汽油顆粒捕集器(GPF)累碳及再生狀態(tài)研究

李樹宇

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

0 引言

汽油機(jī)顆粒捕集器GPF是從排放后處理的角度降低顆粒物排放的手段之一。在車輛排氣系統(tǒng)中安裝GPF之后，可過濾掉近90%的顆粒物排放。但GPF在捕集了一定量的顆粒物之后，需要發(fā)動機(jī)創(chuàng)造條件使其高溫再生，且GPF本身有一個最大熱應(yīng)力的承受范圍。這就需要發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對GPF的狀態(tài)加以了解[1-9]，并對累碳過程、再生過程施以精確的控制。本文通過冬季低溫試驗采集冷啟動數(shù)據(jù)對累碳情況進(jìn)行研究；通過整車路試研究累碳情況以及再生功能和模型，并以接近用戶使用車輛的方式驗證模型。

1 試驗對象及試驗方案設(shè)計

1.1 試驗對象

試驗發(fā)動機(jī)為直噴汽油(gasoline direct injection, GDI)電控增壓發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)配置汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particle filter, GPF)。發(fā)動機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗方法

冷啟動累碳試驗方法：在冬季低溫環(huán)境試驗中，在-30℃～0℃下起動車輛，怠速行車2～3 km，然后熄火停車，每天2次冷起動，間隔時間6 h以上，重復(fù)此步驟，5天后拆掉GPF進(jìn)行保溫稱重。

整車?yán)厶荚囼灧椒ǎ耗M客戶需求，在城市、鄉(xiāng)村、高速各工況下每1 000 km里程拆掉GPF進(jìn)行保溫稱重。

主動再生和服務(wù)再生：首先快速累碳到一定的值(滿載的38%～50%)，車速大于50 km/h下研究主動再生的燒碳情況，并拆掉GPF進(jìn)行保溫稱重；服務(wù)再生研究3 000 r/min、3 700 r/min下的碳模型以及燒完的時間。

共有2臺車輛參與試驗，冷起動累碳和再生試驗在1臺車輛上完成，整車?yán)厶荚诹?臺車輛上完成。

1.3 GPF模型

通過發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)，對不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷建立發(fā)動機(jī)碳煙的原始模型[10-11]，然后以空燃比、水溫，啟動溫度等對發(fā)動機(jī)GPF裝置之前的尾氣排放進(jìn)行修正，從而建立GPF的累碳模型，即為發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)測到的模型值；通過高溫爐干燥保溫，天平稱重，得到碳煙的稱重實際值；從而對模型值與實際值進(jìn)行比對，如有偏差，對GPF的累碳模型進(jìn)行修改，保證模型合理，且在誤差范圍內(nèi)。

1.4 試驗設(shè)備

拆裝、保溫以及稱重所需要相關(guān)設(shè)備及其工作參數(shù)見表2。

表2 GPF標(biāo)定設(shè)備資源列表

2 試驗結(jié)果分析

2.1 低溫冷啟動累碳、整車?yán)厶挤治?/h3>

低溫冷啟動下GPF模型累碳值和實際稱重值對比。如圖1、圖2所示，經(jīng)過不同低溫的冷啟動試驗發(fā)現(xiàn)，在啟動暖機(jī)過程中，由于發(fā)動機(jī)在低溫下阻力大，機(jī)油粘度大，啟動到暖機(jī)過程空燃比較濃，生成的碳煙量較多。在溫度較低的區(qū)域，比如東北區(qū)域，按照一天兩次冷啟動，并行駛2～3 km，正好是城市工況。結(jié)合圖1、圖2可以得知，試驗期間一共進(jìn)行了10次冷啟動，模型累碳1.51 g，共行駛30 km左右，達(dá)到累碳報警閥值7 g時，大概行駛了140 km。24天左右，車輛儀表盤提示用戶跑高速，進(jìn)行GPF的再生；從圖2可以看出，模型值比實際值控制誤差在30%以內(nèi)?？刂普`差30%是由控制系統(tǒng)供應(yīng)商提供的。通過冷啟動累碳，可以為我們設(shè)置亮燈閥值、進(jìn)行整車再生提供經(jīng)驗。

