汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）臺(tái)架性能研究

史冬敏　閆海東

摘 要：文章討論了臺(tái)架顆粒捕集器（以下簡稱GPF）原排標(biāo)定、定溫定氧燃燒模型、斷油燃燒模型、不同碳量的燃燒速率、最大碳量的標(biāo)定方法；并呈現(xiàn)了匹配某款發(fā)動(dòng)機(jī)的GPF標(biāo)定數(shù)據(jù)。文中提到了趨勢(shì)法、仿真法對(duì)模型標(biāo)定進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，優(yōu)化工作流程的同時(shí)保證整車標(biāo)定模型準(zhǔn)確度，降本增效，也為應(yīng)對(duì)未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)（例如正在研討的國Ⅶ和歐Ⅶ）做技術(shù)積累。

關(guān)鍵詞：顆粒捕集器（GPF） 燃燒模型 原排 碳載量

1 引言

進(jìn)入2023年，極端天氣包括異常高溫、熱浪、暴雨和颶風(fēng)等頻繁出現(xiàn)，為降低溫室氣體對(duì)全球氣候的影響，已有140多個(gè)國家或地區(qū)提出了碳中和目標(biāo)，各國正在積極探索、實(shí)施各項(xiàng)碳減排舉措[1]。研究表明，汽油機(jī)顆粒物普遍比柴油機(jī)顆粒粒徑小，已證實(shí)超細(xì)核態(tài)顆粒物PN23（顆粒物粒徑＞23nm）會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2]。目前正在研討的國Ⅶ計(jì)劃引入顆粒物PN10（顆粒物粒徑＞10nm）排放限值，為應(yīng)對(duì)更加嚴(yán)格的排放法規(guī)，進(jìn)一步深入研究顆粒捕集器性能很有必要。

本文主要針對(duì)輕型汽油機(jī)顆粒捕集器的臺(tái)架標(biāo)定展開探討，進(jìn)一步探究GPF的各項(xiàng)性能及標(biāo)定方法。文章使用了原排趨勢(shì)校驗(yàn)方法，臺(tái)架原排空燃比修正、水溫修正和動(dòng)態(tài)工況修正，經(jīng)原排WLTC趨勢(shì)驗(yàn)證，再整車WLTC碳載模型標(biāo)定，調(diào)整原排模型修正系數(shù)，整車原排模型精確度滿足開發(fā)要求，避免大量重復(fù)性工作，實(shí)現(xiàn)降本增效；碳相關(guān)燃燒速率（不同碳量燃燒速率、斷油燃燒速率和定溫定氧燃燒速率）數(shù)據(jù)使用仿真的方法擬合標(biāo)定數(shù)據(jù)，提高準(zhǔn)確度同時(shí)節(jié)省工作量；另外為了保護(hù)GPF在整車上的正常使用，開展了禁止斷油和最大碳量試驗(yàn)，保護(hù)GPF在斷油再生時(shí)不會(huì)損壞且不影響整車性能。

2 GPF簡介

2.1 GPF結(jié)構(gòu)、過濾原理

汽油機(jī)顆粒捕集器，簡稱GPF，是具有捕集和處理顆粒（PM）功能的排氣后處理裝置，有涂覆式和非涂覆式（白載體）之分，涂覆式汽油顆粒捕集器（C-GPF）簡稱四元催化器，即具備顆粒物處理能力，又可轉(zhuǎn)化氣態(tài)污染物（THC、CO和NOx）。GPF外型一般為圓柱體，常用材料來源是堇青石陶瓷，見圖1，內(nèi)部被分為多個(gè)平行于軸向的方形通道，當(dāng)通道的入口是開口時(shí)，出口端是封閉的；而相鄰?fù)ǖ赖娜肟诙耸欠忾]的，出口端是開口的，即封閉口及開口交錯(cuò)排列布置。

排氣中的氣態(tài)污染物可透過載體壁流出，而PM則被截留并累積在GPF內(nèi)壁上，其對(duì)PM的捕集效率在50%-95%。隨著氧氣濃度不同，GPF溫度在（400～600）℃范圍累積的碳可再生，500℃以上燃燒速率較快，若氧氣充足且溫度高于600℃時(shí)，碳再生速率更快，碳燃燒再生可降低GPF背壓。

2.2 GPF再生原理

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的顆粒物產(chǎn)物中含有碳顆粒（汽油燃燒） 和灰分（機(jī)油燃燒）。這些碳顆粒和灰分被GPF捕集，并在GPF中累積。碳顆粒與灰分的積累在前期可提高GPF的過濾系數(shù)。但當(dāng)累積量過大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓會(huì)上升，油耗增加。所以要適時(shí)進(jìn)行GPF再生。GPF的再生主要包含如下化學(xué)方程式：

