汽油機(jī)顆粒捕集器的斷油保護(hù)

馮觀華，郭勇志

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

2016年12月23日，《輕型汽車污染物排放限值及其測(cè)量方法（第六階段）》［1］發(fā)布，即國(guó)六排放法規(guī)，該法規(guī)將顆粒物排放的質(zhì)量（Particulate Mass，PM）和數(shù)量（Particulate Number，PN）納入控制監(jiān)管范圍。其中，國(guó)六排放法規(guī)a階段規(guī)定PN限值為6.0×1011個(gè)/km，PM限值為4.5 mg/km，2023年7月1日即將實(shí)施的國(guó)六排放法規(guī)b階段則將更加嚴(yán)格，規(guī)定PM限值為3 mg/km。為了達(dá)到國(guó)六排放法規(guī)的要求，很多主機(jī)廠在產(chǎn)品中增加了汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）。GPF可以過(guò)濾近90%的顆粒物排放，但是其在捕集了一定量的顆粒物后，需要適時(shí)地將累積的顆粒物燃燒掉，而且GPF有最大的熱應(yīng)力承受范圍。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)GPF的斷油保護(hù)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從而通過(guò)對(duì)整車行駛過(guò)程中的斷油再生進(jìn)行控制，達(dá)到保護(hù)GPF的目的，防止超溫?zé)龎腉PF。

1 GPF的結(jié)構(gòu)、布置方式及再生

1.1 GPF的結(jié)構(gòu)

圖1為GPF的壁流式結(jié)構(gòu)示意圖。GPF的外形一般為圓柱體，其內(nèi)部細(xì)分為多個(gè)平行于軸向的峰窩方形孔道，相鄰峰窩孔道的入口端和出口端交替堵塞。GPF的載體材料一般為堇青石，其主要優(yōu)點(diǎn)為成本低、耐高溫、熱膨脹系數(shù)低及機(jī)械強(qiáng)度高。通常，GPF的穩(wěn)態(tài)最高耐受溫度為950 ℃，瞬態(tài)最高耐受溫度為1 050 ℃，其耐受溫度由供應(yīng)商確定。在汽車的實(shí)際使用過(guò)程中，其產(chǎn)生的尾氣從垂直于GPF軸向的一個(gè)端面的所有開(kāi)口通道流入，在壓差的作用下，尾氣在GPF的內(nèi)部穿越通道壁面，從垂直于GPF軸向的另一個(gè)端面的所有開(kāi)口通道流出。尾氣在通過(guò)GPF時(shí)，尾氣中的顆粒物主要通過(guò)擴(kuò)散、慣性碰撞、重力、靜電和攔截等捕集機(jī)理被捕集在GPF內(nèi)部，從而達(dá)到過(guò)濾尾氣的作用。

圖1 GPF的壁流式結(jié)構(gòu)

1.2 GPF的布置方式

GPF在整車排氣管中有兩種主流布置方式：后置式布置（Under-floor，UF）和緊耦合布置（Closed-coupled，CC）。如圖2所示，后置式布置是把GPF安裝在離TWC（三元催化器）較遠(yuǎn)的下游位置，緊耦合布置是把TWC和GPF集成，安裝在離排氣歧管較近的部位［2］。這兩種布置方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。后置式布置的GPF捕集效率高，對(duì)排氣系統(tǒng)的背壓影響小，但GPF內(nèi)部溫度低，不利于碳顆粒物（soot）的燃燒，主動(dòng)再生的頻率高。緊耦合布置的GPF內(nèi)部溫度高，有利于soot的燃燒，主動(dòng)再生頻率低，但捕集效率較低，對(duì)背壓影響大。

圖2 GPF的兩種布置方式示意圖

1.3 GPF的再生

汽車運(yùn)行過(guò)程中，GPF會(huì)捕集尾氣中的顆粒物，顆粒物中含有碳顆粒物（soot）和灰分（ash），其中soot是可以被氧化的，而ash是不可以被氧化的。當(dāng)GPF中的顆粒物累積量過(guò)大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓會(huì)升高，使得殘余廢氣系數(shù)和泵氣損失升高，降低了功率輸出，提高燃油消耗率，所以需要適時(shí)對(duì)GPF進(jìn)行再生以恢復(fù)GPF空載狀態(tài)，從而恢復(fù)汽車的性能。

GPF的再生實(shí)際是將捕集到的顆粒物中的soot燃燒掉，主要發(fā)生以下兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)：①當(dāng)GPF的內(nèi)部溫度大于550 ℃且氧濃度大于0.5%時(shí)，發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)C+O2=CO2。②當(dāng)GPF的內(nèi)部溫度大于800 ℃且沒(méi)有氧氣時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)C+H2O=CO+H2。

GPF中的soot通過(guò)以上化學(xué)反應(yīng)被氧化成為氣態(tài)排放物CO2或CO排出GPF。但是，顆粒物中的ash主要成分是鹽類物質(zhì)（CaO、ZnO、P2O5、Fe2O3、SO3等），是不能被去除的，而會(huì)一直累積在GPF中。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，累積的ash會(huì)越來(lái)越多，直到排氣背壓的升高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生顯著影響時(shí)，就需要更換新的GPF。

