汽油機顆粒捕集器的斷油保護

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量方法（第六階段）》［1］發布，即國六排放法規，該法規將顆粒物排放的質量（Particulate Mass，PM）和數量（Particulate Number，PN）納入控制監管范圍。其中，國六排放法規a階段規定PN限值為6.0×1011個/km，PM限值為4.5 mg/km，2023年7月1日即將實施的國六排放法規b階段則將更加嚴格，規定PM限值為3 mg/km。為了達到國六排放法規的要求，很多主機廠在產品中增加了汽油機顆粒捕集器（GPF）。GPF可以過濾近90%的顆粒物排放，但是其在捕集了一定量的顆粒物后，需要適時地將累積的顆粒物燃燒掉，而且GPF有最大的熱應力承受范圍。因此，本文通過試驗對GPF的斷油保護參數進行標定，從而通過對整車行駛過程中的斷油再生進行控制，達到保護GPF的目的，防止超溫燒壞GPF。

1 GPF的結構、布置方式及再生

1.1 GPF的結構

圖1為GPF的壁流式結構示意圖。GPF的外形一般為圓柱體，其內部細分為多個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，其主要優點為成本低、耐高溫、熱膨脹系數低及機械強度高。通常，GPF的穩態最高耐受溫度為950 ℃，瞬態最高耐受溫度為1 050 ℃，其耐受溫度由供應商確定。在汽車的實際使用過程中，其產生的尾氣從垂直于GPF軸向的一個端面的所有開口通道流入，在壓差的作用下，尾氣在GPF的內部穿越通道壁面，從垂直于GPF軸向的另一個端面的所有開口通道流出。尾氣在通過GPF時，尾氣中的顆粒物主要通過擴散、慣性碰撞、重力、靜電和攔截等捕集機理被捕集在GPF內部，從而達到過濾尾氣的作用。

圖1 GPF的壁流式結構

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點和缺點。后置式布置的GPF捕集效率高，對排氣系統的背壓影響小，但GPF內部溫度低，不利于碳顆粒物（soot）的燃燒，主動再生的頻率高。緊耦合布置的GPF內部溫度高，有利于soot的燃燒，主動再生頻率低，但捕集效率較低，對背壓影響大。

圖2 GPF的兩種布置方式示意圖

1.3 GPF的再生

汽車運行過程中，GPF會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GPF中的顆粒物累積量過大時，發動機的排氣背壓會升高，使得殘余廢氣系數和泵氣損失升高，降低了功率輸出，提高燃油消耗率，所以需要適時對GPF進行再生以恢復GPF空載狀態，從而恢復汽車的性能。

GPF的再生實際是將捕集到的顆粒物中的soot燃燒掉，主要發生以下兩個化學反應：①當GPF的內部溫度大于550 ℃且氧濃度大于0.5%時，發生化學放熱反應C+O2=CO2。②當GPF的內部溫度大于800 ℃且沒有氧氣時，發生化學吸熱反應C+H2O=CO+H2。

GPF中的soot通過以上化學反應被氧化成為氣態排放物CO2或CO排出GPF。但是，顆粒物中的ash主要成分是鹽類物質（CaO、ZnO、P2O5、Fe2O3、SO3等），是不能被去除的，而會一直累積在GPF中。隨著發動機運行時間的不斷增加，累積的ash會越來越多，直到排氣背壓的升高對發動機的性能產生顯著影響時，就需要更換新的GPF。

GPF的再生分為主動再生和被動再生。主動再生是通過發動機管理系統的主動干預和延遲點火角增加排溫及減稀空燃比增加氧流量，從而給GPF營造高溫富氧的條件，以期燃燒盡其中累積的soot。當駕駛員在高速駕駛車輛過程中突然松開油門踏板時，發動機的節氣門將由較大的開度位置迅速減小到怠速位置，使得進入發動機氣缸的新鮮空氣量減少，為避免混合氣過濃導致燃燒不充分，同時提高車輛的燃油經濟性，通常中斷發動機的燃油噴射，此時在汽車慣性力的作用下，發動機仍高速旋轉而車輛沒有動力請求，直到發動機的轉速降低到設定的轉速或者因駕駛員重新踩油門踏板使得節氣門重新打開后才恢復供油，即減速斷油過程。在斷油過程中，排氣中的氧流量大幅度增加，若此時GPF內部溫度達到再生要求，則GPF中累積的soot可迅速被燃燒掉，不需要發動機管理系統的主動干預，從而恢復GPF的過濾性能，此為被動再生過程［3］。

與主動再生相比，斷油再生可以節約燃油，而且不需要駕駛員刻意為之。但是，斷油再生過程燃燒劇烈，會使GPF內部溫度迅速升高，此時要確保GPF內部的瞬時最大溫度不能超過GPF的耐受限值，否則會燒毀GPF；但選擇直接粗暴關閉斷油再生功能的做法也是不妥當的，這將降低車輛的燃油經濟性，甚至會造成車輛頻繁提示進行主動再生操作，這樣會大大降低消費者的滿意度和產品的競爭力。為此，合理運用斷油再生功能是GPF標定中的一項重要工作。為了確保斷油再生過程中GPF內部溫度不會超過其耐受限值，GPF再生模塊中的斷油保護邏輯中有一個標定量，會根據碳載量、GPF的中心溫度實時判斷是否允許斷油及在斷油再生過程中適時地禁止斷油使之恢復供油，避免GPF被燒壞。本文通過試驗對此斷油保護標定量進行標定。