圖1 不同低溫冷啟動下累碳量及累碳增量變化曲線

圖2 模型碳載量和實際稱重值對比偏差圖

由圖3、圖4可知，該動力總成搭載的GPF整車實際總共跑了4輛車，城市工況4輪；郊區(qū)工況5輪；高速工況3輪。高速工況實際累碳量為負(fù)值，分析應(yīng)為出現(xiàn)了被動再生的情況。由于GPF模型溫度較高，超過了600℃，如果有偏稀空燃比出現(xiàn)就會有碳燃燒，導(dǎo)致實際累碳減少；城市路況和鄉(xiāng)村路況的GPF模型溫度在400℃左右，碳一直在累積，且實際碳載量不大于模型碳載量，但模型碳載量不大于實際碳載量的30%，模型控制合理；隨著行駛里程的增加，累碳量基本呈現(xiàn)線性增加的趨勢，大致每1 000 km增加1 g左右的碳，可以據(jù)此分析采用的數(shù)據(jù)是否合理以及為其他搭載GPF的動力總成提參考。

圖3 累碳量隨整車行駛里程的變化曲線

圖4 三種工況下的累碳對比

2.2 主動再生分析

通過推遲點火角、加濃空燃比快速累積一定的碳載量，用天平稱重為8.5 g。當(dāng)車速大于40 km/h，會進(jìn)入再生工況，使得GPF中的碳被燒掉，可以看出模型值從8.5 g燒到5.6 g、實際稱重值從8.5 g燒到4 g。說明實際燒碳量較多，不會存在GPF被堵的風(fēng)險、模型偏差控制在30%以內(nèi)，說明主動再生功能正常，且可以減少PM排放。

圖5 主動再生情況及模型偏差圖

2.3 服務(wù)再生分析

當(dāng)車輛儀表盤提示客戶跑高速進(jìn)行主動再生時，此時如果還是行駛在城市低速工況，會導(dǎo)致累碳速率始終大于再生速率，達(dá)到閥值以后提示客戶到4s店進(jìn)行服務(wù)再生，以清除GPF的碳載量。下圖為3 000 r/min、3 700 r/min下的駐車服務(wù)再生及再生的時間分析。

3 700 r/min和3 000 r/min下駐車服務(wù)再生的結(jié)果如圖6～圖8所示。在3 700 r/min下需要2個循環(huán)將15 g累碳量全部燒完、每個循環(huán)結(jié)束用時53 min，且模型燒碳量小于實際燒碳量，模型的誤差控制在30%以內(nèi)；而3 000 r/min下需要4個循環(huán)才能將17 g累碳量全部燒完，且模型存在偏差，需要客戶在4s店駐車高怠速將近4 h左右，且需要耗時耗油，會引起用戶的抱怨；由于在駐車服務(wù)再生過程中空燃比在1.1附近，點火角也推遲較大，點火效率低，從而排氣系統(tǒng)的熱量大，前艙溫度超過零部件的閥值，造成車輛自燃的風(fēng)險。通過驗證認(rèn)為在3 700 r/min下既能減少用戶的抱怨，在短時間內(nèi)將碳燃燒掉，還能使GPF的溫度不至于太高。研究認(rèn)為3 700 r/min下進(jìn)行駐車服務(wù)再生比較合理。

圖6 3 700 r/min下服務(wù)再生及模型偏差

圖7 3 000 r/min下服務(wù)再生及模型偏差

圖8 3 000 r/min下服務(wù)再生及模型偏差

3 結(jié)論

通過對該動力總成匹配整車的低溫冷啟動累碳和整車工況累碳及再生工況的試驗，得到了以下幾點結(jié)論，為整車GPF標(biāo)定奠定了理論基礎(chǔ)，也可供汽油機(jī)標(biāo)定工程師參與其他項目做參考。

(1)低溫冷啟動是整車?yán)厶嫉闹饕r，在東北等較冷地區(qū)，長時間行駛城市工況在1個月之內(nèi)儀表盤會亮發(fā)動機(jī)故障燈，為減少用戶的抱怨，綜合考慮增加整車?yán)厶剂康南拗?；模擬用戶常用工況發(fā)現(xiàn)，城市、郊區(qū)工況是累碳的區(qū)域，每1 000 km累碳1 g左右，高速工況下不會有碳載量產(chǎn)生，主要是GPF溫度高，在高速高負(fù)荷下積碳被燒掉了；

(2)整車路試中，在車速達(dá)到一定值后，能夠進(jìn)入到服務(wù)再生工況，服務(wù)再生功能正常，且實際燒碳量多于模型燒碳量，GPF沒有被堵塞的風(fēng)險；對比3 700 r/min、3 000 r/min下的駐車服務(wù)再生后發(fā)現(xiàn)，保證積碳可以被燒的前提下，兼顧減少用戶的抱怨、減少因GPF再生溫度過高導(dǎo)致的車輛自燃的分險。因此，在3 700 r/min條件下進(jìn)行服務(wù)再生較為合理。