GPF被動(dòng)再生燒蝕影響因素分析

劉子強(qiáng)

聯(lián)合汽車電子有限公司，上海201206

0 引言

輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)提高了汽油直噴(gasoline direct injection，GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，其中I型試驗(yàn)排放限值(6a階段)規(guī)定粒子數(shù)量(particle number，PN)限值為6×1011個(gè)/km，顆粒物(particulate matter，PM)質(zhì)量限值為4.5 mg/km，6b階段PN限值為6×1011個(gè)/km，PM限值為3 mg/km[1]。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣不均勻，燃燒不充分，部分燃油在缸壁呈液相形態(tài)，揮發(fā)后直接由排氣管排出，產(chǎn)生碳煙，且GDI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比較高，容易造成機(jī)油及燃油添加劑燃燒，產(chǎn)生灰分[2]。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物主要是直徑較小的碳煙及灰分，發(fā)動(dòng)機(jī)自身燃燒技術(shù)難以達(dá)到國(guó)六對(duì)PN和PM的限值要求[3]，汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)后處理技術(shù)可有效降低PM排放，滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。

GPF的材料一般是堇青石，耐受溫度為1100～1400 ℃。GPF由具有一定孔密度陶瓷材料制成的蜂窩狀多孔過濾器，內(nèi)部交替封堵，通過攔截、擴(kuò)散、慣性、重力等方式，捕集發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的碳煙及灰分，捕集效率達(dá)90%，有效降低PN和PM，減少尾氣污染[4-5]。

隨著汽車運(yùn)行里程的增加，GPF捕集PM增多，存儲(chǔ)體積減少，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓及阻力升高，油耗增加，功率及轉(zhuǎn)矩下降，需定期燃燒積聚的顆粒，清空GPF，進(jìn)行再生[6-8]。GPF再生過程控制包括再生監(jiān)控和再生控制，首先判斷車輛GPF碳載量是否達(dá)到再生需求值，一旦滿足再生需求，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(electronic control unit，ECU)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)及燃油噴射系統(tǒng)閉環(huán)控制，確保GPF安全有效再生。再生過程中還需根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況輸出目標(biāo)空燃比和目標(biāo)再生溫度，通過降低空燃比、增加氧流量、推遲點(diǎn)火角、提高排氣溫度，燃燒GPF中累積的碳顆粒[9-11]。

GPF再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生，主動(dòng)再生是ECU通過干預(yù)點(diǎn)火角及空燃比，提高后燃期燃燒溫度，增加噴油量，燃燒累積碳顆粒[12-14]。被動(dòng)再生指在車輛行駛過程中，駕駛員松掉油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)開始斷油，節(jié)氣門開度在怠速位置，斷油減速過程中，車輛在慣性力作用下繼續(xù)前行，ECU根據(jù)車輛運(yùn)行參數(shù)及行駛工況等因素確定當(dāng)前回油轉(zhuǎn)速(即當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足以推動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)有熄火風(fēng)險(xiǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至設(shè)定回油轉(zhuǎn)速時(shí)，ECU控制節(jié)氣門開度增大，大量氧氣進(jìn)入GPF，混合氣偏稀，碳顆粒燃燒劇烈，實(shí)現(xiàn)GPF再生。本文中針對(duì)某車輛GPF燒蝕現(xiàn)象，分析故障原因，測(cè)量不同碳載量不同回落時(shí)間下GPF入口溫度、出口溫度、床溫，研究GPF滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求的最佳控制條件。

1 故障分析

某車輛GPF故障燈點(diǎn)亮，拆解后發(fā)現(xiàn)GPF中心位置有燒蝕現(xiàn)象，更換加裝熱電偶的新GPF，進(jìn)行車輛低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷累碳駕駛試驗(yàn)，并測(cè)量斷油時(shí)GPF入口溫度與GPF床溫變化，如圖1所示。由圖1可知：車輛斷油時(shí)，激發(fā)被動(dòng)再生，GPF入口溫度為670 ℃，再生過程中GPF床溫迅速上升，峰值接近1400 ℃。測(cè)得斷油時(shí)GPF碳載量為8 g，拆解GPF，出現(xiàn)類似燒蝕現(xiàn)象。燒蝕原因主要是被動(dòng)再生過程中，碳顆粒燃燒溫度過高，GPF中心位置溫度超過耐受溫度。

圖1 車輛斷油時(shí)GPF溫度變化

影響被動(dòng)再生過程GPF溫度變化的主要因素是最大碳載量和斷油后轉(zhuǎn)速回落時(shí)間。最大碳載量指在車輛斷油再生后，GPF最高床溫不超過1100 ℃時(shí)的碳載量。斷油后轉(zhuǎn)速回落時(shí)間指發(fā)動(dòng)機(jī)從開始斷油到轉(zhuǎn)速下降至回油轉(zhuǎn)速的時(shí)間。

