汽油機顆粒捕集器怠速再生過程整車熱害測試研究

劉瑋 陳樂德 王新新 張坡 官永福

（東風汽車有限公司東風日產(chǎn)乘用車技術(shù)中心，廣州 510800）

主題詞：汽油機顆粒捕集器 怠速再生 整車熱害 排氣溫度 車輛測試

1 前言

汽油機顆粒捕集器（GPF）再生模式可分為行駛再生和怠速再生。常用的再生策略包括減速斷油、加濃減速斷油、調(diào)整空燃比和推遲點火提前角等[1-2]。然而，再生過程會導致GPF和排氣管周邊溫度上升，造成零部件的熱害惡化。目前，傳統(tǒng)的熱害考察工況多采用與高速行駛和爬坡行駛相關(guān)的測試條件，而忽略了GPF再生這一導致車輛零部件熱害惡化的使用條件。

本文對GPF 怠速再生過程中零部件所受熱害問題進行試驗研究，并根據(jù)試驗的結(jié)果采取改進方案以保證零部件的熱性能。

2 GPF再生熱害和怠速再生模式

2.1 GPF再生過程中的熱害問題

GPF 再生過程中，會產(chǎn)生2 種額外的熱來源：為了達到碳煙燃燒需要的溫度，需調(diào)整發(fā)動機運行參數(shù)以提高排氣溫度；GPF內(nèi)部溫度高于550 ℃，且氧濃度>0.5%或缸內(nèi)過量空氣系數(shù)λ>1.022 時，發(fā)生放熱化學反應(yīng)C+O2=CO2。

GPF 內(nèi)部溫度高于1 000 ℃時，會造成GPF 過溫損壞[3]。過高的排氣溫度也會使排氣系統(tǒng)周邊的零部件產(chǎn)生熱害問題[4]。行駛再生的時間較短，且有環(huán)境風冷卻，零部件熱害問題并不嚴重；怠速再生時間較長，冷卻風不足，且熱量容易積聚，對零部件造成的熱害影響嚴重。

2.2 怠速再生模式

如圖1所示，GPF怠速再生模式一般分為3個階段：

a.加熱階段。通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和推遲點火提前角提高GPF 溫度至目標值，根據(jù)車型、再生需求和條件的不同，目標溫度一般在500～800 ℃范圍內(nèi)。

b.再生階段。通過提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速和推遲點火提前角，同時調(diào)整空燃比，輸送更多氧氣使過量空氣系數(shù)λ>1，使碳煙燃燒。此階段持續(xù)一段時間，為避免冷卻系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的熱量聚集，過程中開啟散熱器風扇。

c.后冷卻階段。再生停止后，為避免余熱造成熱害問題，保持散熱器風扇為最高轉(zhuǎn)速并持續(xù)一段時間。

圖1 GPF怠速再生模式

3 整車熱害測試條件

本文以某搭載2.0 L排量發(fā)動機的車型為研究對象，再生測試過程中主要選取排氣管周邊的零部件溫度作為測試對象，包括發(fā)動機油溫、自動變速器油溫、油箱溫度、機艙防火墻溫度、機艙防火墻卡扣溫度、前圍上蓋板溫度、氧傳感器插頭溫度、點火線束溫度、GPF壓差傳感器插頭溫度、發(fā)動機懸置溫度、變速器懸置溫度、制動管溫度、曲軸傳感器線束插頭溫度、曲軸傳感器線束溫度、水泵線束溫度、車身動態(tài)控制（VDC）系統(tǒng)線束插頭溫度。

測試在高、低溫環(huán)境箱中進行，溫度控制精度為±2 ℃，配有尾氣抽排系統(tǒng)。試驗中設(shè)定環(huán)境箱溫度為45 ℃。

4 GPF怠速再生熱害測試結(jié)果

4.1 GPF入口排氣溫度的控制

零部件熱害程度在熱端主要受到GPF 入口排氣溫度的影響，如圖2所示。

圖2 GPF怠速再生中熱端對零部件熱害的影響

在保持其他因素不變的條件下，推遲點火提前角（再生儲備扭矩上升）可以提高GPF 入口排氣溫度。故在本次測試中，調(diào)整點火提前角使得再生儲備扭矩分別達到10.5 N·m、11.0 N·m、11.5 N·m、12.0 N·m、12.5 N·m和13.0 N·m，GPF的排氣溫度變化情況如圖3所示。

從圖3 可知：在相同條件下，GPF 入口排氣溫度隨著再生儲備扭矩的提高而上升；在儲備扭矩單一因素控制下，單次再生過程中GPF入口排氣溫度隨著時間變化呈現(xiàn)很大波動，造成熱害測試結(jié)果可重復性差，熱害結(jié)果可能受到排氣溫度瞬時波動的影響，將難以保證GPF的量產(chǎn)性能。

