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。

直喷汽油机高效颗粒捕集器技术及控制策略研究

为了适应国家排放法规对汽油直喷发动机颗粒物监测粒径逐渐减小的要求,根据汽油直喷发动机排放开发目标,设计不同的汽油机颗粒捕集器(GPF)技术方案,通过发动机台架试验、转毂试验的测试选型确定捕集效率高、背压小的最优方案。建立了基于发动机原排和压差的GPF控制策略,结合GPF测试选型数据标定GPF碳载量模型、再生效率模型等,实现再生工况识别并协调再生控制。通过WLTC排放循环验证GPF控制策略,最优方案的捕集效率满足排放开发目标,有效降低了汽油直喷汽油机的颗粒物排放。

碳烟累积对汽油机颗粒捕集器性能的影响

文章简单介绍缸内直喷汽油机内颗粒物的生成机理、汽油机颗粒物捕集器的结构、工作原理,综述GPF内碳烟累积对GPF捕集效率、背压和再生性能的影响,并对GPF未来的发展进行展望。

汽油机颗粒捕集器驻车再生试验方案研究

本研究在颗粒捕集器为空载的情况下,针对不同的发动机转速进行完整的驻车再生试验。再通过发动机台架,或者在整车上进行快速累积碳颗粒至汽油机颗粒捕集器中,模拟汽车碳颗粒累积过多导致限扭的工况。最后再进行碳颗粒满载情况下的驻车再生试验,根据再生后的剩余碳量选择最为合适的驻车再生转速。结果显示:通过控制驻车再生的转速和再生时间,一方面可以保证碳颗粒被充分进行再生,有效地减小再生试验过程中的燃油损耗;另一方面较低的再生转速和较短的再生时间更为用户所接受。

小型通用汽油机颗粒物排放与汽油机颗粒捕集器净化研究

以一台小型发电机用汽油机为样机开展颗粒物排放特性研究,探究汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)对排气颗粒物的净化特性。设计六工况排放试验循环,测试汽油机在匹配与未匹配GPF两种状态下的颗粒物排放。研究发现原机颗粒物数量(particle number,PN)比排放为3.7×10^(12)个/(kW‧h),颗粒物质量(particulate mass,PM)比排放为2.2 mg/(kW‧h)。PN、PM排放均随负荷升高呈先下降再上升趋势,低负荷时排放浓度最高,中等负荷最低。粒径小于312.7 nm的PN之和占总PN的99.5%以上,大于312.7 nm的PM之和占总PM的91.4%~98.7%,表明超细微粒子数多,但质量占比小。PN排放浓度随颗粒物粒径增大而降低,而PM排放浓度在低负荷时随粒径增大先增加后降低再增加,中高负荷时则随粒径增大而增大。安装GPF对PN的综合净化率为73.7%,对PM的综合净化率为59.7%。GPF对粒径在50 nm以下的核态粒子的捕集效率高于粒径更粗的积聚态和粗糙态粒子。

灰分沉积特性对汽油机颗粒捕集器再生性能影响研究

基于某直喷式汽油机进行发动机后处理台架试验,研究不同灰分量汽油机颗粒捕集器(GPF)对发动机转矩影响和GPF前后端压差对比。利用三维计算流体动力学软件(CFD)建立GPF压降模型和再生模型,分析不同灰分分布系数和灰分量对GPF再生性能的影响。结果表明:灰分沉积质量与GPF压差呈正相关关系,在高转速工况下,灰分累积会降低发动机转矩影响其动力性;灰分全部分布于壁面,即灰分分布系数s=1时,会提高再生压降,降低再生性能,灰分累积过多会增加GPF再生压降,适量的灰分累积有利于提高再生峰值温度,促进碳烟再生氧化。

汽油机颗粒捕集器模型研究进展

汽油机颗粒捕集器(Gasoline Particle Filter,GPF)的捕集效率受多方面因素影响,分析了影响捕集效率的常见因素,并对其进行了简单的分类,把捕集器模型分为压降模型、质量能量守恒模型、效率模型和碳载模型,根据不同的因素建立对应的模型有利于展开对捕集效率定量化的研究,把影响因素量化后,根据量化结果采用不同的方法提高捕集效率、延长GPF使用寿命。

