上汽大眾Viloran車顆粒捕集器及其再生機(jī)制

李東江

汽油燃燒都會(huì)產(chǎn)生一定量的有害成分，在空燃比λ=1時(shí)的廢氣組成情況如圖1所示。由圖1可知，汽油機(jī)燃燒時(shí)產(chǎn)生的顆粒物排放非常微小，但卻對(duì)環(huán)境和人們的身體健康會(huì)造成傷害，因此排放法規(guī)對(duì)顆粒物的排放水平要求越來越高（表1），為了滿足國6排放標(biāo)準(zhǔn)的排放限值要求，減少顆粒物的排放，上海大眾有針對(duì)性地采取了一些技術(shù)措施，一是提高燃油噴射壓力，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)怠速的燃油壓力已經(jīng)達(dá)到了大約100 bar（1 bar=100 kPa），最高燃油壓力提到了大約350 bar，從而使燃油液滴更小，燃油霧化速度更快，燃油燃燒更充分，減少了顆粒物的生成；二是通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、噴油器結(jié)構(gòu)和控制噴油正時(shí)，減少顆粒物的排放；三是在部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝了顆粒捕集器（OPF）。目前大眾EA211 1.5 L MPI發(fā)動(dòng)機(jī)和EA888 2.0T高功率（162 kPa）的發(fā)動(dòng)機(jī)不帶OPF；EA211 TSI發(fā)動(dòng)機(jī)和C6 2.5T發(fā)動(dòng)機(jī)都帶有OPF；EA888 2.0TBZ低功率發(fā)動(dòng)機(jī)，全新帕薩特、途岳車型不帶OPF，其他車型都帶OPF。

表1 國6Ⅰ型試驗(yàn)排氣污染物的限值及和國5排放標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比（單位：mg/km）

圖1 汽油機(jī)在空燃比λ=1時(shí)排放的廢氣組成情況

1 汽油機(jī)顆粒物的生成機(jī)理及排放限制

汽油在氣缸中燃燒生成的顆粒物主要由炭灰和塵灰兩種物質(zhì)構(gòu)成。

（1）炭灰顆粒。炭灰顆粒主要由碳組成。當(dāng)沒有足夠的氧氣來完全燃燒含碳燃料或者燃料沒有充分霧化時(shí)，就會(huì)形成炭灰，因此，直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫冷起動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)更容易產(chǎn)生炭灰顆粒。為了防止燃燒生成的炭灰顆粒隨著排氣排入大氣，污染環(huán)境，目前公認(rèn)的最有效的解決顆粒物排放的方式是在排氣系統(tǒng)中用加裝OPF，將燃燒生成的炭灰顆粒捕捉住。但隨著OPF捕捉住的炭灰顆粒增多，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不暢、排氣阻力增加、排氣背壓升高，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)加速不良、加速無力、動(dòng)力不足、油耗增加。因此，OPF捕捉住汽油燃燒生成的炭灰顆粒并不是難事，難的是捕捉住這些炭灰顆粒之后怎么辦？對(duì)于裝備有OPF的車輛，都設(shè)計(jì)有OPF的再生機(jī)制，當(dāng)OPF捕捉到的炭灰顆粒物達(dá)到一定量的時(shí)候，系統(tǒng)便會(huì)起動(dòng)OPF再生，通過高溫、過量氧氣來燃燒掉OPF捕捉到的炭灰顆粒。由此可見，OPF中的炭灰顆粒沉積是可逆的，只要控制好OPF的再生，便可以確保OPF長(zhǎng)期有效的工作，有效控制顆粒物的排放。

（2）塵灰顆粒（灰分）。一方面空氣中含有大量的顆粒物，通過進(jìn)氣管道進(jìn)入燃燒室，這些顆粒物在燃燒室中是無法燃燒的，也會(huì)隨著排氣進(jìn)入排氣系統(tǒng)，被OPF捕捉??；另一方面，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，機(jī)油多多少少總是會(huì)進(jìn)入氣缸的，再加上通過發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入氣缸的機(jī)油，而機(jī)油中含有硫磷鎂等元素、灰分、各種各樣的添加劑，此類物質(zhì)進(jìn)入燃燒室，燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的塵灰顆粒。塵灰顆粒同樣會(huì)被OPF捕捉住，但是由于塵灰顆粒在OPF再生期間是不會(huì)被燒掉的，隨著時(shí)間的推移，塵灰顆粒在OPF中沉積過多，依然會(huì)導(dǎo)致OPF堵塞，此類的OPF堵塞是不可逆的，只能采用物理的方式進(jìn)行清除，這就希望裝有OPF的車輛盡量不產(chǎn)生或者少產(chǎn)生塵灰顆粒，因此對(duì)于裝備用OPF的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，需要有針對(duì)性地使用低硫磷、低灰分的0W-20機(jī)油（對(duì)于大眾車型，要求使用通過大眾VW508認(rèn)證的機(jī)油，或使用通過ACEA的C系列標(biāo)準(zhǔn)或ILSAC的GF-6認(rèn)證的機(jī)油）。一般來說，對(duì)于裝備OPF的車輛，機(jī)油的使用信息都會(huì)在機(jī)油加注口蓋上進(jìn)行標(biāo)注。