圖3 不同再生儲備扭矩對GPF入口排氣溫度的影響

為保證測試結(jié)果的可重復性，應(yīng)增加排氣溫度控制因素，即再生儲備扭矩不再為固定值。在整個再生過程中，GPF實際排氣溫度與目標值之間存在差異，因此，在圖2的基礎(chǔ)上增加GPF入口排氣溫度反饋，用于動態(tài)調(diào)整再生儲備扭矩，可使GPF入口排氣溫度接近目標值并保持較小的波動。

GPF 入口排氣溫度目標值設(shè)定為600 ℃時，進行GPF再生測試，GPF入口排氣溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

圖4 GPF入口排氣溫度目標設(shè)定為600 ℃時的排氣溫度曲線

選取再生觸發(fā)后10 min內(nèi)的數(shù)據(jù)，整理不同控制方法的排氣溫度均值和均方差如表1所示。由表1可知，在對GPF排氣溫度進行精確控制后，排氣溫度的均值與目標值偏差較?。?.1 ℃），均方差為1.003 ℃，表明波動較小，控制效果穩(wěn)定。

表1 不同控制方法的GPF入口排氣溫度均值和均方差℃

4.2 零部件測溫結(jié)果

設(shè)定GPF入口排氣溫度為700 ℃，進行零部件溫度的測試，并依據(jù)試驗結(jié)果逐步降低GPF入口排氣溫度至660 ℃、640 ℃、620 ℃、600 ℃，選取測試過程中零部件溫度的峰值，并比對零部件耐溫數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 不同GPF排氣溫度下零部件溫度測試結(jié)果

由圖5可知，當GPF入口排氣溫度下降到600 ℃時，除水泵和驅(qū)動軸外，其他零部件均已達標。針對水泵和驅(qū)動軸，使用線性擬合的方式，預估使其達標的GPF 入口排氣溫度，如圖6所示。

圖6 GPF入口排氣溫度的預估達標值

由圖6 可知，GPF 入口排氣溫度需要下降到539 ℃以下，才能從發(fā)熱端保證水泵和驅(qū)動軸滿足耐溫要求。但GPF 入口排氣溫度下降過多，會影響GPF 再生的效果，導致在規(guī)定時間內(nèi)燃燒的碳煙量無法滿足要求。故保持GPF入口排氣溫度為600 ℃，在水泵和驅(qū)動軸上分別增加隔熱罩。

分別選取單品試驗中，在與GPF怠速再生相同溫度和相同時間下隔熱降溫效果分別為27 ℃（水泵）和21 ℃（驅(qū)動軸）的隔熱罩，再次進行整車GPF怠速再生試驗。試驗結(jié)果為水泵峰值溫度135 ℃（耐溫140 ℃），驅(qū)動軸峰值溫度92 ℃（耐溫100 ℃），均滿足耐溫要求。

4.3 發(fā)動機罩打開與關(guān)閉的結(jié)果對比

在GPF怠速再生過程中，油、水溫惡化，散熱器風扇需要一直以較高負荷運轉(zhuǎn)。此時若打開發(fā)動機罩，散熱器通過風阻會減小，有利于冷卻水的散熱。

但是該操作會對整車熱害造成影響，本文對其開展研究。設(shè)定GPF入口排氣溫度為600 ℃，發(fā)動機罩關(guān)閉和開啟的試驗結(jié)果對比如圖7所示。

圖7 發(fā)動機罩開啟與關(guān)閉對熱害的影響

由圖7 可知，發(fā)動機罩打開后，排氣管周邊的零部件熱害條件惡化，導致零部件溫度超過耐溫要求，原因是風扇的冷卻風從機艙上方流失，吹向發(fā)動機后方和底盤的冷卻風減少，如圖8 所示。所以在GPF 怠速再生時，應(yīng)關(guān)閉發(fā)動機罩。

圖8 發(fā)動機罩開啟與關(guān)閉狀態(tài)冷卻風流向示意

5 結(jié)束語

本文從GPF的原理和再生策略入手，通過設(shè)計整車試驗對GPF 怠速再生模式下的GPF 入口排氣溫度變化和零部件熱害情況進行測試，得到以下結(jié)論：

a.由于單一控制點火提前角因素無法保證穩(wěn)定的GPF入口排氣溫度，應(yīng)增加排氣溫度精確控制邏輯。

b.通過采用逐步降低排氣溫度的方法，使盡可能多的零部件達到耐溫要求，再對仍然未達標零部件局部采取隔熱措施的方法，可以較好地保證整車熱害性能。

c.由于關(guān)閉發(fā)動機罩進行GPF 怠速再生比打開發(fā)動機罩散熱更優(yōu)，故應(yīng)在GPF怠速再生的過程中關(guān)閉發(fā)動機罩。