基于國六法規下的整車GPF再生試驗研究

鄧小康 蔡永明 常健

摘要：在搭載某直列四缸GDI渦輪增壓發動機的整車上進行了怠速再生工況的選擇與驗證，并通過城市工況再生及高速再生驗證了模型的精度。結果表明：在轉速3000r/min、儲備扭矩20Nm時，渦前溫度、GPF入口溫度均未出現超溫的現象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;在城市工況和高速工況下，當前實際碳載值要小于當前模型碳載值，可以早點進入再生，清除掉碳載顆粒物，模型與實際匹配結果較好;再生速率良好，能夠滿足工程應用。

關鍵詞：國六排放法規;缸內直噴發動機;汽油機顆粒捕集器;再生

中圖分類號：TK417.+1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0069-05

鄧小康

畢業于海南大學，碩士研究生，現就職于東風小康汽車有限公司技術中心，任動力標定工程師，主要研究方向：發動機動力標定，已發表論文3篇。

引言

隨著社會的快速發展，我國的機動車保有量在不斷增加，截至到2019年，我國機動車保有量達3.48億輛，其中汽車保有量達2.6億輛。巨大的汽車保有量排放的廢氣使得環境污染加劇，據生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2019）》顯示，汽車排放的CO為2859.3萬噸，NOx為521.9萬噸，PM為42.2萬噸，HC為326.7萬噸，分別占機動車污染物排放總量的92.6%、92.7%，95.5%，88.6%。為了應對日益嚴重的環境污染挑戰，我國環境保護部發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，即國六排放法規，對CO、THC、NMHC、NOx等污染物排放的限制更加嚴格，其中國六a及國六b階段CO的排放限值為0.7g/km和0.5g/km，相較于國五階段的1g/km分別嚴格了30%和50%;國六b的THC、NMHC、NOx排放限值為0.05g/km、0.035g/km、0.035g/km，相較于國五階段分別降低了50%、48.5%、41.7%;并且將NEDC車輛測試循環變更為WLTC車輛測試循環，同時增加了顆粒物排放限值要求及實際道路試驗（RDE），其中顆粒物排放限值國六a階段為4.5mg/km及6.0×10¹¹個/km，到國六b階段為3.0mg/km。越來越嚴苛的汽車廢氣排放限值標準給廢氣后處理等帶來了巨大挑戰。

缸內直噴發動機（GDI）由于其良好的動力性和燃油經濟性而廣泛的應用在汽車上，但是由于其燃油直接噴射到燃燒室內，油氣混合不均等原因導致燃燒后會產生更多的顆粒物排放。～，因此需要在后處理階段增加汽油機顆粒捕集器（GPF）來降低顆粒物排放。目前對GPF的研究集中在GPF性能、再生策略等方面。李配楠等人在某1.5TGDI試驗車上進行試驗發現，增加GPF后的各項排放指標都優于不帶GPF的，能明顯改善CO和NOx排放;另外對GPF布置研究發現，相較于緊耦合式GPF，后置式GPF對排放和油耗都有較好的改善。牛彥凱等人對GPF的工作過程進行模擬發現，GPF進氣流量的減小能有效降低載體前后壓降;提高載體孔目數，增加載體長度都可以提高過濾效率，但載體前后壓降會增大。范明哲等人在某V型66GDI汽油機上上搭建GPF碳載量模型進行仿真標定，對再生策略研究表明主動再生和被動再生模型的偏差分別為9%和6%，模型精度良好，能滿足工程應用。陳京瑞等人闡述了GPF的再生和保護策略，常見的再生方式減速斷油和點火延遲可以提高GPF內部溫度來實現碳載的燃燒恢復GPF的捕集性能;另外通過進口溫度、排氣流量和氧濃度來計算GPF溫度，避免GPF熱損害，進行排溫保護。

為了滿足國六法規標準，在GDI發動機上搭載GPF來減少顆粒物排放，但是GPF中顆粒物的增加如果不及時清理會導致GPF堵塞甚至損壞，影響整車性能，因此本文對整車搭載緊耦合式GPF進行了實車原地怠速再生及城市工況、高速工況再生的實際道路研究，旨在為整車GPF再生提供理論依據。

1試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

試驗使用某車型搭載1.5TGDI缸內直噴渦輪增壓發動機的整車，發動機及整車主要規格參數如表1和表2所示;溫度采集模塊;稱重天平（精度0.1g）;熱電偶;開發ECU;快拆緊耦合式GPF。

1.2試驗方法

1）GPF需要制作成快拆件的形式，以便后續快速拆裝，用于GPF稱重;

2）需要在GPF上合理布置熱偶便于對GPF內部溫度的檢測;

3）對于新的GPF需要進行激活處理。激活方式為：運行車輛200-400km，進行累碳和清碳工況的行車方式，進行兩輪測試并且對徹底清碳工況后的GPF進行稱重，GPF稱重質量接近基礎質量且兩次稱重的差異小于0.2g，即激活完成，并且選擇GPF稱重質量最小的一次為基準質量;

4）為了保證GPF稱重準確，采用熱稱方式，每次稱重都在同一溫度下，選擇GPF中心溫度310℃稱重，避免因溫度不一致而帶來的質量誤差，影響稱重結果。

2試驗結果與分析

2.1怠速再生工況的選擇與驗證

2.1.1怠速再生工況的選擇

怠速再生是為了解決實際行車過程中由于當前車輛GPF累積量過大，超過了GPF的極限碳載量，繼續行車將會對油耗和性能產生影響而進行駐車再生清理GPF中累積的碳載。GPF再生時主要發生如下的化學反應：

