顆粒捕集器壓差傳感器位置的試驗研究

馬崇銀，黃 維，陽 燦

（柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，廣西 柳州545005）

0 引言

國六排放法規對汽油車顆粒物排放提出了更嚴格的要求，跟國五法規相比，關于顆粒物質量（PM）的限值下降了33%，同時又新增對顆粒物數量（PN）的要求[1]。怎樣能降低汽油機的顆粒排放質量以及數量開發出滿足國六標準車輛成為整車廠面臨的新問題。針對這個問題，越來越多的汽車裝上了汽油顆粒捕集器（GPF）。在進行GPF對排放影響的研究時，GPF上的壓差傳感器可以對排氣流經GPF時所產生的壓力降進行實時監測。GPF上壓差傳感器安裝的位置的選擇影響了碳載量壓差模型的建立，在一些特殊工況下部分碳可能被累積，如果累積量達到一定的程度，需要發動機管理系統采取一些措施讓這些累積碳燃燒掉（主動再生）。因此發動機管理系統需要能夠準確地預估碳載量以便在碳載量達到限值時來采取主動再生控制，保證GPF能夠正常工作。本文研究了不同壓差傳感器位置對GPF壓差模型的影響，為各種帶GPF的發動機項目提供參考。

1 試驗背景原理

1.1 GPF的工作原理

GPF是汽車用來過濾排氣中的碳煙顆粒，改善尾氣排放的裝置。GPF為擠壓成型的壁流式蜂窩陶瓷結構形式，具有許多平行的軸向蜂窩孔道，而且相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵塞。GPF的過濾機理為讓尾氣流經多孔介質載體壁面，通過交替的封堵蜂窩狀的多空陶瓷過濾體，排氣流被迫從孔道及壁面通過，尾氣中的微粒通過擴散，攔截，重力，慣性等方式被捕集在載體壁面內及載體壁面上[2]。如圖1所示。

圖1 GPF內部結構

1.2 碳載量預估原理

隨著碳在GPF內不斷的積累，引起發動機的排氣背壓不斷增加，進一步地將會引起發動機內的殘余廢氣增加，造成燃油經濟性的惡化。因此我們在GPF的兩端安裝壓差傳感器，利用壓差預估GPF內部的碳載量。當碳載量達到預估值時系統開啟主動再生將碳清除使GPF能夠繼續正常工作。

其中ΔPtotal為壓差傳感器所測得的壓差。

ΔPclean由壓差計算公式：

獲得。

其中a1為標定的摩擦系數，a2為標定的慣性系數，μ為粘性系數，ρ為排氣密度，Qvol為排氣體積流量。

ΔPsoot為累積了顆粒物后的GPF壓差。

顆粒物質量msoot由不同工況下的ΔPsoot與msoot的試驗數據擬合而得。假設碳在GPF中均勻分布，排溫和氣量決定了碳累積速度，碳累積質量是基于里程的函數。

為了根據GPF壓差直接查到相應的碳載量，消除排氣流量的影響，引入名義壓差soot index，soot index=0.0018*ΔPsoot/（μ*Q），最終得到名義壓差soot index與碳載量的關系。

1.3 G PF再生原理

GPF先捕集廢氣中的微粒物，然后再對捕集的微粒進行氧化，使GPF再生。所謂過濾器的再生是指在長期工作中，GPF里的顆粒物逐漸增加會引起發動機背壓升高，導致發動機性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復GPF的過濾性能。當通過碳載量預估的顆粒物質量及其他主動再生條件達到要求時，GPF便開始進行主動再生防止其不發生碳粒阻塞。其主動再生的主要反應為：

2 實驗裝置布置

2.1 G PF布置

GPF的布置方式分為兩種：后置式與緊耦合式[3]。緊耦合式布置：和三元催化器集成到一塊安裝，距離排氣歧管較近；后置式布置：直接安裝在三元催化器下游位置。在本實驗中，采用緊耦合式的GPF布置方式。如圖2所示。

圖2 GPF后置式和緊耦合式布置

2.2 G PF壓差傳感器布置

在某直噴增壓發動機上進行GPF標定試驗，在發動機及其他部件不做任何調整的情況下分別在GPF的直管和錐面上安裝壓差傳感器下游端對壓差進行測量。如圖3所示。

圖3 壓差傳感器下游端裝在直管

如圖4所示，在對壓差傳感器進行安裝時保持：

（1）壓差傳感器測量管按垂直方向安裝且需要獲得盡量大的壓差即壓差傳感器安裝在盡量高的位置。

（2）連接壓差傳感器測量管方向單調不出現U型的結構。

（3）保證壓差傳感器的安裝位置溫度在其工作溫度的范圍內。

（4）確認壓差傳感器內不存在水汽等雜質。

圖4 壓差傳感器下游端安裝在錐面

3 壓差試驗研究

在發動機其他的條件不做改變的情況下，用相同的壓差傳感器，在下游端分別安裝在直管與錐面上進行測量，通過控制發動機的負荷來控制發動機的排氣流量。

測試數據結果如表1、表2。

表1 壓差傳感器下游端在直面上

表2 壓差傳感器下游端在錐面上

根據壓差數據得到圖5的壓差對比。

圖5 壓差數據對比

壓差標準化計算得到名義壓差與碳載量的關系如圖6所示。

圖6 sootindex對比

通過數據對比可以分析出，壓差傳感器如果安裝在錐面上，氣流流速變化的時候，相應的壓差變化不大，特別是在氣體流速在62 g/s~80 g/s的變化區間時，壓差傳感器所測得的壓差基本無變化，且整個測量過程中最大壓差僅為7 kPa，這對于標定摩擦系數與標定慣性系數的擬合的精確度造成很大影響，進而影響碳載量預估模型的建立，而當壓差傳感器安裝在直面上時，當氣流的流速變化時，所測的壓差變化較大，且最大壓差達到23 kPa，這對于發動機管理系統建立碳載量預估模型的精度的提升，開啟GPF主動再生，保證GPF能夠正常工作具有重大意義。

4 結論

顆粒捕集器上壓差傳感器的安裝位置對于壓差的測量具有重要的影響。經過分析對比，在發動機不做其他調整的情況下，在顆粒捕集器的直面上安裝壓差傳感器的壓差測量結果要比在錐面上安裝壓差傳感器的測量結果要顯著得多，這對于建立碳載量預估模型從而開啟顆粒捕集器的主動再生模式進而減少顆粒物排放起到了重要的作用。