顆粒捕集器壓差傳感器位置的試驗(yàn)研究

馬崇銀，黃 維，陽(yáng) 燦

（柳州上汽汽車(chē)變速器有限公司柳東分公司，廣西 柳州545005）

0 引言

國(guó)六排放法規(guī)對(duì)汽油車(chē)顆粒物排放提出了更嚴(yán)格的要求，跟國(guó)五法規(guī)相比，關(guān)于顆粒物質(zhì)量（PM）的限值下降了33%，同時(shí)又新增對(duì)顆粒物數(shù)量（PN）的要求[1]。怎樣能降低汽油機(jī)的顆粒排放質(zhì)量以及數(shù)量開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛成為整車(chē)廠面臨的新問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，越來(lái)越多的汽車(chē)裝上了汽油顆粒捕集器（GPF）。在進(jìn)行GPF對(duì)排放影響的研究時(shí)，GPF上的壓差傳感器可以對(duì)排氣流經(jīng)GPF時(shí)所產(chǎn)生的壓力降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(dá)到一定的程度，需要發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)采取一些措施讓這些累積碳燃燒掉（主動(dòng)再生）。因此發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確地預(yù)估碳載量以便在碳載量達(dá)到限值時(shí)來(lái)采取主動(dòng)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(duì)GPF壓差模型的影響，為各種帶GPF的發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目提供參考。

1 試驗(yàn)背景原理

1.1 GPF的工作原理

GPF是汽車(chē)用來(lái)過(guò)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(jié)構(gòu)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(guò)濾機(jī)理為讓尾氣流經(jīng)多孔介質(zhì)載體壁面，通過(guò)交替的封堵蜂窩狀的多空陶瓷過(guò)濾體，排氣流被迫從孔道及壁面通過(guò)，尾氣中的微粒通過(guò)擴(kuò)散，攔截，重力，慣性等方式被捕集在載體壁面內(nèi)及載體壁面上[2]。如圖1所示。

圖1 GPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 碳載量預(yù)估原理

隨著碳在GPF內(nèi)不斷的積累，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓不斷增加，進(jìn)一步地將會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的殘余廢氣增加，造成燃油經(jīng)濟(jì)性的惡化。因此我們?cè)贕PF的兩端安裝壓差傳感器，利用壓差預(yù)估GPF內(nèi)部的碳載量。當(dāng)碳載量達(dá)到預(yù)估值時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟主動(dòng)再生將碳清除使GPF能夠繼續(xù)正常工作。

其中ΔPtotal為壓差傳感器所測(cè)得的壓差。

ΔPclean由壓差計(jì)算公式：

獲得。

其中a1為標(biāo)定的摩擦系數(shù)，a2為標(biāo)定的慣性系數(shù)，μ為粘性系數(shù)，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(zhì)量msoot由不同工況下的ΔPsoot與msoot的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得。假設(shè)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(zhì)量是基于里程的函數(shù)。

為了根據(jù)GPF壓差直接查到相應(yīng)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(guān)系。

1.3 G PF再生原理

GPF先捕集廢氣中的微粒物，然后再對(duì)捕集的微粒進(jìn)行氧化，使GPF再生。所謂過(guò)濾器的再生是指在長(zhǎng)期工作中，GPF里的顆粒物逐漸增加會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)背壓升高，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，所以要定期除去沉積的顆粒物，恢復(fù)GPF的過(guò)濾性能。當(dāng)通過(guò)碳載量預(yù)估的顆粒物質(zhì)量及其他主動(dòng)再生條件達(dá)到要求時(shí)，GPF便開(kāi)始進(jìn)行主動(dòng)再生防止其不發(fā)生碳粒阻塞。其主動(dòng)再生的主要反應(yīng)為：

2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行GPF標(biāo)定試驗(yàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)及其他部件不做任何調(diào)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(duì)壓差進(jìn)行測(cè)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(duì)壓差傳感器進(jìn)行安裝時(shí)保持：

（1）壓差傳感器測(cè)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(cè)量管方向單調(diào)不出現(xiàn)U型的結(jié)構(gòu)。

（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(nèi)。

（4）確認(rèn)壓差傳感器內(nèi)不存在水汽等雜質(zhì)。

圖4 壓差傳感器下游端安裝在錐面

3 壓差試驗(yàn)研究

在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量。

測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)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(jù)壓差數(shù)據(jù)得到圖5的壓差對(duì)比。

圖5 壓差數(shù)據(jù)對(duì)比

壓差標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算得到名義壓差與碳載量的關(guān)系如圖6所示。

圖6 sootindex對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)候，相應(yīng)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(qū)間時(shí)，壓差傳感器所測(cè)得的壓差基本無(wú)變化，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程中最大壓差僅為7 kPa，這對(duì)于標(biāo)定摩擦系數(shù)與標(biāo)定慣性系數(shù)的擬合的精確度造成很大影響，進(jìn)而影響碳載量預(yù)估模型的建立，而當(dāng)壓差傳感器安裝在直面上時(shí)，當(dāng)氣流的流速變化時(shí)，所測(cè)的壓差變化較大，且最大壓差達(dá)到23 kPa，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)建立碳載量預(yù)估模型的精度的提升，開(kāi)啟GPF主動(dòng)再生，保證GPF能夠正常工作具有重大意義。

4 結(jié)論

顆粒捕集器上壓差傳感器的安裝位置對(duì)于壓差的測(cè)量具有重要的影響。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比，在發(fā)動(dòng)機(jī)不做其他調(diào)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(cè)量結(jié)果要比在錐面上安裝壓差傳感器的測(cè)量結(jié)果要顯著得多，這對(duì)于建立碳載量預(yù)估模型從而開(kāi)啟顆粒捕集器的主動(dòng)再生模式進(jìn)而減少顆粒物排放起到了重要的作用。