汽油機(jī)顆粒捕集器臺架標(biāo)定方法研究

（江西騰勒動力有限公司 江西 上饒 334000）

引言

隨著我國汽車保有量的不斷增加以及對環(huán)境保護(hù)問題的日益重視，各汽車排放法規(guī)日益嚴(yán)苛。我國已發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]法規(guī)，國六氣體有害物排放相對于國五降幅非常大，氣體有害物通過優(yōu)化三元催化器可以進(jìn)行有效的控制，國六法規(guī)同時(shí)增加了PN（Particle Number）顆粒數(shù)量排放要求。基于目前現(xiàn)有的技術(shù)，PN 發(fā)動機(jī)原始soot 排放均在百萬級別以上，部分加濃區(qū)域甚至超過千萬級別。在排放后處理方面通過增加顆粒捕集器GPF（Gasoline Particle Filter）可以達(dá)到降低PN 的目的，顆粒捕集器GPF 的過濾效率可以達(dá)到90%以上。但GPF 在捕集了一定量的顆粒物之后，需要使其高溫再生，GPF 本身有一個(gè)最大溫度承受范圍。這就需要EMS 控制系統(tǒng)對GPF 的狀態(tài)加以了解，對再生過程施以精確的控制。本文是以1 臺1.2T 的3 缸增壓直噴發(fā)動機(jī)為研究對象，對GPF 標(biāo)定過程進(jìn)行分析研究。

1 顆粒分布及形成

顆粒物是排氣中固相（碳顆粒、灰分）及液相（除水之外）的總稱。直噴發(fā)動機(jī)的顆粒排放物主要是稱之為碳煙的固態(tài)碳顆粒。這些碳顆粒會被氧化硫及硫酸鹽等無機(jī)物包裹，同時(shí)會吸附氧化及未氧化的碳?xì)涞扔袡C(jī)物。

天津大學(xué)潘鎖柱[2]進(jìn)行的研究表明可以將顆粒依其直徑的大小分為以下2 種狀態(tài)。

核態(tài)顆粒物：直徑小于30 nm，核態(tài)顆粒物主要是發(fā)動機(jī)在燃燒過程中產(chǎn)生的易揮發(fā)有機(jī)成分、固態(tài)碳粒、金屬灰燼及硫酸鹽等通過成核作用形成的。核態(tài)顆粒物顆粒數(shù)量占比最大，但是總質(zhì)量占比最小。

積聚態(tài)顆粒物：直徑介于30～500 nm 之間。聚態(tài)顆粒物主要是發(fā)動機(jī)燃燒過程中燃燒不完全生成的初級碳顆粒通過團(tuán)聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)形成的。聚集態(tài)顆粒物一般由核態(tài)顆粒物聚集而成，數(shù)量占比居中，但總質(zhì)量占比最大。

清華大學(xué)帥石金等[3]研究表明，GDI 汽油機(jī)碳煙排放主要來源于附壁油膜的池火燃燒和缸內(nèi)局部濃區(qū)的燃燒，燃油噴射策略和混合氣組織方式對缸內(nèi)碳煙生成有重要影響；直噴汽油機(jī)顆粒物在冷啟動、加速及穩(wěn)態(tài)催化劑加熱時(shí)產(chǎn)生最多[4]。

2 顆粒捕集器的作用及工作原理

GPF 過濾機(jī)理與DPF 基本相同。排氣以一定的流速通過多孔性的壁面，這個(gè)過程稱為壁流，壁流式顆粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窩狀陶瓷組成，通過交替封堵蜂窩狀多孔陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔壁面通過，顆粒物分別經(jīng)過擴(kuò)散、攔截、重力和慣性4 種方式被捕集過濾[5]，大量研究表明，壁流式過濾器是目前減少顆粒排放最有效的手段[6]。顆粒捕集器是對發(fā)動機(jī)的顆粒排放物進(jìn)行捕集，進(jìn)而達(dá)到降低顆粒物質(zhì)量和數(shù)量的效果。

發(fā)動機(jī)燃燒的顆粒產(chǎn)物中含有碳顆粒（汽油燃燒）和灰分（機(jī)油燃燒）。這些碳顆粒和灰分被GPF 捕集，在GPF 中累積。但當(dāng)累積量過大時(shí)，發(fā)動機(jī)的排氣背壓會上升，油耗增加。所以要適時(shí)對GPF 再生。

