奧迪車型汽油顆粒捕集器的應(yīng)用

文：喀晶元

關(guān)鍵詞：汽油顆粒捕集器

2019年我國一線和準(zhǔn)一線城市已經(jīng)提前推行機(jī)動車國六排放標(biāo)準(zhǔn)，是目前全球最高的排放標(biāo)準(zhǔn)之一。為滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)中對顆粒物排放的限制要求，汽車需要做進(jìn)一步的技術(shù)升級，在原有三元催化器基礎(chǔ)上加裝汽油顆粒捕集器（GPF）。

圖1 GPF的工作原理

1.奧迪GPF的技術(shù)說明

（1）采用雙噴射系統(tǒng)的原因

在低溫下，直噴發(fā)動機(jī)噴油器與燃燒室之間的路徑較短，從噴油器出來的燃油很難完全霧化。因此，直噴發(fā)動機(jī)在冷起動期間及其后的1～2 min會大量產(chǎn)生PM顆粒物。這也就是奧迪EA888第3代發(fā)動機(jī)采用雙噴射系統(tǒng)的重要原因。在冷起動和低負(fù)荷階段采用多點(diǎn)噴射（MPI），在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷階段采用直噴（FSI），可有效將顆粒物排放降低10倍。

柴油發(fā)動機(jī)在冷起動以及運(yùn)行中都會產(chǎn)生顆粒物，與之比較，汽油發(fā)動機(jī)只有在冷起動及發(fā)動機(jī)預(yù)熱初始才會產(chǎn)生顆粒物，熱車行駛過程中則不會產(chǎn)生。

（2）汽油發(fā)動機(jī)排放顆粒物的組成

汽油發(fā)動機(jī)排放顆粒物由炭黑微粒和塵灰微粒兩部分組成。

炭黑微粒是燃油在氣缸內(nèi)沒有充分霧化或者沒有獲得充足氧氣達(dá)到完全燃燒而形成的。炭黑微粒主要由炭組成，這些微粒先暫存在顆粒捕集器中，隨后在還原階段會被清除。

塵灰微粒是由機(jī)油中的添加劑（含硫、鋅、鈣及磷等）燃燒生成。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于冷機(jī)狀態(tài)或者轉(zhuǎn)速很高時，機(jī)油可能會經(jīng)活塞環(huán)或者曲軸箱通風(fēng)裝置進(jìn)入燃燒室，機(jī)油添加劑燃燒時會產(chǎn)生塵灰微粒，顆粒捕集器內(nèi)的塵灰微粒在還原期間不會被燃燒，從而將長久地沉積在顆粒捕集器中。

（3）GPF的結(jié)構(gòu)和功能

柴油發(fā)動機(jī)顆粒捕集器（DPF）已有幾十年的發(fā)展歷史，而新出現(xiàn)的GPF的工作原理與DPF是基本相同的（圖1）。但是由于汽油發(fā)動機(jī)的廢氣溫度要高于柴油發(fā)動機(jī)，因此GPF由不同材料制成，主體采用的是一種陶瓷材料“堇青石”，其主要化學(xué)成分是硅酸鎂鋁。這個陶瓷模塊上有許多通道，與催化凈化器不同的是，這些通道的末端都是封堵狀態(tài)，這樣廢氣只能流經(jīng)多孔的通道壁排出，而炭黑顆粒則會附著在通道壁上，收集在顆粒捕集器內(nèi)。濾清器通道壁的孔隙設(shè)計(jì)需滿足過濾0.01～0.05 μm的最小炭黑顆粒。

（4）GPF的布置形式

GPF布置形式分為“緊接式GPF”和“車底式GPF”。

“緊接式GPF”是將GPF直接安裝在渦輪增壓器上，這個安裝位置是理想的，因?yàn)轭w粒捕集器很快就能達(dá)到還原所要求的600℃。而因發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間狹小，需要將GPF布置在底板處的布置形式稱為“車底式GPF”。奧迪A級車多采用此種布置形式。

（5）GPF的還原

發(fā)動機(jī)控制單元根據(jù)進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)負(fù)荷來確定顆粒捕集器中炭黑微粒的積累情況，并定期清除GPF中的炭黑微粒，避免形成堵塞而影響其功能。清除方式是將積存的炭黑微粒燃燒 （氧化）變?yōu)镃02氣體排出，該過程被稱之為還原。還原分為3種類型：被動還原、主動還原和車間還原。

車輛行駛時，被動還原可在發(fā)動機(jī)控制單元沒有使用特殊措施的情況下持續(xù)進(jìn)行。前提是車輛行駛足夠長的距離，讓汽油機(jī)顆粒捕集器達(dá)到所需的600℃ 。顆粒捕集器在還原期間需要用到氧氣，可通過車輛斷油滑行獲取。如果工作溫度足夠高，炭黑微粒會在這種“額外”氧氣的幫助下燃燒成CO2而排出。