2 上汽大眾Viloran車發(fā)動(dòng)機(jī)OPF系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

像上汽大眾Viloran車裝備的DKX 2.0 L直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為162 kW，最大轉(zhuǎn)矩為350 N·m，其燃油最高噴射壓力為350 bar，采用按需調(diào)節(jié)的燃油供給系統(tǒng)和機(jī)油供給系統(tǒng)、凸輪軸通過正時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)、進(jìn)排氣側(cè)的雙凸輪軸調(diào)節(jié)器和排氣側(cè)氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVS），其排氣管集成在氣缸蓋中，帶有用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行元件（N493）的創(chuàng)新型熱管理系統(tǒng)，并通過帶有電動(dòng)廢氣旁通閥的廢氣渦輪增壓器進(jìn)行增壓，且?guī)в腥加拖湫孤┰\斷系統(tǒng)。由于其將高壓燃油壓力提升到了350 bar，并優(yōu)化了高壓噴油器，改善了噴油霧化性能，從而降低了顆粒物的排放，即便其在排氣系統(tǒng)中不使用OPF裝置，其顆粒物數(shù)量（PN）的排放量也低于國6b排放標(biāo)準(zhǔn)要求的限值（6.0×1011個(gè)/km），因此該發(fā)動(dòng)機(jī)就不帶OPF裝置。而上汽大眾Viloran車裝備的DPL 2.0 L雙噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為137 kW，最大轉(zhuǎn)矩為320 N·m，其燃油的最高噴射壓力為250 bar，雖然同DKX發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，也采用按需調(diào)節(jié)的燃油供給系統(tǒng)和機(jī)油供給系統(tǒng)、凸輪軸通過正時(shí)鏈條驅(qū)動(dòng)，其排氣管集成在氣缸蓋中，帶有用于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度調(diào)節(jié)執(zhí)行元件（N493）的創(chuàng)新型熱管理系統(tǒng)，并通過帶有電動(dòng)廢氣旁通閥的廢氣渦輪增壓器進(jìn)行增壓，帶有油箱泄漏診斷系統(tǒng)，該發(fā)動(dòng)機(jī)也采用進(jìn)排氣側(cè)的雙凸輪軸調(diào)節(jié)器和氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVS），只是該發(fā)動(dòng)機(jī)是進(jìn)氣側(cè)氣門升程調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVS）。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓燃油壓力為250 bar，在排氣系統(tǒng)中不加裝OPF，其顆粒物數(shù)量（PN）的排放無法達(dá)到國6b排放限值的要求（6.0×1011個(gè)/km），因此該發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中就必須裝備有OPF。

圖2所示為上汽大眾Viloran車尾氣排放系統(tǒng)的布局，由圖2可知，該車尾氣排放系統(tǒng)的布局是三元催化轉(zhuǎn)化器在前端，其上下游各有一個(gè)氧傳感器（三元催化轉(zhuǎn)化器上游氧傳感器GX10和三元催化轉(zhuǎn)化器下游氧傳感器GX7），之后才是OPF裝置，在OPF的上下游各安裝有一個(gè)溫度傳感器（OPF上游溫度傳感器G506和OPF下游溫度傳感器G527）和一個(gè)壓差傳感器（G1037），壓差傳感器用于監(jiān)測(cè)OPF上下游的壓差，ECU根據(jù)壓差傳感器的信號(hào)來判斷OPF的堵塞程度。當(dāng)壓差傳感器監(jiān)測(cè)到的OPF上下游的壓差超過設(shè)定的限值時(shí)，將觸發(fā)OPF的再生程序?qū)PF實(shí)施再生。

圖2 上汽大眾Viloran車尾氣排放系統(tǒng)的布局

OPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置，在OPF內(nèi)部安裝有多孔陶瓷材料，過濾體內(nèi)有很多平行孔道，如圖3所示，相鄰的兩個(gè)孔道內(nèi)一個(gè)只有進(jìn)口開放，另一個(gè)只有出口開放，排氣從開放的進(jìn)口孔道流入，通過OPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)捕集顆粒物的作用。OPF雖然可以有效地捕集排氣中的顆粒物，但隨著捕集顆粒的增多，排氣背壓也會(huì)升高，影響汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此，當(dāng)OPF中的顆粒累積到一定程度時(shí)，通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況（例如斷油、推遲點(diǎn)火角等），使OPF中的顆粒氧化燃燒，即OPF的再生，去除OPF中的顆粒物，最終實(shí)現(xiàn)“捕集－再生－捕集”的良性循環(huán)。要實(shí)現(xiàn)上述“捕集－再生－捕集”的良性循環(huán)，就必須能判斷OPF中捕捉到的顆粒物的多少，根據(jù)需要啟動(dòng)OPF再生程序，將OPF中捕集到的顆粒物氧化燃燒掉。判定OPF捕捉到顆粒物的多少，可以采用壓差法和溫差法。

