GPF斷油再生控制研究

胡璋林

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥230601）

隨著《GB18352.6-2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）的發(fā)布，從2020年7月1日起，國VI標(biāo)準(zhǔn)全面實施。相對于《GB18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法》國V標(biāo)準(zhǔn)來說，國VI要求更為嚴(yán)苛，不僅加嚴(yán)了對CO、HC及NOx的控制，同時要求在各個工況都要保持穩(wěn)定且較低的顆粒物質(zhì)量（PM）和顆粒物數(shù)量（PN）。其中國6a排放標(biāo)準(zhǔn)，PM限值為4.5mg/km，PN限值為6.0×1011個/km；國6b排放標(biāo)準(zhǔn)，PM限值為3mg/km，PN限值為6.0×1011個/km。為了達(dá)到國VI法規(guī)要求，在后處理系統(tǒng)中增加GPF（汽油機(jī)顆粒捕集器）裝置幾乎成為各大主機(jī)廠的標(biāo)準(zhǔn)配置。

1 GPF顆粒捕集器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)及作用

顧名思義，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。汽油機(jī)顆粒捕集器英文全稱Gasoline Particulate Filter，簡稱GPF。一般來說，GPF對顆粒的捕集效率可達(dá)90%，甚至更高。

GPF外型一般為圓柱體，內(nèi)部被分為多個平行于軸向的方形通道，如圖1所示。當(dāng)通道的入口是開口時，出口端就是封閉的；而當(dāng)通道的入口端是封閉時，出口端就是開口的，且封閉口及開口交錯排列布置。

GPF的材料一般是堇青石。一般型GPF的參數(shù)、含義及范圍大致如表1所示。

2 GPF的工作原理

圖1 GPF結(jié)構(gòu)圖

表1 GPF相關(guān)參數(shù)

發(fā)動機(jī)的排氣氣流從垂直于軸向的一個端面的所有開口通道流入。由于壓差作用，氣流在GPF內(nèi)部穿越通道壁面，排氣中的顆粒物此時被通道間的壁面捕集，之后被過濾的排氣從垂直于軸向的另一端面的所有開口通道流出。

發(fā)動機(jī)燃燒的顆粒物產(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。碳顆粒與灰分的積累在前期可提高GPF的過濾系數(shù)。但當(dāng)累積量過大時，發(fā)動機(jī)的排氣背壓會上升，油耗增加。所以要適時對GPF進(jìn)行再生。

GPF的再生主要包含如下兩個化學(xué)方程式。

1）在GPF內(nèi)部溫度高于500℃，且氧濃度大于0.5%時，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，發(fā)生如下化學(xué)吸熱反應(yīng)：C+H2O=CO+H2。

由再生原理可以看出：GPF的再生是在高溫條件下將碳顆粒氧化成氣態(tài)排放物CO2或CO排出GPF的過程。由于顆粒物產(chǎn)物中的灰分主要成分是鹽類物質(zhì)（CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3等），所以GPF中的灰分是不可被去除的，會一直囤積在GPF中。隨著發(fā)動機(jī)運行時間的增加，灰分會越積越多，直到由于排氣被壓得升高，對發(fā)動機(jī)性能發(fā)生顯著影響時，更換新的GPF。

3 GPF再生的分類與比較

GPF的再生分為主動再生和被動再生兩大類，其中主動再生是通過EMS系統(tǒng)的主動干預(yù)，推遲點火角增加排溫、減稀空燃比增加氧流量來燃燒掉GPF中累積的碳顆粒。而被動再生以斷油再生（主要以駕駛員減速斷油階段發(fā)生）為主，利用本身較高的排氣溫度及斷油過程進(jìn)入的大量空氣，實現(xiàn)GPF中碳顆粒的迅速燃燒，這不需要EMS系統(tǒng)的主動干預(yù)。

與主動再生過程相比，斷油再生可以節(jié)約燃油，改善駕駛性，且不需要駕駛員刻意為之，但由于斷油再生過程燃燒劇烈，GPF中心溫度會迅速升高，甚至燒毀GPF裝置，因此很多主機(jī)廠在斷油再生這塊的標(biāo)定設(shè)置十分謹(jǐn)慎，甚至當(dāng)GPF碳載量稍微高一點時就直接關(guān)閉了斷油再生的功能。

顯然直接粗暴關(guān)閉斷油再生功能的做法很不妥當(dāng)，這將導(dǎo)致消費者手中的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性下降，甚至頻繁提示進(jìn)行主動再生操作，大大降低了消費者滿意度和產(chǎn)品競爭力。

為此，合理地運用斷油再生功能將是GPF再生標(biāo)定的一項重要工作，不容小覷！

4 斷油再生的標(biāo)定策略與試驗驗證介紹

理論允許斷油再生碳載量計算如下：

式中：M——理論允許斷油再生最大碳載量；CGPF——GPF比熱容；mGPF——當(dāng)前GPF的質(zhì)量；Tmax——當(dāng)前GPF最高允許達(dá)到的溫度；T——GPF當(dāng)前溫度；qc——碳熱值。

根據(jù)以上計算公式預(yù)填斷油再生控制表（表2）。

表2 斷油再生標(biāo)定MAP

經(jīng)過理論計算預(yù)填完表2后，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗驗證，試驗驗證步驟如下。

圖2 是江淮汽車某款車型GPF斷油再生的相關(guān)數(shù)據(jù)情況。圖3為某工況點轉(zhuǎn)轂驗證過程GPF內(nèi)溫度變化與碳載量變化曲線。

1）使用快速積碳方法，在GPF中累積對應(yīng)碳載量，稱重得到實際碳載量。

2）初始化模型碳載量為實際碳載量值。

3）車輛上整車轉(zhuǎn)轂并固定好，調(diào)整好轉(zhuǎn)轂相關(guān)系數(shù)，關(guān)閉主動再生及自動減速斷油功能，空燃比設(shè)置為0.97（避免再生），駕駛車輛，使GPF中心溫度在對應(yīng)驗證溫度T0處（以GPF 1/2處熱電偶實際溫度為依據(jù)），調(diào)整標(biāo)定量進(jìn)行斷油操作。當(dāng)GPF 5/6處熱電偶溫度值達(dá)到最高值時恢復(fù)供油，觀察GPF 5/6處熱電偶實際溫度是否超過GPF允許的最大溫度值，繼續(xù)重復(fù)上述操作斷油、供油，至模型值減少到約定值時，停止車輛，拆下GPF稱重。一方面通過試驗確認(rèn)該溫度和碳載量工況點斷油是否有GPF超溫風(fēng)險，另一方面對模型碳載量進(jìn)一步修正優(yōu)化。

圖2 斷油再生控制表

圖3 某工況點轉(zhuǎn)轂驗證過程GPF內(nèi)溫度變化與碳載量變化曲線

以上操作完為完成一個斷油再生工況點的標(biāo)定，剩下的工況點將按照以上方法依次進(jìn)行標(biāo)定，直至所有點均驗證完。根據(jù)驗證的結(jié)果將前期預(yù)設(shè)的表格進(jìn)一步優(yōu)化，作為最終斷油再生使用數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

根據(jù)項目實際運用可知，合理地運用斷油再生功能不僅能提升GPF再生效率，避免頻繁提示客戶進(jìn)行主動再生，而且提升了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性，受到廣大消費者一致好評。希望各主機(jī)廠在國VI開發(fā)過程中能夠重視斷油再生的運用，并把它用好。