GPF 的再生主要包含如下2 個(gè)化學(xué)方程式：

1）在GPF 內(nèi)部溫度高于580℃，且氧濃度大于0.5%時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)放熱反應(yīng)：

C+O2=CO2

2）在GPF 內(nèi)部溫度高于800℃，且沒有氧氣時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)吸熱反應(yīng)：

C+H2O=CO+H2

由于GPF 有最大溫度限值，GPF 再生過程需要進(jìn)行有效控制，所以GPF 的標(biāo)定需要對累碳、燒碳的過程進(jìn)行精確的標(biāo)定。

3 GPF 標(biāo)定過程

GPF 的標(biāo)定過程示意框圖如圖1 所示。

圖1 GPF 標(biāo)定過程示意框圖

3.1 原始soot 排放標(biāo)定

在進(jìn)行GPF 標(biāo)定的過程中，測量發(fā)動機(jī)的原始soot 排放的目的是為了標(biāo)定GPF 在發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的累碳量，確定發(fā)動機(jī)在不同工況下的原始soot排放數(shù)據(jù)，通過積分計(jì)算的方法，可以精確地確定發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的soot 質(zhì)量。

3.1.1 AVL483 偏差系數(shù)確定

發(fā)動機(jī)原始soot 排放的測量需要使用AVL483設(shè)備，但是由于AVL483 測量soot 質(zhì)量與實(shí)際稱重存在差異，為了保證soot 原排標(biāo)定的準(zhǔn)確，在開始試驗(yàn)前需要確定AVL483 測量值與實(shí)際稱重的偏差系數(shù)k 用于原始soot 排放的測定，選擇GPF 溫度小于800℃的工況點(diǎn)：

AVL483積分量為IntegralSoot，GPF碳載量為ΔM，則：

以本次標(biāo)定的3 缸機(jī)為例：k=3.07g/2.18g=1.41，此偏差系數(shù)用于后續(xù)的原始soot 排放標(biāo)定。

3.1.2 原始soot 排放測定

原始soot 排放需要標(biāo)定熱機(jī)、冷機(jī)工況下的單次噴射模式（HOM）和2 次噴射模式（HSP）的原始soot 排放，發(fā)動機(jī)不同工況下soot 的生成速率不同，按照發(fā)動機(jī)的萬有測量工況，將平均值乘以AVL483偏差系數(shù)k 填入map 即可。

圖2 為通過測量發(fā)動機(jī)萬有數(shù)據(jù)后處理的原始soot 排放數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)填入map，由于發(fā)動機(jī)工作穩(wěn)定，不同發(fā)動機(jī)原始soot 排放差異小，當(dāng)發(fā)動機(jī)在相應(yīng)工況運(yùn)行時(shí)，通過查map 的方法確定相應(yīng)工況的原始soot 排放，通過積分計(jì)算，可以計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的soot 質(zhì)量，通過GPF 的捕集效率可以計(jì)算GPF 內(nèi)積累碳的質(zhì)量。

圖2 發(fā)動機(jī)原始soot 排放測量數(shù)據(jù)

3.1.3 空燃比對原始soot 排放修正

由于空燃比加濃會造成soot 濃度的增加，因此需要測定不同空燃比下soot 的值，確定不同空燃比對空燃比為1 情況下的修正。

圖3 為空燃比加濃對soot 的修正曲線。由于空燃比加濃，發(fā)動機(jī)燃燒會變差，會增加soot 的排放量。由圖可以看出隨著空燃比的加濃，soot 濃度變大，加濃系數(shù)也在變大。通過加濃系數(shù)的修正可以精確計(jì)算發(fā)動機(jī)運(yùn)行在加濃工況中soot 排放的生成量。

圖3 空燃比對soot 排放的修正曲線

3.2 燃燒速率標(biāo)定

3.2.1 定氧流量標(biāo)定

定氧流量標(biāo)定指保持GPF 中的氧流量不變，變化GPF 中的溫度，計(jì)算soot 的燃燒速率。

按照800℃以下溫度斷點(diǎn)（450℃，600℃，650℃，750℃，800℃），找到600 mg/s 的氧流量時(shí)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及空燃比的工況，GPF 溫度通過轉(zhuǎn)速、負(fù)荷來調(diào)整，氧流量通過空燃比調(diào)整。

