汽油機(jī)顆粒捕集器駐車再生試驗(yàn)方案研究

李耀富　李懿秘　周偉才

摘要：本研究在顆粒捕集器為空載的情況下，針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行完整的駐車再生試驗(yàn)。再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，或者在整車上進(jìn)行快速累積碳顆粒至汽油機(jī)顆粒捕集器中，模擬汽車碳顆粒累積過(guò)多導(dǎo)致限扭的工況。最后再進(jìn)行碳顆粒滿載情況下的駐車再生試驗(yàn)，根據(jù)再生后的剩余碳量選擇最為合適的駐車再生轉(zhuǎn)速。結(jié)果顯示：通過(guò)控制駐車再生的轉(zhuǎn)速和再生時(shí)間，一方面可以保證碳顆粒被充分進(jìn)行再生，有效地減小再生試驗(yàn)過(guò)程中的燃油損耗；另一方面較低的再生轉(zhuǎn)速和較短的再生時(shí)間更為用戶所接受。

關(guān)鍵詞：汽油機(jī)顆粒捕集器；駐車再生；再生時(shí)間；再生轉(zhuǎn)速

中圖分類號(hào)：TK417+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

《輕型汽車污染物排放限值及其測(cè)量方法（ 第六階段） 》將顆粒物排放的質(zhì)量PM （ Particulate Mass） 和數(shù)量PN（ParticulateNumber） 納入了控制監(jiān)管范圍。國(guó)六a 階段規(guī)定：PN 限值為6.0×1011 顆/km，PM 限值為4.5 mg/km ；而國(guó)六b 階段則將更加嚴(yán)格，規(guī)定了PM 限值為3 mg/km[1]。為了達(dá)到國(guó)六法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，排氣后處理系統(tǒng)中增加汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline ParticulateFilter，GPF）便成為很多主機(jī)廠的必然選擇。汽車使用過(guò)程中，GPF 中顆粒物的累積會(huì)使排氣背壓不斷升高，使得汽車的動(dòng)力性降低，同時(shí)燃油消耗也會(huì)隨之增高。

汽油機(jī)顆粒捕集器在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作后，當(dāng)行車中的主動(dòng)再生、被動(dòng)再生和輔助再生等再生方式，無(wú)法完全將捕集到的碳顆粒進(jìn)行再生，導(dǎo)致碳顆粒堆積過(guò)多、背壓過(guò)高，進(jìn)而燃油消耗大。甚至?xí)谔驾d量超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)被限扭，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法正常工作，車輛無(wú)法正常行駛。此時(shí)就需要進(jìn)行高怠速轉(zhuǎn)速下的駐車再生，快速高效地將捕集的碳顆粒再生掉，解除限扭使發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈滅燈，保障用戶的正常用車。所以，通過(guò)試驗(yàn)研究并確定駐車再生的再生時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，是GPF 標(biāo)定過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，也是駐車再生標(biāo)定過(guò)程中的關(guān)鍵所在[2]。

1 GPF 作用、結(jié)構(gòu)及再生分類

1.1 GPF 的作用

GPF 是針對(duì)汽油機(jī)排放物中的顆粒物進(jìn)行收集并處理的一個(gè)汽車零部件， 是從排放后的角度出發(fā)，降低汽油機(jī)排放物中顆粒物含量的一種通用的手段[3]。汽油機(jī)顆粒捕集器的捕集效率極高，通常可以達(dá)到90%。汽油機(jī)排放的顆粒物一般包括固相顆粒和液相顆粒（水除外）。

燃油蒸發(fā)不完全造成的混合氣局部過(guò)濃和燃燒室壁面的油膜直接排出缸外，是產(chǎn)生顆粒物的主要原因。當(dāng)噴油相位過(guò)遲時(shí)，由于燃油蒸發(fā)時(shí)間較短，此時(shí)的液態(tài)燃油是產(chǎn)生顆粒物的主要原因。固相顆粒物中，主要包含未燃燒充分的碳顆粒（簡(jiǎn)稱Soot），以及部分灰分（簡(jiǎn)稱Ash）。Soot 是顆粒排放物中可以被氧化的、可以被再生的部分，即碳顆粒。

汽油機(jī)顆粒捕集器在行車過(guò)程中，會(huì)根據(jù)對(duì)行車工況的判斷，選擇在滿足再生條件時(shí)將捕集到的碳顆粒及時(shí)進(jìn)行再生，確保排氣背壓處于合理的范圍。這樣既能保證顆粒捕集器的捕集效率，也能保證車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。Ash 成分主要為CaO、P2O5、ZnO、SO3 和fe2O3 等不可再生的顆粒物，所以Ash 的長(zhǎng)期累積最終會(huì)堵塞GPF，進(jìn)而導(dǎo)致GPF 失效。