1）在GPF內(nèi)部溫度高于500℃，且氣體氛圍中含氧時(shí)，發(fā)生如下顯著化學(xué)放熱反應(yīng)；溫度越高，氧含量越高，碳的燃燒速率越大：C+O2=CO2；氧含量不充足時(shí)，燃燒更傾向生成CO：C+O2=CO；

2）在GPF內(nèi)部溫度高于800℃，且沒有氧氣時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)吸熱反應(yīng)：C+H2O=CO+H2。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一款電控直噴汽油機(jī)上進(jìn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)見表1所示，試驗(yàn)設(shè)備包含開發(fā) ECU、AVL公司的電渦流測(cè)功機(jī)、燃燒分析儀、AVL483微碳煙顆粒物分析儀、恒溫恒濕系統(tǒng)控制試驗(yàn)室；箱式電阻爐，精度0.05的電子天平。

3 試驗(yàn)方案

3.1 原排標(biāo)定試驗(yàn)

原排標(biāo)定方法：（1）分別控制空燃比為1.08、1、0.9、0.8、0.7，臺(tái)架采集不同轉(zhuǎn)速負(fù)荷下的顆粒物排放，確定空燃比修正值；（2）水溫修正，臺(tái)架起動(dòng)后定工況暖機(jī)，初步標(biāo)定水溫修正相應(yīng)溫度區(qū)域；（3）動(dòng)態(tài)修正在線調(diào)整參照AVL483曲線，使趨勢(shì)一致；（4）WLTC循環(huán)測(cè)量離線擬合趨勢(shì)一致，再通過WLTC碳載模型試驗(yàn)，調(diào)整修正系數(shù)，完成原排標(biāo)定。

3.2 燃燒速率試驗(yàn)

3.2.1 術(shù)語定義

燃燒速率試驗(yàn)包括定溫定氧燃燒速率、斷油燃燒速率和不同碳量燃燒速率試驗(yàn)，術(shù)語定義如下：

1）溫度梯度（簡稱溫梯）：單位載體（通常指徑向）長度（cm）的溫度差值，單位℃/cm。

2）燃燒速率：特定的溫度、氧含量條件下，單位時(shí)間燃燒的碳量，單位mg/s，見式（1）：

B=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M1：GPF中累積的碳量；M2：滿足再生條件，再生后殘余的碳量；t1：碳開始燃燒的時(shí)間；t2：碳燃燒結(jié)束的時(shí)間；

注：定義碳量Sot_Des=（3.5～4.5）g；不同碳量燃燒速率起始值Mori=（最大累碳量+2）g。

3.2.2 試驗(yàn)方法

為實(shí)現(xiàn)整車GPF碳量正常再生，評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)減稀、斷油和不同碳量時(shí)碳的燃燒速率。

燃燒速率試驗(yàn)，包括定溫定氧燃燒速率、斷油燃燒速率和不同碳量的燃燒速率，具體步驟包括：（1）確認(rèn)燃燒速率工況；（2）開始燃燒速率試驗(yàn)：空載GPF累碳至目標(biāo)碳量Sot_Des（最大碳載量試驗(yàn)需累碳至Mori），按照目標(biāo)燃燒速率，調(diào)整空燃比為目標(biāo)點(diǎn)的空燃比或者直接斷油，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算該點(diǎn)的燃燒速率。

3.2.3 斷油安全性試驗(yàn)

斷油保護(hù)是為避免含碳的GPF在斷油時(shí)發(fā)生碳劇烈燃燒而燒壞GPF而開展的試驗(yàn)，目的是針對(duì)不同溫度設(shè)置禁止斷油的GPF碳量，以保護(hù)GPF。具體試驗(yàn)方法：（1）GPF斷油保護(hù)溫度點(diǎn)600℃～800℃；（2）快速累碳至7g左右，開展600℃的斷油，最高溫度和溫梯均未超限值時(shí)，增加相應(yīng)的碳（例1g碳），至最高溫度或者溫梯超限值；最高溫度和溫梯限值參照載體產(chǎn)品規(guī)范，若超限值，則減少碳量至限值范圍內(nèi)。

3.2.4 最大碳量試驗(yàn)

最大碳量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：外特性點(diǎn)性能下降5%對(duì)應(yīng)的碳量；或增壓器性能包括增壓器轉(zhuǎn)速和止推軸承是否應(yīng)力在合理的范圍內(nèi)，不影響增壓器性能及壽命。分別將空載和不同碳量（例5g、10g……逐步增加碳量）時(shí)拉外特性，滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)應(yīng)的碳量即為最大累碳量。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 原排標(biāo)定試驗(yàn)

