汽油機顆粒捕集器駐車再生試驗方案研究

李耀富　李懿秘　周偉才

摘要：本研究在顆粒捕集器為空載的情況下，針對不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行完整的駐車再生試驗。再通過發(fā)動機臺架，或者在整車上進行快速累積碳顆粒至汽油機顆粒捕集器中，模擬汽車碳顆粒累積過多導(dǎo)致限扭的工況。最后再進行碳顆粒滿載情況下的駐車再生試驗，根據(jù)再生后的剩余碳量選擇最為合適的駐車再生轉(zhuǎn)速。結(jié)果顯示：通過控制駐車再生的轉(zhuǎn)速和再生時間，一方面可以保證碳顆粒被充分進行再生，有效地減小再生試驗過程中的燃油損耗；另一方面較低的再生轉(zhuǎn)速和較短的再生時間更為用戶所接受。

關(guān)鍵詞：汽油機顆粒捕集器；駐車再生；再生時間；再生轉(zhuǎn)速

中圖分類號：TK417+.1 文獻標識碼：A

0 引言

《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法（ 第六階段） 》將顆粒物排放的質(zhì)量PM （ Particulate Mass） 和數(shù)量PN（ParticulateNumber） 納入了控制監(jiān)管范圍。國六a 階段規(guī)定：PN 限值為6.0×1011 顆/km，PM 限值為4.5 mg/km ；而國六b 階段則將更加嚴格，規(guī)定了PM 限值為3 mg/km[1]。為了達到國六法規(guī)標準，排氣后處理系統(tǒng)中增加汽油機顆粒捕集器（Gasoline ParticulateFilter，GPF）便成為很多主機廠的必然選擇。汽車使用過程中，GPF 中顆粒物的累積會使排氣背壓不斷升高，使得汽車的動力性降低，同時燃油消耗也會隨之增高。

汽油機顆粒捕集器在進行長時間工作后，當行車中的主動再生、被動再生和輔助再生等再生方式，無法完全將捕集到的碳顆粒進行再生，導(dǎo)致碳顆粒堆積過多、背壓過高，進而燃油消耗大。甚至?xí)谔驾d量超過設(shè)定閾值時發(fā)動機被限扭，導(dǎo)致發(fā)動機無法正常工作，車輛無法正常行駛。此時就需要進行高怠速轉(zhuǎn)速下的駐車再生，快速高效地將捕集的碳顆粒再生掉，解除限扭使發(fā)動機故障燈滅燈，保障用戶的正常用車。所以，通過試驗研究并確定駐車再生的再生時間和發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速，是GPF 標定過程中必不可少的環(huán)節(jié)，也是駐車再生標定過程中的關(guān)鍵所在[2]。

1 GPF 作用、結(jié)構(gòu)及再生分類

1.1 GPF 的作用

GPF 是針對汽油機排放物中的顆粒物進行收集并處理的一個汽車零部件， 是從排放后的角度出發(fā)，降低汽油機排放物中顆粒物含量的一種通用的手段[3]。汽油機顆粒捕集器的捕集效率極高，通常可以達到90%。汽油機排放的顆粒物一般包括固相顆粒和液相顆粒（水除外）。

燃油蒸發(fā)不完全造成的混合氣局部過濃和燃燒室壁面的油膜直接排出缸外，是產(chǎn)生顆粒物的主要原因。當噴油相位過遲時，由于燃油蒸發(fā)時間較短，此時的液態(tài)燃油是產(chǎn)生顆粒物的主要原因。固相顆粒物中，主要包含未燃燒充分的碳顆粒（簡稱Soot），以及部分灰分（簡稱Ash）。Soot 是顆粒排放物中可以被氧化的、可以被再生的部分，即碳顆粒。

汽油機顆粒捕集器在行車過程中，會根據(jù)對行車工況的判斷，選擇在滿足再生條件時將捕集到的碳顆粒及時進行再生，確保排氣背壓處于合理的范圍。這樣既能保證顆粒捕集器的捕集效率，也能保證車輛的燃油經(jīng)濟性。Ash 成分主要為CaO、P2O5、ZnO、SO3 和fe2O3 等不可再生的顆粒物，所以Ash 的長期累積最終會堵塞GPF，進而導(dǎo)致GPF 失效。

1.2 GPF 的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

如圖1 所示，GPF 載體一般為圓柱體，平行于圓柱體軸向有很多通道，通道交錯排列著正反兩個方向的管道。在排氣系統(tǒng)壓差的作用之下，尾氣從GPF 載體前端處進入，并從載體后端排出。在經(jīng)過GPF 載體的過程中，固相的顆粒物會被載體攔截收集，而氣態(tài)的排放物則可以順利通多載體的封閉端排出。其中，攔截下來的固相顆粒物中既包含可再生的碳顆粒，也包含了無法被氧化的灰分。