GPF的再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生。主動(dòng)再生是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的主動(dòng)干預(yù)和延遲點(diǎn)火角增加排溫及減稀空燃比增加氧流量，從而給GPF營(yíng)造高溫富氧的條件，以期燃燒盡其中累積的soot。當(dāng)駕駛員在高速駕駛車輛過(guò)程中突然松開(kāi)油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門將由較大的開(kāi)度位置迅速減小到怠速位置，使得進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的新鮮空氣量減少，為避免混合氣過(guò)濃導(dǎo)致燃燒不充分，同時(shí)提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，通常中斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射，此時(shí)在汽車慣性力的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)仍高速旋轉(zhuǎn)而車輛沒(méi)有動(dòng)力請(qǐng)求，直到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到設(shè)定的轉(zhuǎn)速或者因駕駛員重新踩油門踏板使得節(jié)氣門重新打開(kāi)后才恢復(fù)供油，即減速斷油過(guò)程。在斷油過(guò)程中，排氣中的氧流量大幅度增加，若此時(shí)GPF內(nèi)部溫度達(dá)到再生要求，則GPF中累積的soot可迅速被燃燒掉，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的主動(dòng)干預(yù)，從而恢復(fù)GPF的過(guò)濾性能，此為被動(dòng)再生過(guò)程［3］。

與主動(dòng)再生相比，斷油再生可以節(jié)約燃油，而且不需要駕駛員刻意為之。但是，斷油再生過(guò)程燃燒劇烈，會(huì)使GPF內(nèi)部溫度迅速升高，此時(shí)要確保GPF內(nèi)部的瞬時(shí)最大溫度不能超過(guò)GPF的耐受限值，否則會(huì)燒毀GPF；但選擇直接粗暴關(guān)閉斷油再生功能的做法也是不妥當(dāng)?shù)?，這將降低車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，甚至?xí)斐绍囕v頻繁提示進(jìn)行主動(dòng)再生操作，這樣會(huì)大大降低消費(fèi)者的滿意度和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。為此，合理運(yùn)用斷油再生功能是GPF標(biāo)定中的一項(xiàng)重要工作。為了確保斷油再生過(guò)程中GPF內(nèi)部溫度不會(huì)超過(guò)其耐受限值，GPF再生模塊中的斷油保護(hù)邏輯中有一個(gè)標(biāo)定量，會(huì)根據(jù)碳載量、GPF的中心溫度實(shí)時(shí)判斷是否允許斷油及在斷油再生過(guò)程中適時(shí)地禁止斷油使之恢復(fù)供油，避免GPF被燒壞。本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)此斷油保護(hù)標(biāo)定量進(jìn)行標(biāo)定。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)基礎(chǔ)

以一臺(tái)1.5 L的自然吸氣直列四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)搭建臺(tái)架，其中使用的GPF布置方式為緊耦合。為了能監(jiān)測(cè)到斷油試驗(yàn)過(guò)程中GPF內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度表現(xiàn)，需要對(duì)試驗(yàn)用的GPF進(jìn)行改造，目的是以安裝1 mm的熱電偶（如圖3所示），GPF上安裝的5根熱電偶安裝位置信息見(jiàn)表1。臺(tái)架布置及各種通信設(shè)備連接如圖4所示，通過(guò)ETAS公司的CAN通信設(shè)備、INCA軟件與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開(kāi)度、空燃比、斷油等控制參數(shù)，其中GPF的溫度是通過(guò)ES650設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X顯示的。

圖3 熱電偶安裝位置

表1 熱電偶安裝位置信息

圖4 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 臺(tái)架試驗(yàn)方法

新生產(chǎn)的GPF中含有碎屑，這些碎屑必須清除，否則會(huì)影響后續(xù)的稱重，而且新的GPF的過(guò)濾效率低，不處于穩(wěn)定的過(guò)濾效率區(qū)間，所以GPF改造結(jié)束后需要對(duì)其進(jìn)行激活。GPF激活結(jié)束后通過(guò)提高轉(zhuǎn)速、油門增加GPF內(nèi)部的溫度及減稀空燃比增加氧流量對(duì)GPF進(jìn)行清碳，確保其空載狀態(tài)，然后將GPF拆下進(jìn)行保溫稱重，得到GPF的基準(zhǔn)重量。接著裝上發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻裝置、加濃空燃比等措施對(duì)GPF進(jìn)行快速累碳。累碳結(jié)束后拆下保溫稱重得其重量，減去基準(zhǔn)重量就可以得到GPF內(nèi)部的實(shí)際碳載量。

