汽油機(jī)顆粒物捕捉器(GPF)的碳載模型計算介紹

馮觀華

摘 要：汽油機(jī)顆粒物捕捉器（GPF）能有效地捕集汽車排氣中的顆粒物，其過濾效果可接近90%。EMS通過對車輛運(yùn)行過程中碳顆粒（soot）的生成速率以及系統(tǒng)控制再生過程的碳顆粒（soot）的燃燒速率積分計算，進(jìn)而計算出GPF中累積的顆粒物的質(zhì)量。因此對碳顆粒的累積質(zhì)量及再生質(zhì)量的計算極其重要。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)顆粒物捕捉器 顆粒物 累積 再生

1 引言

隨著我國汽車的普及率不斷提高，以及人民群眾對高質(zhì)量環(huán)境的日益重視，我國在2016年底發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法（第六階段）》[1]。國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了自2020年7月1日起輕型汽車的汽油機(jī)顆粒物的數(shù)量限值為6.0×1011個/km，顆粒物的質(zhì)量限值為4.5mg/km，自2020年7月1日起則進(jìn)一步加嚴(yán)，顆粒物的質(zhì)量上限為3mg/km。因此各汽車主機(jī)廠通過改善原始排放的方式改善顆粒物排放，例如高軌壓等機(jī)內(nèi)技術(shù)，然而單純依靠機(jī)內(nèi)技術(shù)很難滿足嚴(yán)苛的國六法規(guī)，因此從排放后處理的角度降低顆粒物排放的手段，即增加汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF），是輕型汽車應(yīng)對顆粒物排放限值較為有效的手段。

2 GPF的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為GPF的結(jié)構(gòu)以及過濾尾氣中的顆粒物的工作原理圖，其蜂窩孔道相鄰兩端交替堵塞。由于汽車在實際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，油氣不可能混合完全導(dǎo)致燃燒不充分，所以尾氣中存在未燃燒完全的顆粒物。尾氣從垂直于軸向的GPF入口端面的所有開口通道流入，在壓差的作用下，尾氣穿越蜂窩孔道載體壁面，尾氣中的顆粒物將被過濾在孔道載體壁面內(nèi)及載體壁面上，而尾氣中其它氣態(tài)物則通過壁面從GPF出口端面的開口通道流出，達(dá)到過濾尾氣的作用[2]。

3 GPF碳載模型計算策略

如圖1所示，GPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)為壁流式結(jié)構(gòu)。通過把尾氣中的顆粒物過濾在壁面上達(dá)到清除尾氣中的顆粒物從而達(dá)到國六排放法規(guī)要求的顆粒物數(shù)量限值及質(zhì)量限值。然而不斷累積在GPF中的顆粒物會引起排氣背壓的升高，從而影響汽車的動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性等。因此需要適時地進(jìn)行再生以燒掉GPF中的碳顆粒物。為了進(jìn)行再生，需要給GPF創(chuàng)造一個高溫富氧的條件以發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)C+O2=CO2。通過改變汽車的運(yùn)行參數(shù)如推遲點火等以提高GPF中的溫度，通過減稀空燃比增加尾氣中的氧含量，從而清除GPF中累積的碳顆粒物。因此需要對正常運(yùn)轉(zhuǎn)時累積的碳量及再生過程中燒掉的碳量進(jìn)行精確判斷，從而算出GPF中存在的碳顆粒物。

在GPF的實際使用過程中，無法直接測量GPF內(nèi)的碳載量。目前有兩種碳載模型計算策略來預(yù)估GPF中的模型碳載量。一種是通過壓差傳感器測量GPF前后端的壓差并結(jié)合發(fā)動機(jī)排氣特性參數(shù)進(jìn)行碳載量預(yù)估，一種是根據(jù)汽車的各種運(yùn)行參數(shù)如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、空燃比等來預(yù)估GPF中的模型碳載量。

3.1 基于壓差傳感器的模型碳載量

由于汽車在實際行駛中尾氣溫度處于動態(tài)變化中，氣體的溫度對氣體粘度有一定影響，由圖1知，尾氣在壓差作用下穿越載體壁面排出，尾氣氣體在穿越過程中會存在先壓縮通過載體壁面，通過后又會膨脹開來，因此需要對這些因素進(jìn)行校正。由文獻(xiàn)[3]可知，干凈狀態(tài)下的GPF的壓降模型為：