2 試驗方案

2.1 試驗基礎

以一臺1.5 L的自然吸氣直列四缸汽油發動機為基礎搭建臺架，其中使用的GPF布置方式為緊耦合。為了能監測到斷油試驗過程中GPF內部的實時溫度表現，需要對試驗用的GPF進行改造，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表1。臺架布置及各種通信設備連接如圖4所示，通過ETAS公司的CAN通信設備、INCA軟件與發動機ECU進行實時通信，監測發動機和調整發動機的節氣門開度、空燃比、斷油等控制參數，其中GPF的溫度是通過ES650設備實時傳輸到電腦顯示的。

圖3 熱電偶安裝位置

表1 熱電偶安裝位置信息

圖4 臺架試驗系統結構示意圖

2.2 試驗方法

2.2.1 臺架試驗方法

新生產的GPF中含有碎屑，這些碎屑必須清除，否則會影響后續的稱重，而且新的GPF的過濾效率低，不處于穩定的過濾效率區間，所以GPF改造結束后需要對其進行激活。GPF激活結束后通過提高轉速、油門增加GPF內部的溫度及減稀空燃比增加氧流量對GPF進行清碳，確保其空載狀態，然后將GPF拆下進行保溫稱重，得到GPF的基準重量。接著裝上發動機，通過調節臺架的發動機冷卻裝置、加濃空燃比等措施對GPF進行快速累碳。累碳結束后拆下保溫稱重得其重量，減去基準重量就可以得到GPF內部的實際碳載量。

將累積有一定碳量的GPF裝上發動機后，在INCA提前設置空燃比為0.98，然后通過測功機控制系統啟動發動機，熱機結束后，尋找GPF的中心溫度T_X_GPF_2為600 ℃的發動機工況，一般尋找比較高轉速的極限工況。當GPF溫度達到600 ℃后，維持5 min，然后通過INCA關閉節氣門，之后斷油，同時通過測功機控制系統令發動機轉速用 40 s 的時間從當前轉速下降至 1 200 r/min，模擬整車松油門斷油過程。在斷油期間觀察各熱電偶的溫度值，如果試驗過程中有熱電偶溫度達到970 ℃，立刻通過INCA恢復供油停止試驗，防止燒壞GPF。如果溫度過高，則將GPF完全再生，然后重新給GPF快速累碳，其累碳時間比上次累碳時間適當減少，稱重得到實際碳載量后再重新進行斷油試驗，直到找到熱電偶最高溫度在950 ℃左右的碳載量，則此時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 ℃環境下的安全碳載量。

2.2.2 整車試驗方法

在發動機臺架上快速給GPF累積一定量的碳，將此GPF裝上試驗車。將試驗車上整車轉鼓并固定好，在整車轉鼓控制室設置好此車型的相關系數。在INCA里設置空燃比稀限為0.98，關閉主動再生及自動減速斷油功能。一切準備好后，啟動試驗車并用自動擋駕駛，使GPF的中心溫度為目標溫度，并維持5 min，然后放開空燃比稀限、放開斷油限制，并松開油門，同時讓轉鼓試驗員設置一個適當的下坡度，這樣可以使試驗車帶擋滑行久一些，使試驗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到950 ℃，可通過踩油門恢復供油，避免燒壞GPF。

3 試驗結果及分析

基于臺架試驗方法進行多次試驗，得到表2中的試驗結果，其中發動機轉速為斷油前的轉速，各熱電偶值為斷油過程中所能達到的最大值。

表2 各溫度與其安全碳載量

獲得表2基礎數據后，基于整車試驗方法進行兩個溫度點的整車試驗，用于驗證此溫度點的安全碳載量在長時間斷油時，GPF的溫度是否會超過其耐受值，獲得表3中的試驗結果，其中車速為斷油前的試驗車車速，各熱電偶值為斷油過程中能達到的最大值。

表3 整車斷油驗證結果

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

對由臺架標定試驗得到的各溫度點的安全碳載量結果及整車標定驗證試驗結果進行分析，得到表4中的基礎標定數據。

表4 基礎標定數據

表4中，橫坐標為GPF的中心溫度，縱坐標為安全碳載量，表格中與橫、縱坐標對應的“1”表示禁止斷油，“0”表示允許斷油。對表4中的基礎標定數據進行外推擬合其他溫度點的安全碳載量，對所得的試驗數據進行進一步安全處理，將最終所得結果填入斷油保護標定量中。

在實際車輛使用過程中，實時根據系統的碳載量和GPF中心溫度這兩個數值對斷油保護標定量進行查表法，若所得為“1”，則在松油門使車輛滑行過程中不會斷油，若所得為“0”，則在松油門使車輛滑行過程中系統會控制斷油。車輛斷油期間，GPF處于斷油再生過程，此時碳載量值因斷油再生而不斷減小，GPF中心溫度值也因為斷油再生迅速升高，斷油再生過程中當斷油保護標定量查表法所得為“1”后，系統就會恢復供油，GPF就不會處于斷油再生過程，從而避免燒毀GPF。

4 結論

通過對GPF再生模塊中的斷油保護標定量進行標定，一方面可以合理利用斷油再生迅速燒掉GPF的soot，恢復GPF的過濾性能，提高車輛的燃油經濟性；另一方面可以在斷油再生期間適時地恢復供油，避免不恰當的斷油導致GPF溫度迅速升高超過其耐受值而燒毀GPF，從而保護GPF。