發動機轉速對GPF怠速再生速率影響

劉 冰，王大豪

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.昆明云內動力股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 引言

2016年國家環保局牽頭聯合各個機動車檢測中心以及國內主流主機廠一同研究并制定了堪稱史上最嚴格的排放法規《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，該部排放法規不僅加嚴了各種污染物的排放限值，同時還對尾氣中的顆粒物排放也做了要求，更為苛刻的是排放測試循環由國五的NEDC測試循環變更為更加復雜和瞬態多變的WLTC測試循環，同時還對實際駕駛(RDE)中的排放限值也做了要求，不僅如此還更進一步對加油過程中的污染物排放做了嚴格要求[1,2]。根據最新法規要求當國六全面實施時輕型汽車從2020年7月1日起就必須嚴格執行法規要求，確保顆粒物質量排放不得超過4.5 mg/km，且顆粒物數量排放不得超過6.0×1011個/km，并且3年后將對顆粒物數量排放進行更進一步的加嚴排放不得超過3 mg/km。在如此嚴格的排放法規要求下結合當前的發動機技術僅僅依靠發動機機內凈化已經完全不能滿足排放法規對顆粒物的排放要求了，因此裝備汽油機顆粒物過濾系統(GPF)已經是勢在必行了的趨勢了[3～5]。試驗研究結果表明對于缸內直噴發動機而言安裝GPF后能有效過濾掉尾氣中顆粒物排放的97.5%以上，能夠使得較為容易滿足法規對顆粒物排放的要全球，因此GPF已經成為車輛是否能夠滿足國六排放法規的關鍵裝置，配備GPF也必將成為主流趨勢。

GPF的物理結構以及顆粒過濾原理與柴油機顆粒捕捉器DPF(Diesel Particulate Filter)基本一致，都是壁流式結構。顆粒物的過濾原理都是當尾氣以一定的流動速度通過具有很多孔的壁面時也是常說的“壁流”(Wall-Flow)過程。由于壁流式顆粒捕集器是由很多密集蜂窩狀陶瓷體組成，當尾氣通過該陶瓷體的時候尾氣會被迫從孔道壁面通過，尾氣中的顆粒物分別經過擴散、攔截、重力和慣性4種方式被捕集過濾收集在GPF內。當GPF內的顆粒物收集到一定質量時必須通過特定的方式將顆粒物清除掉，否則大量的碳積累在GPF內會造成發動機排氣背壓增壓影響發動機的性能甚至會引起爆震或早燃。針對GPF積累大量碳量的情況當前清除碳使得GPF達到再生的目的的主要途徑有兩種，一是,通過整車駕駛循環中通過增加儲備扭矩提高GPF入口溫度，同時減稀空燃比以達到清除碳量達到再生的目的；二是，在發動機怠速運行狀態下通過診斷儀對發動機進行“怠速再生”程序運行，將發動機轉速控制在特定轉速，減稀空燃比，增加儲備扭矩，在3個條件共同作用下達到清除碳量達到再生的目的[6～10]。

本文主要是研究發動機怠速狀態下的不同發動機目標轉速對“怠速再生”清碳的影響。

2 GPF怠速再生控制策略

2.1 GPF怠速再生機理

GPF再生的主要原理是通過化學反應使得GPF收集的碳轉化成二氧化碳或者一氧化碳，具體反應如下：

C+O2→CO2

(1)

C+CO2→CO

(2)

2.2 試驗平臺

本文試驗基于搭載1.5 L排量的缸內直噴發動機的試驗車，控制設備包括診斷儀，溫度采集設備為測量精度為2 ℃的熱敏電偶。

3 結果與分析

本文主要通過ETAS INCA7.2控制發動機“怠速再生”控制期間的目標轉速，研究其對“怠速再生”速率的影響。

3.1 不同目標轉速對“怠速再生速率”影響

圖1為“怠速再生”期間不同“怠速再生”目標轉速下的排氣溫度及催化器溫度、GPF入口溫度、GPF載體溫度。從圖可知提高“怠速再生”目標轉速發動機排氣溫度，催化器溫度，GPF入口溫度以及GPF載體溫度均得到顯著升高。分析原因：提高“怠速再生”目標轉速升發動機的摩擦阻力會增加，為維持發動機穩定運行，發動機需要克服更多的阻力因此需要更多的指示功率，因此需要增加進氣流量，時由于“怠速再生”的目標轉速增加了排氣流速會相應增加能夠相應減少傳熱損失。

圖1 不同目標轉速對各溫度影響

3.2 不同目標轉速下排氣流量及“怠速再生速率”

圖2為不同“怠速再生”目標轉速下的排氣流量及“怠速再生速率”。從圖2可知當“怠速再生”目標轉速增高，發動機排氣流量及“怠速再生”速率均顯著增加。分析原因：由圖1得知當提高發動機“怠速再生”目標轉速，會促使GPF載體溫度升高，當GPF載體溫度升高則化學反應(1)和(2)的反應溫度升高能夠極提高反應速率，同時由于排氣流量增大參與反應的氧含量也更多也能進一步增大反應速率。

圖2 不同目標轉速下排氣流量及“怠速再生速率”

4 結論

(1)提高“怠速再生”目標轉速能夠提高發動機排氣溫度、催化器溫度以及GPF載體溫度、排氣流量。

(2)提高“怠速再生”目標轉速在提高GPF載體溫度及排氣流量的共同作用下能夠顯著提高“怠速再生”速率。