其中C0和C1為需要標(biāo)定的修正系數(shù)，μ為排氣動力粘度，ρg為排氣密度，Qv為排氣體積流量。GPF上的壓差傳感器實時測量GPF前后端的壓差，然后將此壓差值經(jīng)過濾波處理并與壓差模型經(jīng)過一系列公式計算得到一個互相關(guān)系數(shù)CCF。此CCF值由兩部分引起，一是可以被氧化的碳顆粒物（soot），一是不可以被氧化的灰分（ash），所以再經(jīng)過公式計算修正后得到單純由soot引起的CCF_soot值。

為了得到CCF_soot值與GPF中實際碳載量的一一對應(yīng)關(guān)系，需要標(biāo)定這一對應(yīng)關(guān)系，目前標(biāo)定步驟如下：

①在臺架上把GPF裝上發(fā)動機(jī)，然后進(jìn)行燒碳步驟清除GPF中的碳顆粒物，確保GPF為空載狀態(tài)，然后在臺架上跑自動程序WLTC（全球清輕型車輛測試循環(huán)）兩次，從而得出空載狀態(tài)時對應(yīng)的CCF_soot值。

②與①步驟一樣，再分別給GPF快速累碳并實際稱重得碳載量為4g、8g、12g、14g時，跑WLTC循環(huán)測出對應(yīng)碳載量時的CCF_soot值。

③由于累積的碳與再生后的碳在結(jié)構(gòu)上存在差異，此差異對測量的CCF_soot值有一定影響，為了減少誤差，將②步驟中累有的14g碳再分別燒剩余12g、8g、4g，再跑WLTC循環(huán)測出對應(yīng)碳載量時的CCF_soot值。

將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出CCF_soot與GPF中碳載量的對應(yīng)關(guān)系：

在汽車的實際行駛過程中，汽車控制模塊將算出實際的CCF_soot值，然后根據(jù)表1采用插值查表法從而算出GPF中的模型碳載量Msoot_CCF。

3.2 基于發(fā)動機(jī)原排累積的模型碳載量

3.2.1 GPF累碳速率

在臺架實驗室，充分熱機(jī)發(fā)動機(jī)后，使用AVL MSS 483測量設(shè)備，運(yùn)行表2發(fā)動機(jī)萬有特性每個工況點，從而測出每個工況點的實際碳顆粒物生成速率。

①空燃比修正

在表2發(fā)動機(jī)萬有特性工況點中，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時，為了保護(hù)零部件，控制系統(tǒng)會加濃空燃比以降低排溫。所以需要對表2加濃的工況點進(jìn)行空燃比修正。即加濃工況點在空燃比1時的碳顆粒物生成速率=加濃時該工況點的碳顆粒物生成速率/對應(yīng)加濃空燃比的修正值。從而得到空燃比為1時表2中工況點的碳顆粒物生成速率，進(jìn)而填入碳顆粒物生成速率標(biāo)定量中。為了求出空燃比修正值，分別控制空燃比保持在0.9/0.8/0.7/1.1，測出表2萬有特性工況點的碳顆粒物生成速率，通過與空燃比為1時碳顆粒物生成速率對比，從而得出空燃比修正值如表3所示，在汽車實際運(yùn)行中，當(dāng)空燃比加濃保護(hù)時，系統(tǒng)會根據(jù)表3采用插值查表法得出加濃空燃比的修正值以修正碳顆粒物生成速率。

②水溫、起動、催化劑加熱及過渡工況修正

由于汽車在實際使用時，經(jīng)常是在發(fā)動機(jī)冷機(jī)狀態(tài)時啟動，在冬天我國北方，發(fā)動機(jī)水溫甚至能達(dá)到負(fù)20度或者更低。發(fā)動機(jī)水溫低會造成汽油粘度大揮發(fā)更不充分，油氣混合也更加不完全，從而導(dǎo)致燃燒不充分，更多未燃燒的碳顆粒物直接排出被GPF捕集。在汽車?yán)鋯訒r，為了確保有足夠熱量轉(zhuǎn)化為功以啟動發(fā)動機(jī)，系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)啟動時會增加噴油量等措施以確保發(fā)動機(jī)能在冷機(jī)狀態(tài)下啟動成功。因此需要進(jìn)行水溫修正、啟動修正來修正碳顆粒物生成速率值。在臺架試驗室進(jìn)行水溫20度及以上溫度點修正試驗，然后在低溫轉(zhuǎn)鼓使倉內(nèi)溫度為-30、-20、-10、0度從而使汽車發(fā)動機(jī)水溫達(dá)到對應(yīng)溫度點，進(jìn)行水溫修正及起動修正試驗。

