基于國六法規(guī)下的整車GPF再生試驗(yàn)研究

鄧小康 蔡永明 常健

摘要：在搭載某直列四缸GDI渦輪增壓發(fā)動機(jī)的整車上進(jìn)行了怠速再生工況的選擇與驗(yàn)證，并通過城市工況再生及高速再生驗(yàn)證了模型的精度。結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)速3000r/min、儲備扭矩20Nm時，渦前溫度、GPF入口溫度均未出現(xiàn)超溫的現(xiàn)象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;在城市工況和高速工況下，當(dāng)前實(shí)際碳載值要小于當(dāng)前模型碳載值，可以早點(diǎn)進(jìn)入再生，清除掉碳載顆粒物，模型與實(shí)際匹配結(jié)果較好;再生速率良好，能夠滿足工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：國六排放法規(guī);缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī);汽油機(jī)顆粒捕集器;再生

中圖分類號：TK417.+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）04-0069-05

鄧小康

畢業(yè)于海南大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于東風(fēng)小康汽車有限公司技術(shù)中心，任動力標(biāo)定工程師，主要研究方向：發(fā)動機(jī)動力標(biāo)定，已發(fā)表論文3篇。

引言

隨著社會的快速發(fā)展，我國的機(jī)動車保有量在不斷增加，截至到2019年，我國機(jī)動車保有量達(dá)3.48億輛，其中汽車保有量達(dá)2.6億輛。巨大的汽車保有量排放的廢氣使得環(huán)境污染加劇，據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報（2019）》顯示，汽車排放的CO為2859.3萬噸，NOx為521.9萬噸，PM為42.2萬噸，HC為326.7萬噸，分別占機(jī)動車污染物排放總量的92.6%、92.7%，95.5%，88.6%。為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)境污染挑戰(zhàn)，我國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，即國六排放法規(guī)，對CO、THC、NMHC、NOx等污染物排放的限制更加嚴(yán)格，其中國六a及國六b階段CO的排放限值為0.7g/km和0.5g/km，相較于國五階段的1g/km分別嚴(yán)格了30%和50%;國六b的THC、NMHC、NOx排放限值為0.05g/km、0.035g/km、0.035g/km，相較于國五階段分別降低了50%、48.5%、41.7%;并且將NEDC車輛測試循環(huán)變更為WLTC車輛測試循環(huán)，同時增加了顆粒物排放限值要求及實(shí)際道路試驗(yàn)（RDE），其中顆粒物排放限值國六a階段為4.5mg/km及6.0×10¹¹個/km，到國六b階段為3.0mg/km。越來越嚴(yán)苛的汽車廢氣排放限值標(biāo)準(zhǔn)給廢氣后處理等帶來了巨大挑戰(zhàn)。

缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)（GDI）由于其良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性而廣泛的應(yīng)用在汽車上，但是由于其燃油直接噴射到燃燒室內(nèi)，油氣混合不均等原因?qū)е氯紵髸a(chǎn)生更多的顆粒物排放?！?，因此需要在后處理階段增加汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）來降低顆粒物排放。目前對GPF的研究集中在GPF性能、再生策略等方面。李配楠等人在某1.5TGDI試驗(yàn)車上進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加GPF后的各項(xiàng)排放指標(biāo)都優(yōu)于不帶GPF的，能明顯改善CO和NOx排放;另外對GPF布置研究發(fā)現(xiàn)，相較于緊耦合式GPF，后置式GPF對排放和油耗都有較好的改善。牛彥凱等人對GPF的工作過程進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，GPF進(jìn)氣流量的減小能有效降低載體前后壓降;提高載體孔目數(shù)，增加載體長度都可以提高過濾效率，但載體前后壓降會增大。范明哲等人在某V型66GDI汽油機(jī)上上搭建GPF碳載量模型進(jìn)行仿真標(biāo)定，對再生策略研究表明主動再生和被動再生模型的偏差分別為9%和6%，模型精度良好，能滿足工程應(yīng)用。陳京瑞等人闡述了GPF的再生和保護(hù)策略，常見的再生方式減速斷油和點(diǎn)火延遲可以提高GPF內(nèi)部溫度來實(shí)現(xiàn)碳載的燃燒恢復(fù)GPF的捕集性能;另外通過進(jìn)口溫度、排氣流量和氧濃度來計算GPF溫度，避免GPF熱損害，進(jìn)行排溫保護(hù)。

