汽油機(jī)顆粒捕集器(GPF)應(yīng)用匹配參數(shù)研究

(奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241000)

0 引言

隨著國(guó)六排放法規(guī)的實(shí)施，顆粒物排放的質(zhì)量和數(shù)量都納入了控制監(jiān)管范圍。尤其是直噴汽油機(jī)，其循環(huán)顆粒物排放量是進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的10倍以上。從降低原始排放著手，已開發(fā)出許多降低顆粒物排放的手段。比如，燃油噴射壓力從20 MPa提高到35 MPa，同時(shí)采用多孔噴油器。但因發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造工藝的差異，其降低顆粒物排放的效果略有不同[1-4]。從排氣后處理的角度來降低顆粒物排放，汽油機(jī)顆粒捕集器GPF(Gasoline Particle Filter)便應(yīng)運(yùn)而生。它可過濾近90%的顆粒物排放，但GPF捕集了一定量的顆粒物后，需要合適的條件才能將累積的顆粒物燃燒掉，而且GPF也有最大的熱應(yīng)力承受范圍[5-7]。因此，本文采用試驗(yàn)方法對(duì)GPF的狀態(tài)進(jìn)行分析，研究影響GPF功能和性能的因素，從而針對(duì)GPF的再生過程施以精確的控制。

1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為車用汽油直噴(gasoline direct injection, GDI)電控增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其配置了汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particle filter, GPF)。發(fā)動(dòng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)GPF臺(tái)架需要做碳的累積和再生，工作周期長(zhǎng)。因此，設(shè)計(jì)了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)匹配試驗(yàn)專用臺(tái)架。該專用臺(tái)架具有能夠根據(jù)要求控制發(fā)動(dòng)機(jī)良好運(yùn)行、檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、在線修改數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

表1 GDI電控增壓發(fā)動(dòng)機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

首先，分別測(cè)試GPF碳載量為18 g和原始無碳載量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從2 000 r/min增加至5 500 r/min、油門全開的外特性性能；然后，在碳載量為5 g時(shí)，切斷燃油系統(tǒng)供油，燃油中斷時(shí)間分別為20 s、30 s、40 s，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)性能，并觀察GPF的溫度變化；再在GPF中心溫度達(dá)到650 ℃時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，使之至氧流量從200 mg/s增至 1 000 mg/s，其間變化間隔為100 mg/s；再在氧流量為600 mg/s時(shí)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，使GPF中心溫度從500 ℃增至800 ℃，其間變化間隔為50 ℃；最后，在碳載量分別為0.5 g、2 g、4 g、8 g和12 g的工況下，測(cè)試GPF中心溫度、氧流量、碳載量對(duì)GPF燃燒速率的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 GPF碳載量對(duì)性能的影響

GPF碳載量為18 g和原始無碳載量時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能曲線如圖2～3。由圖可見， GPF碳載量增加后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率的外特性都要比原始無碳載量的低。主要原因是GPF中的碳累積之后，導(dǎo)致排氣背壓增大。為維持同樣的扭矩和功率，須提高轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。這說明GPF中碳累積之后會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能產(chǎn)生影響，故應(yīng)及時(shí)對(duì)GPF進(jìn)行再生處理。

3.2 GPF中心溫度、碳載量、氧流量對(duì)碳燃燒速率的影響

GPF中心溫度、碳載量、氧流量對(duì)GPF再生燃燒速率即碳燃燒速率的影響如圖4～6所示。由圖可見，在相同的GPF中心溫度、不同的排氣流量下，隨著氧流量的成倍增加，碳燃燒速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；在相同的排氣流量下，隨著GPF中心溫度的增加，碳燃燒速率幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)；隨著碳載量的增長(zhǎng)，碳燃燒速率同樣幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)。這說明GPF中累積了大量的碳，且在高溫高氧流量下更容易發(fā)生碳的燃燒，GPF再生的幾率增大。這從側(cè)面反映出對(duì)于一定的GPF裝置所能承載的最大碳載量必須是一定的，否則會(huì)由于車輛在燃油中斷工況下瞬間會(huì)有大量的氧氣進(jìn)入GPF，導(dǎo)致碳瞬間產(chǎn)生的熱量無法快速散去，進(jìn)而導(dǎo)致GPF載體溫度超過其耐受的溫度值，最終引起GPF損壞或者擊穿。

3.3 燃油中斷時(shí)間對(duì)GPF溫度的影響

燃油中斷后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。燃油中斷后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至怠速的時(shí)間定義為轉(zhuǎn)速回落時(shí)間。以碳載量5 g為基礎(chǔ)，測(cè)試GPF溫度在轉(zhuǎn)速回落時(shí)間內(nèi)的變化情況。不同燃油中斷時(shí)間下，轉(zhuǎn)速回落時(shí)間內(nèi)的GPF入口溫度、載體溫度、出口溫度的變化情況如圖7～9所示。由圖可見，GPT載體溫度在燃油中斷后都有明顯的上升趨勢(shì)，說明此時(shí)GPF內(nèi)部正在發(fā)生劇烈的碳燃燒反應(yīng)。由于排氣流量減小，GPF入口溫度在燃油中斷后緩慢下降；而GPF出口溫度在碳燃燒反應(yīng)發(fā)生時(shí)基本保持不變，之后才開始下降。這表明GPF出口溫度無法反應(yīng)GPT載體溫度的變化。當(dāng)燃油中斷30 s時(shí)，GPF載體最高溫度達(dá)到最大，為940 ℃，已接近其耐受的最高溫度，即GPF在碳載量5 g的情況下，如果燃油中斷，則其再生不會(huì)存在被燒壞的風(fēng)險(xiǎn)；但是，碳載量>5 g，如果中斷燃油供應(yīng)勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)GPF的載體最高溫度超過其耐受的最高溫度，GPF有被燒壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要精確控制燃油中斷和GPF再生之間的關(guān)系。

GPF碳載量為5 g時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下，燃油中斷時(shí)間對(duì)GPF載體最高溫度的影響如圖10所示。由圖可見，燃油中斷20～30 s對(duì)GPF載體最高溫度的影響不大。隨著燃油中斷時(shí)間的增加，GPF載體最高溫度開始下降。原因是隨著燃油中斷時(shí)間的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢下降，使得排氣流量也緩慢減少，持續(xù)高的排氣流量會(huì)帶走部分熱量，導(dǎo)致GPF載體最高溫度開始下降。

4 結(jié)論

通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定試驗(yàn)，得到了GPF碳載量、GPF中心溫度、氧流量、燃油中斷時(shí)間等之間相互影響的規(guī)律，為GPF整車標(biāo)定奠定了理論基礎(chǔ)，試驗(yàn)得到的結(jié)論如下。

1)GPF中碳累積達(dá)一定數(shù)量后，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能：扭矩和功率都出現(xiàn)下降。因此，累積的碳必須通過定時(shí)再生燃燒掉。

2)排氣溫度越高，氧流量越大，形成了GPF快速燃燒的條件，GPF再生燃燒速率越快；碳載量越多，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬間背壓越高，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能受影響越大。

3)GPF積碳后，在燃油中斷工況下，GPT載體溫度會(huì)有明顯上升。燃油中斷時(shí)間會(huì)影響GPF的最高載體溫度，但GPF的出口溫度基本沒有變化。