GPF 載體材料一般選用的是堇青石，相關(guān)參數(shù)如下表1 所示。一般來說，對于緊耦合式的GPF，GPF 的目數(shù)小于前置的三元催化器的目數(shù)，而壁厚則要大于其壁厚。這樣做的目的在于可以有效降低排氣的阻力，同時提高GPF 的過濾效率。

1.3 GPF 的再生

隨著GPF 對尾氣中顆粒物捕集的增多，排氣背壓會增大，初期可起到提高捕集效率的作用。但當背壓升高到一定的程度時，背壓越大，汽油機的燃油消耗就會越大，燃油經(jīng)濟性也就越差。不僅對發(fā)動機的性能有影響，同時給用戶帶來較大的燃油經(jīng)濟消耗。所以，必須在適當?shù)臈l件下對GPF 進行再生，也就是將捕集到的Soot 進行氧化轉(zhuǎn)化成氣體后排出GPF，降低背壓過大帶來的負面影響[4]。影響GPF 再生的因素主要有以下3 點。

（1）碳載量。碳載量的估算一般是由模型碳量來估算，也可以通過背壓來進行反算。

（2）再生的溫度。當GPF 處于不同的溫度區(qū)間時，GPF 再生的化學(xué)反應(yīng)也是不同的。

（3）排氣中的氧含量。氧含量的大小同樣對GPF 再生有著不同的影響。

GPF 的再生主要包含2 個化學(xué)方程式。當GPF 內(nèi)部溫度高于560℃且氧濃度大于0.5% 時，發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)：

C ＋ O2 ＝ CO2

當GPF 內(nèi)部溫度高于800℃且氧濃度小于0.5% 時，發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)：

C ＋ H2O ＝ CO ＋ H2

GPF 的再生有3 種：主動再生、被動再生和駐車再生。

（1）主動再生就是發(fā)動機控制系統(tǒng)（ECU）主動發(fā)出指令，調(diào)整點火角和增大空燃比，創(chuàng)造滿足主動再生的條件將GPF 中捕集的碳顆粒燒掉。

（2）被動再生指的是在發(fā)動機斷油過程中，由于發(fā)動機停止噴油，混合氣體中的氧含量大幅增加，加之溫度條件滿足的情況下將碳顆粒進行再生的一種不受發(fā)動機控制系統(tǒng)控制的再生方式。

（3）駐車再生指的是，當正常行車過程中的主動再生和被動再生無法將GPF 捕集的碳顆粒充分再生，導(dǎo)致背壓異常升高，碳顆粒累積超過8.000 g 左右使得發(fā)動機限扭時，發(fā)動機故障燈會亮起。此時，必須將車輛送至售后點進行駐車再生，快速地將捕集的碳顆粒進行再生的一種再生方式。駐車再生區(qū)別于主動再生和被動再生地方，就是該再生方式并不能在正常行車過程中進行，只能有售后人員通過連接ECU，人為干預(yù)進行的快速再生，達到消除故障，降低燃油損耗，提高燃油經(jīng)濟性的一種特殊的再生方式[5]。

2 駐車再生試驗方案

2.1 試驗準備

本實驗用一輛搭配1.5 L 自然吸氣4 缸發(fā)動機的家用轎車進行試驗，試驗前需要將GPF 進行改造并激活。由于駐車再生試驗過程中需要關(guān)注GPF 內(nèi)部溫度的變化，所以需要將新鮮未激活的GPF 從后端接入3 根熱電偶（圖2、表2），用以監(jiān)控GPF 內(nèi)部不同深度的溫度。改造好的GPF 需要清理干凈焊接熱電偶安裝底座時產(chǎn)生的焊渣，以免影響后續(xù)稱重。將改造后的新鮮GPF 安裝到發(fā)動機臺架上進行激活或裝到整車上激活。

臺架激活方法：將發(fā)動機熱機后，在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)30 min，然后在低轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)30 min，重復(fù)此過程6 h ；將發(fā)動機工況調(diào)整至快速累碳工況，快速加載Soot 到GPF 持續(xù)30 min，然后將發(fā)動機工況調(diào)整至清碳工況進行GPF 再生30 min，重復(fù)此過程3 h；最后將GPF 再生2 h，拆下保溫稱重得出激活后GPF 的首重。