為了滿足國六法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，在GDI發(fā)動機(jī)上搭載GPF來減少顆粒物排放，但是GPF中顆粒物的增加如果不及時清理會導(dǎo)致GPF堵塞甚至損壞，影響整車性能，因此本文對整車搭載緊耦合式GPF進(jìn)行了實(shí)車原地怠速再生及城市工況、高速工況再生的實(shí)際道路研究，旨在為整車GPF再生提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)裝置及方法

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用某車型搭載1.5TGDI缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機(jī)的整車，發(fā)動機(jī)及整車主要規(guī)格參數(shù)如表1和表2所示;溫度采集模塊;稱重天平（精度0.1g）;熱電偶;開發(fā)ECU;快拆緊耦合式GPF。

1.2試驗(yàn)方法

1）GPF需要制作成快拆件的形式，以便后續(xù)快速拆裝，用于GPF稱重;

2）需要在GPF上合理布置熱偶便于對GPF內(nèi)部溫度的檢測;

3）對于新的GPF需要進(jìn)行激活處理。激活方式為：運(yùn)行車輛200-400km，進(jìn)行累碳和清碳工況的行車方式，進(jìn)行兩輪測試并且對徹底清碳工況后的GPF進(jìn)行稱重，GPF稱重質(zhì)量接近基礎(chǔ)質(zhì)量且兩次稱重的差異小于0.2g，即激活完成，并且選擇GPF稱重質(zhì)量最小的一次為基準(zhǔn)質(zhì)量;

4）為了保證GPF稱重準(zhǔn)確，采用熱稱方式，每次稱重都在同一溫度下，選擇GPF中心溫度310℃稱重，避免因溫度不一致而帶來的質(zhì)量誤差，影響稱重結(jié)果。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1怠速再生工況的選擇與驗(yàn)證

2.1.1怠速再生工況的選擇

怠速再生是為了解決實(shí)際行車過程中由于當(dāng)前車輛GPF累積量過大，超過了GPF的極限碳載量，繼續(xù)行車將會對油耗和性能產(chǎn)生影響而進(jìn)行駐車再生清理GPF中累積的碳載。GPF再生時主要發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)：

C+O2=CO2 （1）

C+CO2=2CO （2）

高溫和富氧是主動再生所必須的條件。選擇2200r/min、2500r/min、2800r/min、3000r/min四種轉(zhuǎn)速，空燃比減稀到16.5來進(jìn)行GPF空載下的試驗(yàn)，施加儲備扭矩以增加排溫，以渦前溫度穩(wěn)定在850%為邊界，綜合渦前溫度、催化器溫度、GPF人口溫度和儲備扭矩四個方面來尋找合適的工況條件，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：

從圖1中可以看出，在3000r/min工況時，渦前溫度、催化器溫度和GPF入口溫度基本都是最低的，可以為GPF滿載時再生提供較大的排溫控制余量，使得催化器和GPF不會因?yàn)榕艤剡^高而帶來損壞;另外為了增加排溫而加載的儲備扭矩在3000r/min時也是最小，相較于其他轉(zhuǎn)速工況，可以加載較小的儲備扭矩而達(dá)到相同的排溫效果，因此選擇3000r/min作為怠速再生時的轉(zhuǎn)速工況。

選定3000r/min后，再次進(jìn)行一次GPF空載的單獨(dú)測試，以渦前溫度穩(wěn)定在850℃，GPF.K口溫度穩(wěn)定在650℃邊界，不斷施加儲備扭矩增加排溫，得到排溫穩(wěn)定狀態(tài)下的儲備扭矩為20Nm，因此最終選定工況為轉(zhuǎn)速3000r/min、儲備扭矩20Nm。

2.1.2怠速再生工況的驗(yàn)證

怠速再生工況的驗(yàn)證在高溫高原環(huán)境下進(jìn)行，以GPF空載和GPF累積超過極限碳載量來綜合分析。本車AZGPF亮報警燈時的極限碳載量為9g。在GPF空載時通過對開發(fā)ECU人為寫入一個大于GPF極限累碳的數(shù)值，觸發(fā)再生后直到怠速再生主動退出為止;在GPF實(shí)際累碳量大于GPF極限累碳量時，觸發(fā)怠速再生后，以模型降低為實(shí)際值的一半時結(jié)束再生，驗(yàn)證在特殊環(huán)境下GPF是否出現(xiàn)超溫等異常現(xiàn)象。空載和實(shí)際累碳超過極限碳載量下的試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

