汽油機顆粒捕集器的再生試驗研究

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

國家環境保護部于2016年12月23日發布了《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法(第六階段)》[1]，顆粒物排放的質量PM(particulate mass)和數量PN(particulate number)都納入了控制監管范圍。其中國六a階段規定PN限值為6.0×1011個/km，PM限值為4.5 mg/km。自2023年7月1日起開始實施的國六b階段則將進一步加嚴，規定了PM限值為3 mg/km。為了達到國六法規標準，很多主機廠在排氣后處理系統中增加了汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)。在汽車使用過程中，汽車尾氣中的顆粒物會被不斷捕集并累積在汽油機顆粒捕集器里。然而GPF中顆粒物的累積會使排氣背壓升高，從而使得泵氣損失和殘余廢氣系數增加，降低了汽車的動力性和燃油經濟性[2]。因此當GPF累積一定量的顆粒物后，需要適時地對顆粒物進行再生。

本文基于一臺1.5 L的渦輪增壓汽油發動機，對其搭配的汽油機顆粒捕集器的再生特性進行了試驗和標定數據處理，并進行了再生驗證試驗。

1 GPF的改造及激活

由于進行再生試驗和對GPF進行稱重時，需要對GPF里的實際溫度進行監測，因此首先需對GPF進行改造。在GPF軸向后端的封裝外殼體上進行3個位置地打孔并焊接熱電偶的安裝工裝，然后將1 mm的熱電偶分別插入到GPF入口30 mm處、GPF中心處和GPF出口30 mm處，最后擰緊工裝。

新生產的GPF會含有一定量的碎屑，這些碎屑需要清除掉，否則會對后續的稱重產生影響，所以需要對新的GPF進行激活。臺架激活GPF的方法為：

(1)在發動機轉速為2 500 r/min、充氣系數為70%的工況下加熱發動機和GPF;

(2)使發動機運行在最大排氣流量點或最大GPF溫度點30 min；

(3)在發動機轉速為1 500 r/min、充氣系數為80%的工況下運行10 min，然后提高發動機轉速至4 500 r/min并使充氣系數為80%，運行10 min，重復此過程6 h；

(4)通過加濃空燃比等措施來快速累碳于GPF中，運行30 min，之后通過減稀空燃比等措施對GPF進行再生，重復3次；

(5)減稀空燃比為1.1,并通過提高發動機轉速、加大節氣門開度使GPF達到高的溫度，進行再生2 h；

(6)拆下GPF，放入馬弗爐進行350 ℃的保溫，然后稱重，該質量就是此GPF的基礎質量。

2 GPF的再生試驗

GPF中的碳顆粒物的燃燒速率主要與以下3個因素相關：①GPF中的溫度；②進入GPF中的氧流量；③GPF中的碳載量。當GPF中的溫度高于550 ℃且有氧流量時，就會發生化學放熱反應：C+O2=CO2;當GPF的溫度高于800 ℃且沒有氧流量時，就會發生化學吸熱反應：C+H2O=CO+H2[3]。GPF的再生分為主動再生及被動再生。主動再生是通過發動機管理系統的主動干預，延遲點火角來增加排溫以及減稀空燃比來增加氧流量，從而給GPF營造高溫富氧的條件來燃燒掉其中累積的碳顆粒物。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和排放，通常中斷發動機的燃油噴射，此時在汽車的慣性力作用下，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的溫度達到再生要求，則GPF中累積的碳顆粒物便可迅速燒掉，無須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[4]。

2.1 定氧500 mg/s再生試驗

定氧500 mg/s再生試驗步驟如下：

(1)將空載的GPF裝上發動機，啟動發動機進行加熱，當水溫、機油溫度達到80 ℃以上后，通過調整發動機轉速、節氣門開度、減稀空燃比來尋找氧流量為500 mg/s時溫度分別為500、550、600、650、700、750、800 ℃的發動機工況。

(2)快速給GPF累碳，然后拆下保溫稱重，所得的質量減去GPF的基礎質量即GPF中的實際碳載量。

(3)將累有碳的GPF裝上發動機，設置空燃比為0.98，然后啟動發動機使其在低轉速、低負荷下進行熱機。當水溫、機油溫度大于80 ℃后，調整發動機工況，使GPF的中心溫度到500 ℃后，設置空燃比為目標空燃比使氧流量為500 mg/s，進行再生一定的時間，然后再將空燃比恢復為0.98，進行降溫、斷油和充氧。

(4)拆下GPF進行保溫稱重，所得質量減去GPF的基礎質量即再生試驗后GPF中的剩余碳載量。

(5)將GPF裝上發動機后，熱機然后將剩余碳載量完全再生掉。重復步驟(2)和(3)進行氧流量500 mg/s時其他溫度點的再生試驗，從而得到氧流量為500 mg/s時其他溫度點的試驗數據。