C+O2=CO2 （1）

C+CO2=2CO （2）

高溫和富氧是主動再生所必須的條件。選擇2200r/min、2500r/min、2800r/min、3000r/min四種轉速，空燃比減稀到16.5來進行GPF空載下的試驗，施加儲備扭矩以增加排溫，以渦前溫度穩定在850%為邊界，綜合渦前溫度、催化器溫度、GPF人口溫度和儲備扭矩四個方面來尋找合適的工況條件，試驗結果如圖1所示：

從圖1中可以看出，在3000r/min工況時，渦前溫度、催化器溫度和GPF入口溫度基本都是最低的，可以為GPF滿載時再生提供較大的排溫控制余量，使得催化器和GPF不會因為排溫過高而帶來損壞;另外為了增加排溫而加載的儲備扭矩在3000r/min時也是最小，相較于其他轉速工況，可以加載較小的儲備扭矩而達到相同的排溫效果，因此選擇3000r/min作為怠速再生時的轉速工況。

選定3000r/min后，再次進行一次GPF空載的單獨測試，以渦前溫度穩定在850℃，GPF.K口溫度穩定在650℃邊界，不斷施加儲備扭矩增加排溫，得到排溫穩定狀態下的儲備扭矩為20Nm，因此最終選定工況為轉速3000r/min、儲備扭矩20Nm。

2.1.2怠速再生工況的驗證

怠速再生工況的驗證在高溫高原環境下進行，以GPF空載和GPF累積超過極限碳載量來綜合分析。本車AZGPF亮報警燈時的極限碳載量為9g。在GPF空載時通過對開發ECU人為寫入一個大于GPF極限累碳的數值，觸發再生后直到怠速再生主動退出為止;在GPF實際累碳量大于GPF極限累碳量時，觸發怠速再生后，以模型降低為實際值的一半時結束再生，驗證在特殊環境下GPF是否出現超溫等異?，F象?？蛰d和實際累碳超過極限碳載量下的試驗結果如表3、表4所示。

從表3、表4可以看出，在高溫高原特殊環境下，通過對空燃比減稀、施加儲備扭矩來增加GPF中的氧含量和排氣溫度使得GPF中累積的碳量快速燃燒，均沒有出現渦前溫度和GPF人口溫度超溫的現象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;另外再生時長都較短，能為以后實際的工程應用節約時間;表4中，高溫高原下，碳載模型值分別降低6.1 g、7.1g，實際碳載值降低為6.4g、6.8g，模型變化與實際碳載變化基本一致，匹配良好。

2.2城市工況再生

城市工況再生時，在城市區間采用減稀空燃比和減速斷油（DFCO）的方式進行綜合清碳。減稀空燃比和減速斷油都是使得排氣中氧含量增加，排溫迅速增加，達到GPF再生的溫度點，滿足GPF內高溫富氧的條件，使得GPF內顆粒物迅速燃燒，從而恢復GPF的捕集能力。試驗通過累積碳載量到一定量時，駕駛車輛車速低于60km/h進行碳載主動再生，對比模型碳載再生量和實際稱重計算的再生量及再生模型偏差，進而評估模型精確度和再生速率是否滿足要求。表5是城市工況下再生數據。

從表5中可以看出實際碳載再生量比模型再生值稍高，說明再生后的當前實際碳載值要小于當前模型碳載值，這樣可以讓再生過程更早一點進入，使得GPF內的碳載顆粒物得到燃燒，避免過量積累。如果當前模型碳載量低于當前實際碳載量時會造成過長的GPF再生周期川，并且會導致碳載顆粒物會不斷的在GPF內累積，嚴重可能導致GPF堵塞。表5中試驗數據表明，模型再生量與實際再生量匹配良好。并且通過再生速率來看，在城市工況下再生速率良好，可以快速清理掉累積的碳量，避免碳量累積。另外在城市工況下模型偏差分別為0%、1%、4%、4%、5%，再生模型偏差在15%以內，屬于可接受的范圍，能保持一定的試驗重復性。

2.3高速工況再生

高速再生時，采用減稀空燃比和減速斷油的方式進行綜合清碳。累積碳載量到一定量時，駕駛車輛車速在60-80km/h進行碳載主動再生，對比模型碳載再生量和實際稱重計算的再生量及再生模型偏差，進而評估模型精確度和再生速率是否滿足要求。表6是高速工況下再生數據。

從表6中實際碳載再生量比模型再生值稍高，這和城市工況綜合清碳的規律一致，說明模型和實際的匹配精度好;另外通過再生速率來看，最大為25.2g/h，最小為9.7g/h，分析認為是二者的初始碳載量不同造成的，初始碳載量高再生時燃燒更迅速，燃燒速率偏快。對再生速率平均來看，在高速情況下再生良好，能滿足工程應用。另外在城市工況下模型偏差分別為9%、15%、49%、8%、1%，大部分再生模型偏差在15%以內，屬于可接受的范圍，能保持一定的試驗重復性。

3結論

1）在轉速3000r/min、儲備扭矩20Nm的工況下進行特殊環境下整車怠速再生時，渦前溫度、GPF入口溫度均未出現超溫的現象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;

2）城市工況和高速工況下，當前實際碳載值要小于當前模型碳載值，可以早點進入再生，清除掉碳載顆粒物，模型與實際匹配結果較好;再生速率良好，滿足工程應用。