從表3、表4可以看出，在高溫高原特殊環(huán)境下，通過對空燃比減稀、施加儲備扭矩來增加GPF中的氧含量和排氣溫度使得GPF中累積的碳量快速燃燒，均沒有出現(xiàn)渦前溫度和GPF人口溫度超溫的現(xiàn)象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;另外再生時長都較短，能為以后實(shí)際的工程應(yīng)用節(jié)約時間;表4中，高溫高原下，碳載模型值分別降低6.1 g、7.1g，實(shí)際碳載值降低為6.4g、6.8g，模型變化與實(shí)際碳載變化基本一致，匹配良好。

2.2城市工況再生

城市工況再生時，在城市區(qū)間采用減稀空燃比和減速斷油（DFCO）的方式進(jìn)行綜合清碳。減稀空燃比和減速斷油都是使得排氣中氧含量增加，排溫迅速增加，達(dá)到GPF再生的溫度點(diǎn)，滿足GPF內(nèi)高溫富氧的條件，使得GPF內(nèi)顆粒物迅速燃燒，從而恢復(fù)GPF的捕集能力。試驗(yàn)通過累積碳載量到一定量時，駕駛車輛車速低于60km/h進(jìn)行碳載主動再生，對比模型碳載再生量和實(shí)際稱重計算的再生量及再生模型偏差，進(jìn)而評估模型精確度和再生速率是否滿足要求。表5是城市工況下再生數(shù)據(jù)。

從表5中可以看出實(shí)際碳載再生量比模型再生值稍高，說明再生后的當(dāng)前實(shí)際碳載值要小于當(dāng)前模型碳載值，這樣可以讓再生過程更早一點(diǎn)進(jìn)入，使得GPF內(nèi)的碳載顆粒物得到燃燒，避免過量積累。如果當(dāng)前模型碳載量低于當(dāng)前實(shí)際碳載量時會造成過長的GPF再生周期川，并且會導(dǎo)致碳載顆粒物會不斷的在GPF內(nèi)累積，嚴(yán)重可能導(dǎo)致GPF堵塞。表5中試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，模型再生量與實(shí)際再生量匹配良好。并且通過再生速率來看，在城市工況下再生速率良好，可以快速清理掉累積的碳量，避免碳量累積。另外在城市工況下模型偏差分別為0%、1%、4%、4%、5%，再生模型偏差在15%以內(nèi)，屬于可接受的范圍，能保持一定的試驗(yàn)重復(fù)性。

2.3高速工況再生

高速再生時，采用減稀空燃比和減速斷油的方式進(jìn)行綜合清碳。累積碳載量到一定量時，駕駛車輛車速在60-80km/h進(jìn)行碳載主動再生，對比模型碳載再生量和實(shí)際稱重計算的再生量及再生模型偏差，進(jìn)而評估模型精確度和再生速率是否滿足要求。表6是高速工況下再生數(shù)據(jù)。

從表6中實(shí)際碳載再生量比模型再生值稍高，這和城市工況綜合清碳的規(guī)律一致，說明模型和實(shí)際的匹配精度好;另外通過再生速率來看，最大為25.2g/h，最小為9.7g/h，分析認(rèn)為是二者的初始碳載量不同造成的，初始碳載量高再生時燃燒更迅速，燃燒速率偏快。對再生速率平均來看，在高速情況下再生良好，能滿足工程應(yīng)用。另外在城市工況下模型偏差分別為9%、15%、49%、8%、1%，大部分再生模型偏差在15%以內(nèi)，屬于可接受的范圍，能保持一定的試驗(yàn)重復(fù)性。

3結(jié)論

1）在轉(zhuǎn)速3000r/min、儲備扭矩20Nm的工況下進(jìn)行特殊環(huán)境下整車怠速再生時，渦前溫度、GPF入口溫度均未出現(xiàn)超溫的現(xiàn)象，溫度控制合理，能夠保證怠速再生的安全;

2）城市工況和高速工況下，當(dāng)前實(shí)際碳載值要小于當(dāng)前模型碳載值，可以早點(diǎn)進(jìn)入再生，清除掉碳載顆粒物，模型與實(shí)際匹配結(jié)果較好;再生速率良好，滿足工程應(yīng)用。