當(dāng)炭黑微粒的積存量超過一定數(shù)值，且駕駛員的駕駛行為不足以滿足還原需求時，則組合儀表中的顆粒捕集器警告燈會亮起， 提示駕駛員需執(zhí)行一次主動還原駕駛。 駕駛員需進(jìn)行車輛預(yù)熱行駛，使發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài)，然后提速至80 km/h以上，接著完全松開加速踏板約5 s，讓汽車帶擋滑行，反復(fù)重復(fù)該步驟直到顆粒捕集器指示燈熄滅。此還原過程通常需要5～20 min。

如果顆粒捕集器中的積累超過設(shè)定的限值，例如駕駛員忽略了還原駕駛請求，或者在某些情況下，主動還原在車輛行駛期間不滿足條件，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)將額外接通組合儀表的動力系統(tǒng)警告燈。此時，車輛表現(xiàn)為怠速轉(zhuǎn)速升高，發(fā)動機(jī)功率下降，關(guān)閉智能起停和斷油滑行。組合儀表還會有文本信息提示，要求駕駛員前往服務(wù)站檢修。

車間還原時，服務(wù)站維修人員先為車輛連接300℃以上的耐熱排氣導(dǎo)管，然后利用診斷儀執(zhí)行“GPF的還原檢查”程序。發(fā)動機(jī)提高怠速轉(zhuǎn)速至2 500 r/min，當(dāng)冷卻液溫度超過70℃，則開始執(zhí)行主動還原，在這個還原過程中排氣管會發(fā)出類似于發(fā)動機(jī)缺缸的噪聲，這屬于正常現(xiàn)象。還原過程大約需要40 min，其中包括10 min的后期冷卻階段。冷卻階段發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速降至1 500 r/min。

2.GPF的組成

這里以EA888第3代2.0TFSI發(fā)動機(jī)為例，GPF的組成包括壓差式傳感器G1037、上游廢氣溫度傳感器G495和下游廢氣溫度傳感器G648（圖2）。

（1）壓差式傳感器G1037

G1037有2個氣動接口，接口通過軟管分別連接到顆粒捕集器的前、后兩端位置。如果顆粒捕集器內(nèi)積存的炭黑微粒增多了，顆粒捕集器上、下游的排氣壓力差就會增大。

G1037測量顆粒捕集器上游和下游的廢氣壓力，由此獲得壓差，將信號傳至發(fā)動機(jī)控制單元，發(fā)動機(jī)控制單元利用該信號來確定顆粒捕集器內(nèi)炭黑微粒的積存量，并啟動相應(yīng)的還原過程。

（2）上游廢氣溫度傳感器G495和下游廢氣溫度傳感器G648

上游廢氣溫度傳感器G495安裝在顆粒捕集器前端，下游廢氣溫度傳感器G648安裝在顆粒捕集器后端。這2個溫度傳感器用于測量這2處節(jié)點(diǎn)的排氣溫度。二者結(jié)構(gòu)和功能是相同的，都是由熱敏元件和信號處理裝置構(gòu)成。信號處理裝置和熱敏元件相互分開，這樣可防止信號處理裝置位于很熱的廢氣中。

圖2 GPF的組成

這2個溫度信號發(fā)送至發(fā)動機(jī)控制單元，發(fā)動機(jī)控制單元使用這2個信號來計(jì)算顆粒捕集器內(nèi)的炭黑積存量。此外，這2個溫度信號還用于部件的保護(hù)，以避免顆粒捕集器因過高的廢氣溫度而損壞。

3.GPF的使用注意事項(xiàng)

奧迪的GPF與整車等壽命設(shè)計(jì)，但是，為確保其正常使用壽命，在使用中需要注意以下事項(xiàng)。

（1）為不影響顆粒捕集器的使用壽命，請避免反復(fù)的短途行駛。

（2）當(dāng)顆粒捕集器警告燈和動力系統(tǒng)警告燈都處于報警狀態(tài)時，應(yīng)及時到服務(wù)站做“車間還原”。如果炭黑微粒積存達(dá)到極限負(fù)荷狀態(tài)，則無法執(zhí)行“車間還原”，只能更換新的顆粒捕集器。

（3）注意必須使用奧迪原廠機(jī)油，以保障顆粒捕集器的正常使用壽命。

（4）在車輛使用期間，還需注意使用國六標(biāo)準(zhǔn)燃油，切勿使用劣質(zhì)燃油。