基于以上再生試驗步驟，通過試驗并計算得到定氧500 mg/s的再生燃燒速率見表1。

表1 定氧500 mg/s的再生燃燒速率

由表1可以看出，當氧流量一定時，隨著GPF的溫度不斷升高，其再生燃燒速率也隨著加快，與GPF的溫度呈正相關趨勢。

2.2 定溫650 ℃再生試驗

定溫650 ℃的再生試驗步驟與定氧500 mg/s再生試驗步驟一樣，在空載狀態下找到目標工況，之后進行快速累碳，并拆下保溫稱重計算得到實際碳載量，裝上發動機熱機后進行再生試驗，然后拆下保溫稱重得到剩余碳載量，從而計算出定溫650 ℃下各個氧流量的燃燒速率。

基于定溫650 ℃再生試驗步驟，通過試驗并計算得到定溫650 ℃的再生燃燒速率見表2。由表可以看出，當GPF溫度一定時，隨著GPF的氧流量不斷增加，其再生燃燒速率也隨著加快，與通過GPF的氧流量呈正相關趨勢。

表2 定溫650 ℃的再生燃燒速率

2.3 斷油再生試驗

在汽車行駛中，當駕駛員完全松開油門踏板及當前工況適合斷油時，電子控制系統就會控制斷油，此時GPF里就會進行被動再生。因此可通過在臺架發動機上進行模擬汽車斷油的試驗來得出各個溫度點的斷油燃燒速率。

快速累碳保溫稱重計算得到實際碳載量后，將GPF裝上發動機，設置空燃比為0.98后，啟動發動機在低轉速低負荷熱機，當發動機水溫、機油溫度大于80 ℃后，調整發動機轉速和負荷，使GPF的中心溫度達到500 ℃，通過調整發動機標定參數使發動機斷油，斷油時發動機轉速保持不變，節氣門開度減小到5%，斷油時間2 s后恢復供油及節氣門開度，當GPF中心溫度回到500 ℃后，繼續執行斷油操作步驟。斷油次數根據斷油溫度選擇，斷油溫度越高，斷油再生試驗的斷油次數就越少，一般要確保斷油再生后剩余碳載量有1～2 g。在斷油再生試驗結束后將GPF拆下保溫稱重，得到GPF剩余碳載量后，通過統計500 ℃斷油再生試驗測量斷油時間總和，從而計算出500 ℃的斷油燃燒速率。將剩余的碳完全再生掉后，繼續其他溫度點的斷油再生試驗。

基于斷油再生試驗步驟，通過試驗并計算得到不同溫度下的斷油再生燃燒速率見表3。由表可以看出，隨著GPF的斷油溫度不斷升高，其斷油再生燃燒速率也隨著加快，與GPF的斷油溫度呈正相關趨勢。

2.4 850 ℃的高溫干燒試驗

當發動機運轉在高轉速、高負荷時，GPF的溫度會達到很高。當GPF的溫度高于800 ℃且沒有氧流量時，GPF中的碳顆粒就會與尾氣中的水分發生化學吸熱反應，通過在臺架發動機上進行850 ℃的干燒試驗以獲得其燃燒速率。

快速累碳拆下保溫稱重得到實際累碳量后，將GPF裝上發動機，設置空燃比為0.98，啟動發動機熱機，熱機結束后提高發動機轉速和負荷，使GPF的中心溫度達到850 ℃，維持當前工況2 h，此時GPF里的碳顆粒物就會在850 ℃的高溫里與尾氣中的水分發生化學吸熱反應。2 h后減小發動機轉速和負荷并進行降溫、斷油和充氧，將GPF拆下保溫稱重，得到實際剩余碳載量從而計算出850 ℃下的干燒燃燒速率。

基于高溫為850 ℃的干燒試驗步驟，通過試驗并計算得到850 ℃高溫下的干燒燃燒速率見表4。由表可以看出，2 h的850 ℃高溫干燒試驗后，GPF里面的碳載量實際減少了2.004 g,雖然燃燒緩慢，但是可以得出在850 ℃的高溫且沒有氧流量情況下碳顆粒物確實可以再生掉。

表4 850 ℃高溫下的干燒燃燒速率

2.5 碳載量的修正系數試驗

當汽車行駛過程中處于非再生工況時，GPF就會不斷捕集尾氣中的顆粒物，使得GPF中的顆粒物不斷增多。當GPF中的顆粒物達到一定程度且汽車當前行駛車況適合再生時，汽車電子控制系統就會調整系統參數使GPF進行再生，從而將碳顆粒物燒掉,因此GPF中的碳顆粒物的質量是不斷變化的。因為同一工況下的GPF再生燃燒速率與碳載量呈正相關趨勢[5]，所以需要根據碳載量的多少對燃燒速率進行修正。

快速累碳拆下保溫稱重得到實際碳載量后，將GPF裝上發動機，設置空燃比為0.98，啟動發動機熱機，熱機結束后將發動機轉速和負荷調至之前確定的工況，等待GPF溫度穩定后，將空燃比調至1.1，開始再生一定時間，再將空燃比調回0.98，降低發動機轉速和負荷，并進行降溫、斷油和充氧，進而拆下GPF保溫稱重，得到剩余碳載量。將GPF裝上發動機后，再次進行同一工況的再生試驗。不斷重復同一工況再生試驗直至剩余碳載量小于0.5 g為止。

