缺点如下表所示。鉴于四元催化器国内尚无成熟的产品,且成本较高,而紧耦合GPF周期性主动再生控制复杂度高,考虑效率和空间要求,通常采用后置式GPF方案。




4、GPF的再生方式

汽车颗粒捕集器能够快速有效地捕集汽车尾气中的颗粒物,但经过持续不断的微粒捕集,颗粒物沉积在载体中,排气系统的背压也会随之升高,影响汽车的动力性与经济性。因而需要促使颗粒捕集器中的碳烟颗粒再次氧化燃烧,去除捕集到的颗粒物,称为再生技术。汽油机的排气温度比柴油机相对较高,在城市驾驶工况下,发动机排气温度范围为300-500 °C,但在高速驾驶中可达到700°C。虽然这些温度足够高到可以维持一个GPF的被动再生,但在以化学计量比运行的GDI发动机的排气一般存在缺氧。因此,通常在燃料切断,车辆减速期间,排气中氧气含量充足时进行再生。



5、GPF成本

2011年,Ray J Minjares等人根据GPF的体积、载体成本、催化剂成本、压差传感器、人工成本等综合估算了满足不同发动机排量的GPF的价格,但并未考虑GPF再生所需要的成本,如下表所示。



6、GPF对汽车性能的影响

李配楠等人在一台1.5 L增压GDI汽车上,对比研究了GPF以及其布置方式对汽车WLTC测试循环颗粒质量和颗粒数的影响,如下图所示。在颗粒排放方面,装有GPF的汽油机各项排放明显低于无GPF的汽油机。增加GPF后,PM数值降到原始排放的20%左右,PN数值降低了约两个数量级,远低于欧6排放限值。在GPF布置方式方面,采用相同的GPF,只是与前级TWC的距离不同,对比了GPF布置方式对PM和PN的影响。可以看出,两种布置方式在气体排放物的控制效果上,基本相当;但在颗粒物排放控制方面,后置式布置的结果要优于紧耦合式布置(注:图(b)与图(a)中有GPF的数据不对应的原因在于GPF与前级TWC的布置距离不同)。



在油耗方面,安装GPF后使排气背压增加,油耗高于无GPF的汽车;而后置式GPF由于距离前级TWC较远,对排气背压的影响要比紧耦合布置小得多,因此后置式GPF对汽油的油耗不会有明显的影响。


缸内直喷汽油机在提高燃油经济性、动力性、降低 CO2 排放的同时,会造成 PM 及 PN 排放增多。GPF 可以有效地减少颗粒物排放,使汽油机颗粒物排放满足不断升级的排放法规。尽管国内外逐步对 GPF 展开了研究,但仍有许多问题亟待解决。

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