臺(tái)架采集空燃比（lambda）修正和水溫修正的萬有特性數(shù)據(jù)，并進(jìn)行水溫修正和動(dòng)態(tài)工況標(biāo)定工況點(diǎn)掃點(diǎn)，數(shù)據(jù)結(jié)果見圖2～圖9，可知：（1）空燃比減稀，顆粒物排放量呈降低的趨勢(shì)；（2）空燃比加濃，隨著空燃比的加濃，顆粒物排放逐漸增加；（3）隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加，顆粒物排放呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；（4）發(fā)動(dòng)機(jī)水溫越低，產(chǎn)生的顆粒物越多；（5）動(dòng)態(tài)工況，負(fù)荷變化率越大，顆粒物生成越多。

將上述結(jié)果集成到軟件中，采集第二次萬有驗(yàn)證趨勢(shì)，見圖10，模型原排與實(shí)際原排的趨勢(shì)一致；繼續(xù)進(jìn)行整車重復(fù)跑WLTC循環(huán)，實(shí)車原排模型碳載量與實(shí)際碳載量的模型偏差30%偏差要求，見圖11，整車原排標(biāo)定WLTC驗(yàn)證結(jié)果滿足開發(fā)目標(biāo)。

4.2 碳相關(guān)燃燒速率

本試驗(yàn)主要是臺(tái)架燃燒模型標(biāo)定燃燒速率基礎(chǔ)map，根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)通過軟件EAMO擬合出軟件數(shù)據(jù)，為整車GPF提供燃燒模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1）不同碳量燃燒速率：采用再生溫度和氧含量最常用的范圍，例如GPF實(shí)測(cè)溫度650℃，氧含量（450～600）mg/s，見圖12，虛線為擬合的不同碳量燃燒速率曲線，隨碳量增加，燃燒速率呈逐漸增加的趨勢(shì)。

2）斷油燃燒速率：累積相同碳量，開展不同溫度不同氧含量時(shí)燃燒速率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖13，隨著GPF實(shí)測(cè)溫度的增加，斷油燃燒速率提高；且GPF中氧含量的增加，燃燒速率也增加。

3）定溫定氧燃燒速率

定溫定氧燃燒速率，隨溫度和氧流量增加而增加的規(guī)律，具體見圖14。

碳相關(guān)燃燒速率小結(jié)：考慮實(shí)際累碳過程中實(shí)際累碳量保持在4g左右，故為補(bǔ)充實(shí)際累碳量不能保證完全一致的實(shí)操情況，采用EAMO軟件擬合碳載量的差異，EAMO擬合標(biāo)定數(shù)據(jù)map作為軟件輸入。

4.3 斷油安全性試驗(yàn)

斷油安全性即找到不同溫度下允許斷油的最大碳量，保證GPF斷油后最高溫度在限值950℃范圍內(nèi)且接近限值，同時(shí)溫度梯度滿足限值300℃/cm的要求；斷油溫度統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)得出各溫度下安全斷油碳量。

斷油安全性的結(jié)果見表2，禁止斷油map按照相應(yīng)的溫度和碳載量系數(shù)標(biāo)定，以保護(hù)GPF充分被動(dòng)再生過程中不因?yàn)樘剂窟^高導(dǎo)致GPF溫度過高損壞。

4.4 最大碳量試驗(yàn)

為避免碳量過大對(duì)整車性能造成影響，需設(shè)定最大碳載閾值。最大碳量標(biāo)準(zhǔn)：外特性點(diǎn)性能下降5%對(duì)應(yīng)的碳量，或者增壓器轉(zhuǎn)速超限值。

最大碳量的臺(tái)架數(shù)據(jù)結(jié)果見圖15，最大累碳量為10g，增壓器轉(zhuǎn)速不超限值，且增壓器參數(shù)經(jīng)仿真擬合計(jì)算增壓器止推軸承承受應(yīng)力在其標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故確定碳載量10g作為軟件標(biāo)定輸入值。

5 結(jié)論

1.本文使用原排趨勢(shì)校驗(yàn)方法，臺(tái)架原排空燃比修正、水溫修正和動(dòng)態(tài)工況修正，經(jīng)原排WLTC趨勢(shì)驗(yàn)證，再整車WLTC驗(yàn)證，調(diào)整原排模型修正系數(shù)，整車原排模型的準(zhǔn)確度滿足開發(fā)要求，且避免大量重復(fù)工作，實(shí)現(xiàn)降本增效；

2.碳相關(guān)燃燒速率（不同碳量燃燒速率、斷油燃燒速率和定溫定氧燃燒速率）數(shù)據(jù)使用仿真的方法擬合出標(biāo)定數(shù)據(jù)，提高準(zhǔn)確度同時(shí)節(jié)省工作量；

3.斷油安全性和最大碳量試驗(yàn)，是為了保護(hù)GPF在整車上的正常使用而設(shè)定的邊界，保護(hù)GPF在斷油再生時(shí)不損壞，同時(shí)大碳量時(shí)不影響整車性能。

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