基于碳載量的修正系數再生試驗步驟，通過試驗并計算得到700 ℃溫度下各個碳載量的修正系數試驗數據見表5。由表可以看出，隨著GPF的碳載量不斷增多，其再生燃燒速率也隨著加快，與GPF的碳載量呈正相關趨勢。

表5 700 ℃溫度下各個碳載量的修正系數試驗數據

3 GPF的再生標定數據驗證

由于斷油再生時排氣中的氧流量會大幅度增加，使得斷油再生時GPF里的溫度迅速增加，而GPF有其最高耐受值，所以在GPF的斷油安全性標定工作完成后才可以進行接下來的GPF再生標定數據驗證，以防斷油再生時燒毀GPF[6]。

基于溫度、氧流量這兩個因素的二維再生燃燒速率標定量里的組成有很多個點，如果每個點的數據都是通過實際再生試驗來獲取，那么工作量將會很大，所需要的時間也更多，所以通過上述各種再生試驗得到基礎數據后進行分析處理，再外推擬合得到其他點的數據，最后得到基于溫度、氧流量的二維再生燃燒速率標定數據以及基于碳載量的一維修正系數標定數據，此為初版再生標定數據。通常情況下，GPF的實際燒碳量要高于模型燒碳量，從而防止GPF的堵塞。但是GPF的實際再生過程是非常復雜的，要使全部工況下的實際燒碳量高于模型燒碳量且又非常接近是很難辦到的，所以目前都是控制實際燒碳量與模型燒碳量的偏差精度在30%以內。在得到初版再生標定數據后，在臺架發動機和整車上進行主動再生和被動再生試驗，不斷細調優化數據，使最終版再生標定數據滿足實際燒碳量與模型燒碳量的偏差精度在30%以內。

3.1 臺架再生驗證

快速累碳拆下保溫稱重得到實際累碳量后，將GPF裝上發動機，通過標定量使模型碳載量值為實際碳載量值，設置空燃比稀限為0.98并禁止斷油，啟動發動機熱機，熱機結束后將空燃比稀限放開，運行臺架WLTC曲線循環，當發動機工況適合再生后，電子控制系統就會調整系統參數進行再生，模型碳載量就會減小，隨著WLTC曲線循環的運行，GPF里不斷進行著非再生工況和再生工況，當模型碳載量減小到一定程度后手動退出WLTC曲線程序，并把空燃比稀限調整為0.98，進行降溫、斷油和充氧并拆下GPF保溫稱重，此為主動再生驗證。因為被動再生過程的再生方式是斷油再生，所以為了防止因GPF斷油安全性的原因使得被動再生驗證時不能進入斷油，在給GPF累碳時應適度少量，不宜過多，這樣才可以保證被動再生的進行。被動再生驗證時空燃比稀限一直保持0.98，當發動機工況適合斷油時，發動機就會進行斷油，斷油時GPF里就會進行再生，模型碳載量也會因此減小，隨著WLTC曲線循環的運行，發動機不斷進行非斷油工況和斷油工況，當模型碳載量減小到一定程度后手動退出WLTC曲線程序，進行降溫斷油充氧并拆下保溫稱重。

基于臺架再生驗證試驗步驟，通過試驗并計算得到主動再生和被動再生這兩個再生模式的實際燒碳量與模型燒碳量的偏差精度。表6為最終版再生標定數據的臺架再生驗證結果。由表可以看出，主動再生偏差精度為22.51%,被動再生的偏差精度為11.88%，偏差精度都在30%以內，滿足了匹配目標要求。

表6 最終版再生標定數據的臺架再生驗證結果

3.2 整車再生驗證

在搭載臺架同一型號發動機的車型上進行整車再生驗證試驗。將累有碳的GPF裝上整車后，實際道路動態行駛，分別進行主動再生試驗和被動再生試驗來驗證。主動再生驗證試驗又分別在GPF中心溫度為500～600 ℃、600～700 ℃和700～800 ℃這3個溫度期間進行再生試驗來驗證。在被動再生驗證試驗前，給GPF累碳時應適度少量，不宜過多，這樣才能避免GPF斷油安全性的原因從而導致不能進行斷油。通過INC標定軟件，修改一些標定量，依次進行各個再生驗證試驗。

基于整車再生驗證試驗步驟，通過試驗并計算得到主動再生和被動再生這兩個再生模式的實際燒碳量與模型燒碳量的偏差精度。表7為最終版再生標定數據的整車再生驗證結果，偏差精度都在30%以內，滿足了匹配目標要求。

表7 最終版再生標定數據的整車再生驗證結果

4 結束語

通過各個再生試驗獲得基礎數據，然后外推擬合其他點的數據，不斷通過再生試驗進行驗證，根據試驗結果對數據不斷進行細調優化，直到滿足實際燒碳量與模型燒碳量偏差精度在30%以內，從而確定最終版再生標定數據。由臺架和整車驗證結果得知，最終版再生標定數據的再生偏差精度都在30%以內，滿足了匹配目標要求。