低温环境汽油机颗粒捕集器再生间隔里程评估方法

对汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)碳载量估算的温度修正方法,以及低温环境下的GPF再生间隔里程进行研究。利用发动机台架试验测量了GPF颗粒物再生反应速率,通过对数作图法拟合反应速率得到再生反应活化能,氧和颗粒物的反应活化能为81.6~91.4 kJ/mol,二氧化碳和颗粒物的反应活化能为159.2~218.9 kJ/mol。基于反应活化能计算了不同环境温度下颗粒物再生反应速率的修正系数;测量试验车低温冷启动阶段颗粒物累积速度,计算颗粒物排放的温度修正系数。以轻型车排放国六标准I型试验为基础,利用颗粒物再生反应速率和排放的温度修正系数对低温环境下GPF主动再生间隔里程进行了仿真。与寒区道路试验中获得的实际GPF颗粒物累积数据对比,仿真结果能较为准确地预测GPF在寒区不同工况下的颗粒物累积速度。试验和仿真结果均显示车辆低速行驶时GPF内颗粒物累积速度更易受低温环境影响。

汽油机颗粒捕集器的再生试验研究

基于一台1.5 L的涡轮增压汽油发动机,在发动机台架上进行汽油机颗粒捕集器的再生试验,以获得基于温度、氧流量、碳载量的碳颗粒物的再生燃烧速率试验数据。对试验数据进行分析处理,并在发动机台架上以及整车上进行了再生验证试验。结果表明:实际烧碳量与模型烧碳量的偏差精度在30%以内,满足匹配目标要求。

高原环境下汽油机微粒捕集器(GPF)过滤效率的研究进展

基于国家第六阶段机动车污染物排放标准的要求以及中国高原区域广阔和高原环境下机动车排放与型式认证工况排放差别较大,且国内外对高原环境下GPF的捕集特性、效率研究甚少。因此,阐述了高原环境对汽油机尾气排放颗粒的影响因素、高原环境下汽油机尾气排放特性和GPF捕集效率的影响因素,并对高原环境GPF的工作特性和过滤效率后期研究进行展望。

基于国六标准的汽油机颗粒捕集器(GPF)的试验研究

本文阐述了国六排放法规对直喷汽油机颗粒物的排放要求,介绍更加恶劣的WLTC测试循环。重点阐述了汽油机颗粒捕集器(GPF)的开发和试验过程,说明GPF在应对国六标准的后处理系统中的作用,为GPF的应用打下基础。

缸内直喷汽油机微粒捕集器结构参数仿真优化研究

缸内直喷汽油机混合气形成方式与柴油机类似,均在燃烧室内喷入燃油形成混合气。该特点决定了其尾气中存在相对较多的微粒。作为处理发动机尾气中微粒的一种有效方式,加装微粒捕集器可以明显降低整车微粒排放。本文结合发动机台架试验结果针对性地运用GT-POWER仿真软件对微粒捕集器结构参数进行仿真优化,分析了微粒捕集器载体孔隙率和微孔平均直径等参数对微粒捕集过程的影响。优化后的载体具有较高的微粒捕集效率,并且具有较低的排气背压。为深入研究微粒捕集器微粒捕集过程和产品设计开发奠定理论基础。

催化型汽油机颗粒过滤捕集器催化剂设计与应用性能研究

基于某市售1.6 L汽油缸内直喷(GDI)发动机轿车,进行底盘式汽油机颗粒过滤捕集器(GPF)/催化型汽油机颗粒过滤捕集器(CGPF)设计和性能研究,研究了不同涂覆量、涂覆工艺和贵金属含量设计对GPF/CGPF催化剂冷流背压、涂层形貌的影响,从而设计出低背压CGPF催化剂样品。通过对配备有国六标定系统的GDI汽油车进行系列全球统一轻型车测试循环(WLTC)工况排放试验,分别考察了加装底盘式GPF、CGPF及不同贵金属载量CGPF对尾气后处理排放的影响,并与采用原装紧密耦合式三效催化剂(TWC)时的排放性能进行对比分析。结果表明,加装GPF或CGPF配置,会对造成排气系统背压提升,但油耗变化不大;采用紧耦合式TWC+底盘式GPF/CGPF后处理集成净化系统,可有效解决单TWC布局下颗粒物数量(PN)超标问题;使用CGPF可在保证颗粒物捕集效果同时,较好发挥对气态污染物的处理作用,并使各个指标满足国六b排放要求;使用CGPF的催化剂后处理系统进行多次WLTC工况预处理运行,可有效提升其对颗粒物的捕集能力,使PN捕集效率从76.38%跃升至97.00%。

缸内直喷式汽油机颗粒物捕集器最新技术发展

基于《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法(第六阶段)》排放标准正式推出的具体国情,阐述了汽油机颗粒物捕集器中积碳和灰分的生成机理和相应的质量估计模型,介绍了汽油机颗粒物捕集器的再生管理和温度保护机制,明确了捕集效率的计算。