氧流量的計(jì)算公式：

O2_MF=64.361*空氣質(zhì)量*（1-1/φat）（mg/s）（2）

每一個(gè)測量點(diǎn)都要先快速累碳4～5 g。

1）按照工況做穩(wěn)態(tài)燃燒再生，溫度越高再生時(shí)間要逐步縮短。

2）燃燒后稱重，得到剩余碳載量，剩余碳量小于2 g。

3）計(jì)算各溫度點(diǎn)下的燃燒速率。

圖4 為某3 缸機(jī)定氧流量燃燒速率隨溫度的變化曲線。

圖4 600 mg/s 氧流量不同溫度時(shí)碳的燃燒速率

碳的燃燒需要具備2 個(gè)條件：氧氣和溫度。由圖4 可以看出，相同氧流量下，隨著溫度的增加，燃燒速率也在增加。在確定GPF 內(nèi)氧流量、溫度以及載碳量后可以精確地確定GPF 內(nèi)碳的燃燒速率，達(dá)到計(jì)算GPF 剩余碳量的目的。

3.2.2 定溫標(biāo)定

定溫標(biāo)定指保持GPF 內(nèi)溫度不變，變化氧流量，計(jì)算GPF 內(nèi)soot 的燃燒速率。

按照氧流量斷點(diǎn)（200 mg/s、600 mg/s、1 000 mg/s、6 600 mg/s）找到GPF 溫度在650℃的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及空燃比的工況。GPF 內(nèi)溫度通過轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)整；氧流量通過空燃比調(diào)整。

1）每一個(gè)測量點(diǎn)都要先快速累碳4～5 g。

2）按照工況序列做穩(wěn)態(tài)燃燒再生。空燃比較濃時(shí)，再生時(shí)間要長些（例如30 min），隨著空燃比的漸稀，再生時(shí)間逐步縮短。

3）燃燒后稱重，得到剩余碳載量，剩余碳量小于2 g。

4）計(jì)算各工況點(diǎn)燃燒速率。

圖5 為3 缸機(jī)650℃時(shí)不同氧流量碳的燃燒速率曲線。

圖5 GPF 內(nèi)650℃時(shí)不同氧流量碳的燃燒速率曲線

由圖5 可以看出，相同溫度下，燃燒速率隨著氧流量的增加也在增加。

通過以上定溫、定氧工況下燃燒速率的確定，可以通過插值計(jì)算的方法確定在不同溫度、不同氧流量下GPF 內(nèi)碳的燃燒速率。

3.3 最大燃燒速率標(biāo)定

3.3.1 滿載最大燃燒速率標(biāo)定

標(biāo)定最大燃燒速率需要首先定義GPF 的最大碳載量（定義最大碳載量的標(biāo)準(zhǔn)是影響到發(fā)動機(jī)的性能）。圖6 為GPF 內(nèi)不同碳載量時(shí)碳的燃燒速率。

圖6 GPF 內(nèi)不同碳載量時(shí)碳的燃燒速率

本次標(biāo)定的3 缸發(fā)動機(jī)定義GPF 最大碳載量為24 g。

滿載碳量最大燃燒速率標(biāo)定需要在相同工況再生7 次，最后一次再生剩余碳量大于0 g，同時(shí)小于1 g，每次再生后稱重同時(shí)計(jì)算燃燒速率。

從圖6 可以看出，GPF 內(nèi)碳載量不同，燃燒碳的速率不同，碳載量越高，燃燒速率越快，

3.3.2 半載碳量最大燃燒速率標(biāo)定

1）重新快速累碳至最大碳載量的一半左右12.57 g。半載碳量最大燃燒速率標(biāo)定需要在相同工況再生3 次，最后一次再生剩余碳量大于0 g，同時(shí)小于1 g，每次再生后稱重同時(shí)計(jì)算燃燒速率。圖7為GPF 內(nèi)不同碳載量時(shí)碳的燃燒速率。