整車激活方法：將新鮮的GPF 安裝到試驗車上，正常行車1 000 km 以上，清碳稱出首重即可。

2.2 試驗方案

駐車再生通過尋找合適的再生轉(zhuǎn)速，推遲點火角效率控制GPF 入口溫度在650℃以上，并在合適的時間內(nèi)將GPF 中的碳顆粒再生完全。所以首先要在空載的情況下，將發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min 和4 000 r/min 等，然后根據(jù)再生進程的快慢調(diào)整控制再生進程的變量，使得一個完整的再生進程所需要的時間為3 200 s 以內(nèi)。并在每次試驗過程中記錄GPF 入口溫度，選取入口溫度在650℃以上的怠速轉(zhuǎn)速。試驗數(shù)據(jù)如表3 所示，并確定選取轉(zhuǎn)速3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min進行下一步試驗。

在確定好GPF 入口溫度，大于650℃的怠速轉(zhuǎn)速后，需對GPF 進行快速累碳至滿碳狀態(tài)，并進行稱重，得出碳載量。一般可通過在發(fā)動機臺架或整車上進行快速累積碳顆粒，需要在GPF中加累12.000 g 左右的碳。此時將累好碳的GPF 裝至試驗車上進行滿碳駐車再生。由于此前已通過調(diào)整變量使得再生時間均在要求范圍內(nèi)，此時只需按照此前調(diào)整的參數(shù)進行完整的駐車再生試驗，當再生進程達到1 時試驗完成，待GPF 充分降溫后熄火停車，并將GPF 拆下稱重，稱出剩余碳載量。實驗中，每個怠速轉(zhuǎn)速進行試驗時，均應(yīng)將GPF 累至滿碳12.000 g 再進行試驗。當所有轉(zhuǎn)速進行完成時，得出表4 中數(shù)據(jù)。

2.3 試驗結(jié)果分析

通過第一步實驗可見，發(fā)動機再生轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min、2 000 r/min 和2 500 r/min 時，GPF 入口溫度低于650℃，不滿足進行駐車再生的最低溫度需求，因此這3 個轉(zhuǎn)速不能作為駐車再生轉(zhuǎn)速。故而在進行第二步試驗時，僅需將發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min，進行滿碳載量的駐車再生試驗。

第二步試驗中，在GPF 滿碳載量的情況下，進行完整的駐車再生試驗后，進行GPF 稱重得出的剩余碳載量分別為2.152 g、1.682 g、1.012 g、0.838 g。這4 個轉(zhuǎn)速下的駐車再生工況均可達到清除發(fā)動機故障、解除限扭的要求。但是，在這4 個結(jié)果對應(yīng)的發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速中，再生轉(zhuǎn)速3 000 r/min、3 500 r/min 剩余的碳載量較多，并不能充分地將碳顆粒物進行再生；而4 000 r/min、4 500 r/min 剩余的碳載量較少，捕集到的碳顆粒物能夠被充分的進行再生，所以應(yīng)4 000 r/min 或4 500 r/min 中選擇出最終的駐車再生轉(zhuǎn)速。而越高的再生轉(zhuǎn)速，再生試驗時發(fā)動機艙內(nèi)的溫度也就越高，再生工況就越惡劣，所需要的燃油就越多，因此可將4 000 r/min 確定為最終的駐車再生轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語

通過進行駐車再生標定試驗，在保證GPF 入口溫度在650℃的前提下，得出合理的再生轉(zhuǎn)速和再生時間。這一方面有效減小再生試驗過程中的燃油損耗和用戶等待時間，能讓用戶欣然接受所提供的駐車再生方案；另一方面避免長時間的駐車再生試驗所導(dǎo)致的發(fā)動機艙內(nèi)長時間高溫工作帶來的諸多弊端。同時，也可以保證碳顆粒被充分進行再生，清除發(fā)動機故障、接觸限扭，保證車輛的正常行駛以及良好的燃油經(jīng)濟性。

【參考文獻】

[1] GB 18352.6—2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

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[3] 李配楠， 程曉章， 駱洪燕， 等. 基于國六標準的汽油機顆粒捕集器（GPF）的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置，2017，34（01）：1-5.

[4] 馬少康， 梁濤， 蘇艷君， 等. 排氣背壓對發(fā)動機性能影響的研究[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術(shù)，2015，44（02）：12-15.

[5] 馮觀華， 黃忠添， 練勇超， 等. 汽油機GPF 中顆粒物累積的影響及解決策略[J]. 內(nèi)燃機與配件，2023（14）：33-35.

作者簡介：

李耀富，本科，工程師，研究方向為GPF 標定開發(fā)。

李懿秘，本科，工程師，研究方向為工藝工程。

周偉才，本科，工程師，研究方向為發(fā)動機臺架實驗。