將累積有一定碳量的GPF裝上發(fā)動(dòng)機(jī)后，在INCA提前設(shè)置空燃比為0.98，然后通過(guò)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，熱機(jī)結(jié)束后，尋找GPF的中心溫度T_X_GPF_2為600 ℃的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，一般尋找比較高轉(zhuǎn)速的極限工況。當(dāng)GPF溫度達(dá)到600 ℃后，維持5 min，然后通過(guò)INCA關(guān)閉節(jié)氣門，之后斷油，同時(shí)通過(guò)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)令發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速用 40 s 的時(shí)間從當(dāng)前轉(zhuǎn)速下降至 1 200 r/min，模擬整車松油門斷油過(guò)程。在斷油期間觀察各熱電偶的溫度值，如果試驗(yàn)過(guò)程中有熱電偶溫度達(dá)到970 ℃，立刻通過(guò)INCA恢復(fù)供油停止試驗(yàn)，防止燒壞GPF。如果溫度過(guò)高，則將GPF完全再生，然后重新給GPF快速累碳，其累碳時(shí)間比上次累碳時(shí)間適當(dāng)減少，稱重得到實(shí)際碳載量后再重新進(jìn)行斷油試驗(yàn)，直到找到熱電偶最高溫度在950 ℃左右的碳載量，則此時(shí)碳載量即為該溫度下的安全碳載量。同理，分別確定650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃及850 ℃環(huán)境下的安全碳載量。

2.2.2 整車試驗(yàn)方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上快速給GPF累積一定量的碳，將此GPF裝上試驗(yàn)車。將試驗(yàn)車上整車轉(zhuǎn)鼓并固定好，在整車轉(zhuǎn)鼓控制室設(shè)置好此車型的相關(guān)系數(shù)。在INCA里設(shè)置空燃比稀限為0.98，關(guān)閉主動(dòng)再生及自動(dòng)減速斷油功能。一切準(zhǔn)備好后，啟動(dòng)試驗(yàn)車并用自動(dòng)擋駕駛，使GPF的中心溫度為目標(biāo)溫度，并維持5 min，然后放開(kāi)空燃比稀限、放開(kāi)斷油限制，并松開(kāi)油門，同時(shí)讓轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)員設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)南缕露龋@樣可以使試驗(yàn)車帶擋滑行久一些，使試驗(yàn)車可以一直斷油并觀察斷油期間GPF各熱電偶的溫升情況。斷油期間若有熱電偶溫度達(dá)到950 ℃，可通過(guò)踩油門恢復(fù)供油，避免燒壞GPF。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于臺(tái)架試驗(yàn)方法進(jìn)行多次試驗(yàn)，得到表2中的試驗(yàn)結(jié)果，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為斷油前的轉(zhuǎn)速，各熱電偶值為斷油過(guò)程中所能達(dá)到的最大值。

表2 各溫度與其安全碳載量

獲得表2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，基于整車試驗(yàn)方法進(jìn)行兩個(gè)溫度點(diǎn)的整車試驗(yàn)，用于驗(yàn)證此溫度點(diǎn)的安全碳載量在長(zhǎng)時(shí)間斷油時(shí)，GPF的溫度是否會(huì)超過(guò)其耐受值，獲得表3中的試驗(yàn)結(jié)果，其中車速為斷油前的試驗(yàn)車車速，各熱電偶值為斷油過(guò)程中能達(dá)到的最大值。

表3 整車斷油驗(yàn)證結(jié)果

由表3可知，700 ℃和800 ℃這兩個(gè)溫度點(diǎn)的整車斷油期間各熱電偶的最高溫度都未超過(guò)950 ℃，在GPF的耐受溫度范圍內(nèi)。

對(duì)由臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)得到的各溫度點(diǎn)的安全碳載量結(jié)果及整車標(biāo)定驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到表4中的基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)。

表4 基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)

表4中，橫坐標(biāo)為GPF的中心溫度，縱坐標(biāo)為安全碳載量，表格中與橫、縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的“1”表示禁止斷油，“0”表示允許斷油。對(duì)表4中的基礎(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行外推擬合其他溫度點(diǎn)的安全碳載量，對(duì)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步安全處理，將最終所得結(jié)果填入斷油保護(hù)標(biāo)定量中。

在實(shí)際車輛使用過(guò)程中，實(shí)時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的碳載量和GPF中心溫度這兩個(gè)數(shù)值對(duì)斷油保護(hù)標(biāo)定量進(jìn)行查表法，若所得為“1”，則在松油門使車輛滑行過(guò)程中不會(huì)斷油，若所得為“0”，則在松油門使車輛滑行過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)控制斷油。車輛斷油期間，GPF處于斷油再生過(guò)程，此時(shí)碳載量值因斷油再生而不斷減小，GPF中心溫度值也因?yàn)閿嘤驮偕杆偕?，斷油再生過(guò)程中當(dāng)斷油保護(hù)標(biāo)定量查表法所得為“1”后，系統(tǒng)就會(huì)恢復(fù)供油，GPF就不會(huì)處于斷油再生過(guò)程，從而避免燒毀GPF。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)GPF再生模塊中的斷油保護(hù)標(biāo)定量進(jìn)行標(biāo)定，一方面可以合理利用斷油再生迅速燒掉GPF的soot，恢復(fù)GPF的過(guò)濾性能，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性；另一方面可以在斷油再生期間適時(shí)地恢復(fù)供油，避免不恰當(dāng)?shù)臄嘤蛯?dǎo)致GPF溫度迅速升高超過(guò)其耐受值而燒毀GPF，從而保護(hù)GPF。