圖3 OPF結(jié)構(gòu)和工作原理

研究表明，OPF會(huì)對(duì)通過的排氣產(chǎn)生“阻礙”作用，其阻礙作用主要包括過濾體壁面和覆蓋其上的顆粒的流動(dòng)阻力（ΔPwall）、進(jìn)出口通道的沿程阻力（ΔPin&out）及排氣流入流出時(shí)由于截面變化引起的壓縮/膨脹阻力（ΔPcont+ΔPexp），這種“阻礙”作用的宏觀表現(xiàn)就是壓降，即P1和P2會(huì)有一定的壓力差值（圖4）。不同狀態(tài)下的OPF，其壓降表現(xiàn)也不同，當(dāng)OPF載體發(fā)生性能下降，甚至損壞、移除失時(shí)，排氣流經(jīng)OPF時(shí)的壓降就會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。上汽大眾Viloran車采用壓差傳感器監(jiān)測(cè)OPF上下游的壓差，并將監(jiān)測(cè)到的壓差信號(hào)以SENT（單邊緣漸進(jìn)傳輸）信號(hào)的形式傳輸給ECU（J623），ECU據(jù)此判定OPF的顆粒物的累積量（堵塞程度），并根據(jù)需要啟動(dòng)OPF再生程序。

圖4 壓差傳感器的監(jiān)測(cè)OPF堵塞程度的原理

由于OPF一般是由陶瓷載體（如董青石）制備而成，基于該載體材料熱容的存在，在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況點(diǎn)，變化的排氣氣流溫度流經(jīng)OPF時(shí)，在OPF下游溫度相對(duì)上游溫度會(huì)產(chǎn)生一定的“延遲”效應(yīng)。因此，從物理原理上說，可通過OPF上下游的溫度傳感器，根據(jù)溫度變化“延遲”程度的不同（圖5），對(duì)OPF堵塞程度、移除或丟失進(jìn)行判定。上汽大眾Viloran車OPF上下游各安裝有一個(gè)溫度傳感器（圖6）監(jiān)測(cè)OPF上下游溫度，G506和G527通過共同的連接器GX41將監(jiān)測(cè)到的溫度信號(hào)以SENT（單邊緣漸進(jìn)傳輸）信號(hào)的形式傳輸給ECU（J623），ECU也可以據(jù)此判定OPF的顆粒物的累積量（堵塞程度），并根據(jù)需要啟動(dòng)OPF再生程序。

圖5 OPF溫度特性

圖6 上汽大眾Viloran車OPF上下游溫度傳感器

上汽大眾Viloran車OPF系統(tǒng)傳感器件的作用和故障影響見表2所列。

表2 上汽大眾Viloran車OPF系統(tǒng)傳感器件的作用和故障影響

3 上汽大眾Viloran車發(fā)動(dòng)機(jī)OPF再生

OPF再生取決于OPF的堵塞程度和再生先決條件。OPF再生時(shí)OPF溫度需足夠高并且λ>1。上汽大眾Viloran車OPF共有被動(dòng)再生、主動(dòng)再生和車間再生等3種再生類型。被動(dòng)再生就是車輛在正常行駛時(shí)，J623根據(jù)傳感器計(jì)算的OPF顆粒物累積量根據(jù)需要啟動(dòng)再生程序進(jìn)行的，被動(dòng)再生在沒有使用特殊措施的情況下持續(xù)進(jìn)行，客戶基本沒有異常感受。盡管存在被動(dòng)再生，但如果駕駛?cè)说鸟{駛行為不滿足被動(dòng)再生需求，OPF中的顆粒物累積量超過一定數(shù)值后，儀表盤顯示屏上的OPF警告燈會(huì)亮起黃燈，系統(tǒng)也會(huì)啟動(dòng)關(guān)閉自動(dòng)啟動(dòng)功能等措施，此時(shí)駕駛?cè)藭?huì)感到車輛動(dòng)力不足、加速不良、油耗增加等異常情況，出現(xiàn)這種狀態(tài)，可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間的高速運(yùn)行以滿足主動(dòng)再生的要求，實(shí)現(xiàn)OPF的再生。在某些情況下，如果主動(dòng)再生在車輛行駛期間仍無法滿足需求，OPF中的顆粒物累積量超過設(shè)定的限值，儀表盤上的OPF警告燈會(huì)亮起，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)將額外點(diǎn)亮發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈和EPC指示燈，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出受限，在儀表盤上還會(huì)顯示OPF需要再生的信息，出現(xiàn)此種情況駕駛?cè)司托枰椒?wù)站進(jìn)行車間再生。上汽大眾Viloran車2.0TBZ發(fā)動(dòng)機(jī)DPL的OPF再生策略見表3所列。通過使用故障檢測(cè)儀的引導(dǎo)型功能可以執(zhí)行OPF的維護(hù)再生，在執(zhí)行OPF維護(hù)再生的過程中要注意安全提示和滿足OPF再生要求的條件，成功的OPF再生可以使顆粒物的累積量降低到低水平，完成再生后OPF可完全正常使用。

表3 上汽大眾Viloran車2.0TBZ發(fā)動(dòng)機(jī)DPL的OPF再生策略