炭载量对缸内直喷汽油机颗粒捕集器性能的影响

基于发动机试验台架研究了增压直喷式汽油机在稳态工况下不同炭载量对汽油机颗粒捕集器(GPF)捕集特性的影响。结果表明:GPF背压随炭载量增大不断升高,升高趋势由快趋缓,并且GPF背压与发动机运行工况密切相关,高转速和大负荷时,GPF背压上升趋势变快;不同炭载量下,GPF对于核态颗粒过滤效果优于积聚态颗粒,GPF炭载量低于再生限值时,GPF总过滤效率保持在98.71%以上。适中的GPF炭载量有助于提升其颗粒过滤效率,但炭载量过大反而会造成GPF颗粒过滤效率下降,对发动机动力性和燃油经济性不利。

直喷汽油机颗粒捕集器(GPF)灰分参数试验研究

为研究汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)中灰分(ash)含量对发动机性能、燃油耗、排气背压、颗粒物排放数量(particle number,PN)的影响,建立灰分累积模型,并以某款发动机作为研究对象,建立了发动机GPF耐久试验台架,验证灰分累积模型的合理性。通过试验,研究了灰分对发动机性能、燃油耗、排气背压、PN排放的影响规律,并分析了灰分随发动机有效运行时间的变化规律及其对GPF碳载量的影响。结果表明,随着灰分的增多,发动机扭矩和功率相比GPF无灰分时都降低,最大降幅达1.2倍,油耗增多,排气背压增大,最大增幅达1.1倍,PN排放先降低后升高;GPF过滤效率直线上升,灰分为30 g时,达到最大,碳载量减少,再生速率加快。为将灰分对发动机的影响降低到最小程度,应限定该发动机的GPF最大灰分量为30g。

煤基燃料燃烧颗粒物对颗粒捕集器沉积过程的影响

探讨了柴油机燃用代用燃料后,排气颗粒物结构特征的变化规律。依据柴油机台架试验,使用0%、5%、15%甲醇掺混比的F-T(Fischer–Tropsch)合成柴油,在标定工况下采集颗粒。用同步辐射小角散射分析方法测量颗粒物摩擦力、粒径等参数。基于实验数据,在EDEM软件中建立颗粒模型,模拟了颗粒碰撞沉积过程。结果表明:随甲醇掺混比的增加,甲醇、F-T柴油燃烧颗粒间摩擦力增加0.6 N,平均粒径增加2.44 nm。沉积过程中,颗粒捕集器(DPF)单元体非迎风面的沉积量急剧增加;颗粒沉积效率随沉积时间的增加而增加;随摩擦力增大、粒径增大,颗粒层厚度及颗粒链长度也随之增加。甲醇掺混比的改变使得颗粒整体向更多、更细的方向变化,燃料类型及掺混比的改变显著影响了颗粒在DPF载体上的沉积状态。

WLTC工况下汽油机颗粒捕集器性能研究

通过AVLBOOST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1~2kPa之间,最高压降为5.5kPa,满足GPF压降要求。

国六排放标准下的缸内直喷汽油机颗粒捕集器精度碳载模型建立及验证

为了验证发动机不同修正参数对发动机电子控制单元(ECU)计算汽油机颗粒捕集器(GPF)碳载量的影响,优化和改进国六标准下的汽油机颗粒捕集器控制策略。基于GPF的碳烟加载质量流量模型,利用Simulink进行建模,搭建GPF精度碳载计算仿真模型,通过发动机原排质量流量、不同工况下发动机的空燃比修正参数、PM过滤效率修正参数、发动机运行水温修正参数、发动机负荷修正参数计算模块模拟出GPF碳载量。并通过搭载一款自主研发的1.5T缸内直喷发动机进行台架和整车道路试验,对比验证了缸内直喷汽油机颗粒捕集器精度碳载模型的准确性。通过对GPF载体进行称重,可分析出发动机各修正参数对模型碳载量计算的影响效果。通过对模型进行优化,使仿真结果更接近整车表现。研究结果有利于实现GPF离线标定功能,提升GPF的控制策略,降低相应的开发成本。

汽油机颗粒捕集器再生平衡状态的仿真研究

使用流体仿真软件AVL-FIRE建立了缸内直喷汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)的数值模型,并根据相关试验数据验证了模型的准确性。模拟计算了不同排气参数下的GPF压降及积炭量,以此分析了排气氧浓度、NO浓度及排气温度等参数对GPF再生平衡状态的影响。结果表明:氧浓度越高越有利于达到再生平衡状态,在排气温度为800 K的条件下,当氧气的质量分数为2%时,GPF不能达到再生平衡状态,当氧气的质量分数由2%增加到7%时,GPF可达到再生平衡状态。NO浓度对GPF压降有较大的影响,在排气温度为800 K及氧气的质量分数为7%的条件下,当NO的质量分数由0增加到0.2%时,再生平衡状态下GPF的压降减少了11.6%。升高排气温度有利于GPF达到再生平衡状态,在氧气质量分数为2%的条件下,当排气温度由800 K增加到1000 K时,GPF可达到再生平衡状态。