催化劑有一特性即起燃溫度，在這一溫度之前催化劑對氣態(tài)污染物的轉(zhuǎn)化效率特別低，當(dāng)溫度到達(dá)這一溫度值之后，催化劑對氣態(tài)污染物的轉(zhuǎn)化效率迅速提高。在汽車起動后為了盡快使催化加達(dá)到起燃溫度以降低氣態(tài)污染物排放，汽車控制系統(tǒng)通過推遲點火角等使到達(dá)催化劑的熱量增多，直到催化劑達(dá)到起燃溫度。因此需要修正催化劑加熱階段的碳顆粒物生成速率。通過反復(fù)試驗，通過對比催化劑加熱階段及關(guān)閉催化劑加熱功能后對應(yīng)階段的碳顆粒物生成速率得出催化劑加熱修正系數(shù)。

過渡工況修正系數(shù)也是通過反復(fù)試驗對比過渡階段與穩(wěn)態(tài)時碳顆粒物速率之間的關(guān)系，得出過渡工況的修正系數(shù)（圖2）。

3.2.2 GPF碳顆粒物再生速率

當(dāng)GPF中累積到一定碳量后，需要進(jìn)行再生。因此需要標(biāo)定再生速率模型以計算再生時燒掉的碳載量。再生時主要是溫度與氧流量，根據(jù)這兩個參數(shù)來計算再生速率。

如表3，橫坐標(biāo)是GPF中心溫度，縱坐標(biāo)是到達(dá)GPF的氧流量。找出定溫650℃時各個氧流量時發(fā)動機(jī)的工況點即發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及空燃比，在臺架發(fā)動機(jī)上給GPF快速累碳并實際稱重得4～5g碳，然后依次分別做定溫650℃時各個氧流量試驗，使GPF處于定溫650℃氧流量為一定值時再生一段時間然后拆下稱重得出殘余碳量，根據(jù)燒掉的碳量以及再生時間得出定溫650℃某氧流量時的再生速率。同理依次做試驗得出定氧500時各個溫度的再生速率。汽車在實際駕駛過程中，會有完全松開油門時刻，此時如果系統(tǒng)允許斷油，那么GPF中會有大量氧氣涌入，快速燃燒掉GPF中的碳，所以需要在臺架發(fā)動機(jī)中手動造斷油，算出各個溫度下斷油時的再生速率。由于GPF中碳載量越多其再生速率越快，因此還需要根據(jù)GPF中的碳載量進(jìn)行修正其再生速率。

若按表4中所有的點全部依次做試驗以得出其再生速率，這樣項目時間會大大加長，也不理想，所以目前采用做定溫650℃、定氧500、斷油這些點，得出這些點的再生速率后，利用軟件根據(jù)已得再生速率值進(jìn)行外推、擬合其它點的再生速率值，然后進(jìn)行驗證，再細(xì)調(diào)，使模型燒碳量與實際燒碳量誤差控制在30%以內(nèi)。

基于發(fā)動機(jī)原排得到的GPF累碳速率在經(jīng)過GPF過濾效率修正后得最后的累碳速率，基于溫度、氧流量得到的GPF碳顆粒物再生速率在經(jīng)過現(xiàn)有碳載量的修正后得到最終再生速率，兩者的差值若為正則經(jīng)過積分計算后在原有碳載量數(shù)值基礎(chǔ)上繼續(xù)累積數(shù)值，兩者的差值若為負(fù)則經(jīng)過積分計算后在原有碳載量數(shù)值基礎(chǔ)上減小碳載量數(shù)值。

通過CCF值得到的Msoot_CCF值會與圖3的GPF碳載模型計算策略得出的Msoot進(jìn)行比較，其中的最大值會輸出作為GPF中最終的模型碳載量。這樣使計算得到的GPF模型碳載量精確度更高。

4 結(jié)論

通過基于壓差傳感器、基于發(fā)動機(jī)原排這兩種GPF模型碳載量的計算，然后取兩者中的最大值，提高了所得的模型碳載量的精確度，防止因計算的模型碳載量低于實際值時導(dǎo)致顆粒物的不斷累積從而造成GPF堵塞影響汽車的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]國家環(huán)保局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6—2016[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2016.

[2]李配楠，程曉章，駱洪燕，等.基于國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）的試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2017，34（1）：1-5.

[3]伏軍，張續(xù)成.汽油機(jī)微粒捕集器的碳載量標(biāo)定試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（11）：1-5.