2 試驗(yàn)方案及分析

根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架基本測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始被動(dòng)再生時(shí)，轉(zhuǎn)速為5200 r/min，轉(zhuǎn)矩為127 N·m，GPF入口最大溫度為730 ℃，記錄GPF被動(dòng)再生過程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度及空燃比的變化，如圖2、3所示。由圖2、3可知：GPF被動(dòng)再生過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?200 r/min降低到怠速，節(jié)氣門開度從100%降到0，空燃比從1升至最大32。

圖2 被動(dòng)再生過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度變化

圖3 被動(dòng)再生過程空燃比變化

設(shè)置GPF碳載量分別為4、5 g，進(jìn)行快速累碳臺(tái)架試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到再生需求時(shí)，ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，GPF被動(dòng)再生，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下GPF入口溫度、GPF床溫、GPF出口溫度的變化。具體試驗(yàn)過程如下：1)每次試驗(yàn)前對(duì)空載的GPF稱質(zhì)量，確定基準(zhǔn)質(zhì)量；2)每次試驗(yàn)以相同的低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況快速累碳，通過GPF壓差、累碳時(shí)間及AVL 483積分值綜合估計(jì)累碳質(zhì)量為4 g(第2組試驗(yàn)為5 g)，并拆下GPF稱質(zhì)量，確定累碳質(zhì)量；3)調(diào)整轉(zhuǎn)速為5200 r/min，轉(zhuǎn)矩為127 N·m進(jìn)行被動(dòng)再生，等待GPF入口溫度穩(wěn)定在730 ℃左右；4)更改ECU回油轉(zhuǎn)速，調(diào)整不同的轉(zhuǎn)速回落時(shí)間，進(jìn)行斷油操作；5)轉(zhuǎn)速回落到回油轉(zhuǎn)速后，ECU控制發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)供油，GPF再生；6)再次斷油后恢復(fù)供油，清除GPF碳載量，以便進(jìn)行下次試驗(yàn)；7)重復(fù)以上步驟3次，調(diào)整轉(zhuǎn)速回落時(shí)間分別為20、30、40 s。碳載量為4 g時(shí)不同被動(dòng)再生轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下GPF溫度測(cè)試曲線如圖4所示。

a)20 s b)30 s c)40 s

由圖4可知：碳載量為4 g被動(dòng)再生時(shí)，GPF內(nèi)部發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，不同轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下GPF溫度變化趨勢(shì)整體一致，GPF床溫有明顯上升；GPF入口溫度由于排氣流量減小，在斷油后緩慢下降；GPF出口溫度基本變化不大，持續(xù)一段時(shí)間后下降；GPF出口溫度與GPF床溫存在差別，隨著回落時(shí)間的增加，持續(xù)增加的排氣流量帶走部分熱量，最高床溫下降；碳載量為4 g時(shí)在不同轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下最高GPF床溫為980 ℃，沒有達(dá)到耐受溫度1100 ℃的限值。

GPF碳載量為5 g斷油被動(dòng)再生時(shí)，測(cè)量不同轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下GPF入口溫度、GPF床溫、GPF出口溫度的變化，具體試驗(yàn)過程與4 g斷油被動(dòng)再生時(shí)相同，但快速累碳量為5 g，轉(zhuǎn)速回落時(shí)間分別調(diào)整為10、30、40 s。碳載量為5 g時(shí)被動(dòng)再生不同轉(zhuǎn)速回落時(shí)間下GPF溫度測(cè)試曲線如圖5所示。

a)10 s b)30 s c)40 s

由圖5可知，碳載量為5 g被動(dòng)再生時(shí)3種GPF溫度的變化趨勢(shì)和碳載量4 g時(shí)基本一致，但GPF最高床溫升高，回落時(shí)間為30 s 時(shí)GDF床溫最高，為1025 ℃，考慮到累碳模型的相對(duì)偏差為5%，該溫度接近載體耐受溫度1100～1400 ℃。

由于不同的轉(zhuǎn)速回落時(shí)間影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、點(diǎn)火角等，與車輛行駛性能密切相關(guān)，不能將轉(zhuǎn)速回落時(shí)間作為限定條件，故GPF碳載量5 g作為被動(dòng)再生的限制條件。當(dāng)ECU控制器檢測(cè)到GPF碳載量大于5 g時(shí)，不再觸發(fā)被動(dòng)再生，使床溫低于1100 ℃的限值。采用更新數(shù)據(jù)后的ECU控制器進(jìn)行車輛測(cè)試，監(jiān)測(cè)被動(dòng)再生過程中GPF床溫均低于1100 ℃，不再發(fā)生GPF燒蝕，有效解決故障問題。

3 結(jié)語

該車型臺(tái)架模擬試驗(yàn)中GPF最大碳載量為5 g 時(shí)，GPF床溫最高，接近耐受溫度，有燒蝕風(fēng)險(xiǎn)；汽油機(jī)ECU控制器將GPF最大碳載量為5 g作為被動(dòng)再生的控制條件，有利于準(zhǔn)確地控制被動(dòng)再生，解決GPF燒蝕故障，滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。