圖7 GPF 內(nèi)不同碳載量時(shí)碳的燃燒速率

從圖7 可以看出，GPF 內(nèi)碳載量不同，燃燒碳的速率不同，碳載量越高，燃燒速率越快。

通過滿載和半載碳量燃燒速率的測定，確定不同碳載量下GPF 內(nèi)碳的燃燒速率，并結(jié)合定溫、定氧情況下測定的燃燒速率，用于燒碳模型的建立。

3.4 累碳模型驗(yàn)證

累碳模型的建立主要是根據(jù)原始soot 排放數(shù)據(jù)的測量，通過標(biāo)定發(fā)動機(jī)不同運(yùn)行工況的soot 流量，通過積分計(jì)算的方法確定發(fā)動機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后GPF 內(nèi)的累積碳量。通過AVL483 設(shè)備可以進(jìn)行校正模型的偏差。

模型檢查循環(huán)方式為WLTC 循環(huán)，基于GPF 在循環(huán)中的溫度高低，循環(huán)需要跑多次。而且測試結(jié)束時(shí)，GPF 中也要有碳的存留，至少在1g 以上，所以這里的熱起動循環(huán)次數(shù)為n，需要依項(xiàng)目情況而定。

在該測試中，可以依照模擬通道采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更正累碳模型值，最終模型計(jì)算累碳量要大于實(shí)際碳載量30%以內(nèi)。

通過發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)行WLTC 循環(huán)進(jìn)行累碳試驗(yàn)。圖8 為累碳過程，累碳模型值與AVL483 積分值對比，兩者偏差在30%以內(nèi)，滿足模型精度的要求。

圖8 累碳模型檢查數(shù)據(jù)

3.5 燒碳模型檢查

燒碳模型的建立主要是在確定GPF 內(nèi)的累碳量后通過確定GPF 內(nèi)的溫度、氧流量等參數(shù)，以及標(biāo)定的不同溫度、氧流量及碳載量下的燃燒速率，確定在一定時(shí)間內(nèi)的燒碳量，通過稱重法確定GPF 內(nèi)的剩余碳量，可以檢查燒碳模型的精度。

模型檢查循環(huán)方式為WLTC 循環(huán)，基于GPF 在循環(huán)中的溫度高低，循環(huán)需要跑多次，而且測試結(jié)束時(shí)，GPF 中也要有碳的存留，至少在1 g 以上，所以這里的熱起動循環(huán)次數(shù)為n，需要依項(xiàng)目情況而定。在該測試中，可以依照模擬通道采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更正累碳模型，最終模型計(jì)算累碳量要大于實(shí)際碳載量30%以內(nèi)，圖9 為燒碳模型檢查數(shù)據(jù)。

圖9 燒碳模型檢查數(shù)據(jù)

模型再生碳量4.505 g，實(shí)際再生碳量4.41 g，實(shí)際小于模型燒碳速率2.1%，燒碳過程主要集中的高轉(zhuǎn)速區(qū)域，燒碳模型最后剩余碳量與實(shí)際稱重的碳量偏差在30%以內(nèi)，滿足燒碳模型精度要求。

4 結(jié)論

1）通過測量發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速和工況的原始soot 排放數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行GPF 累碳模型的建立，通過積分確定GPF 在運(yùn)行一定時(shí)間后的累碳量。

2）定氧和定溫情況下，GPF 內(nèi)的燃燒速率會隨著氧流量增加以及溫度增加，燃燒速率也跟著增加。在最大氧流量以及最大溫度條件下，GPF 內(nèi)的碳的燃燒速率隨著碳載量的減小而減??；通過測定不同溫度及不同氧流量下的碳的燃燒速率，可以精確計(jì)算GPF 在燒碳模型中燒的碳量。

3）通過運(yùn)行WLTC 工況，發(fā)動機(jī)運(yùn)行到相應(yīng)的工況，通過原始soot 排放模型的標(biāo)定，模型可以根據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況及時(shí)間計(jì)算GPF 的累碳量，通過實(shí)際測量GPF 累碳模型與AVL483 積分值接近，能滿足模型的要求。

4）通過運(yùn)行WLTC 工況，根據(jù)發(fā)動機(jī)的再生運(yùn)行工況確定GPF 內(nèi)碳的燃燒速率模型和累碳模型，再生完成后可以確定GPF 內(nèi)剩余的碳量，通過試驗(yàn)GPF 燒碳模型與稱重值接近，能滿足模型的要求。

通過以上參數(shù)及模型的標(biāo)定及驗(yàn)證，可以很好地對GPF 的碳載量模型進(jìn)行控制，防止GPF 損壞或者堵塞對發(fā)動機(jī)性能的影響。