1.2 GPF 的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

如圖1 所示，GPF 載體一般為圓柱體，平行于圓柱體軸向有很多通道，通道交錯(cuò)排列著正反兩個(gè)方向的管道。在排氣系統(tǒng)壓差的作用之下，尾氣從GPF 載體前端處進(jìn)入，并從載體后端排出。在經(jīng)過(guò)GPF 載體的過(guò)程中，固相的顆粒物會(huì)被載體攔截收集，而氣態(tài)的排放物則可以順利通多載體的封閉端排出。其中，攔截下來(lái)的固相顆粒物中既包含可再生的碳顆粒，也包含了無(wú)法被氧化的灰分。

GPF 載體材料一般選用的是堇青石，相關(guān)參數(shù)如下表1 所示。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于緊耦合式的GPF，GPF 的目數(shù)小于前置的三元催化器的目數(shù)，而壁厚則要大于其壁厚。這樣做的目的在于可以有效降低排氣的阻力，同時(shí)提高GPF 的過(guò)濾效率。

1.3 GPF 的再生

隨著GPF 對(duì)尾氣中顆粒物捕集的增多，排氣背壓會(huì)增大，初期可起到提高捕集效率的作用。但當(dāng)背壓升高到一定的程度時(shí)，背壓越大，汽油機(jī)的燃油消耗就會(huì)越大，燃油經(jīng)濟(jì)性也就越差。不僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有影響，同時(shí)給用戶帶來(lái)較大的燃油經(jīng)濟(jì)消耗。所以，必須在適當(dāng)?shù)臈l件下對(duì)GPF 進(jìn)行再生，也就是將捕集到的Soot 進(jìn)行氧化轉(zhuǎn)化成氣體后排出GPF，降低背壓過(guò)大帶來(lái)的負(fù)面影響[4]。影響GPF 再生的因素主要有以下3 點(diǎn)。

（1）碳載量。碳載量的估算一般是由模型碳量來(lái)估算，也可以通過(guò)背壓來(lái)進(jìn)行反算。

（2）再生的溫度。當(dāng)GPF 處于不同的溫度區(qū)間時(shí)，GPF 再生的化學(xué)反應(yīng)也是不同的。

（3）排氣中的氧含量。氧含量的大小同樣對(duì)GPF 再生有著不同的影響。

GPF 的再生主要包含2 個(gè)化學(xué)方程式。當(dāng)GPF 內(nèi)部溫度高于560℃且氧濃度大于0.5% 時(shí)，發(fā)生化學(xué)放熱反應(yīng)：

C ＋ O2 ＝ CO2

當(dāng)GPF 內(nèi)部溫度高于800℃且氧濃度小于0.5% 時(shí)，發(fā)生化學(xué)吸熱反應(yīng)：

C ＋ H2O ＝ CO ＋ H2

GPF 的再生有3 種：主動(dòng)再生、被動(dòng)再生和駐車再生。

（1）主動(dòng)再生就是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（ECU）主動(dòng)發(fā)出指令，調(diào)整點(diǎn)火角和增大空燃比，創(chuàng)造滿足主動(dòng)再生的條件將GPF 中捕集的碳顆粒燒掉。

（2）被動(dòng)再生指的是在發(fā)動(dòng)機(jī)斷油過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，混合氣體中的氧含量大幅增加，加之溫度條件滿足的情況下將碳顆粒進(jìn)行再生的一種不受發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)控制的再生方式。

（3）駐車再生指的是，當(dāng)正常行車過(guò)程中的主動(dòng)再生和被動(dòng)再生無(wú)法將GPF 捕集的碳顆粒充分再生，導(dǎo)致背壓異常升高，碳顆粒累積超過(guò)8.000 g 左右使得發(fā)動(dòng)機(jī)限扭時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)故障燈會(huì)亮起。此時(shí)，必須將車輛送至售后點(diǎn)進(jìn)行駐車再生，快速地將捕集的碳顆粒進(jìn)行再生的一種再生方式。駐車再生區(qū)別于主動(dòng)再生和被動(dòng)再生地方，就是該再生方式并不能在正常行車過(guò)程中進(jìn)行，只能有售后人員通過(guò)連接ECU，人為干預(yù)進(jìn)行的快速再生，達(dá)到消除故障，降低燃油損耗，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一種特殊的再生方式[5]。

2 駐車再生試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)用一輛搭配1.5 L 自然吸氣4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)的家用轎車進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前需要將GPF 進(jìn)行改造并激活。由于駐車再生試驗(yàn)過(guò)程中需要關(guān)注GPF 內(nèi)部溫度的變化，所以需要將新鮮未激活的GPF 從后端接入3 根熱電偶（圖2、表2），用以監(jiān)控GPF 內(nèi)部不同深度的溫度。改造好的GPF 需要清理干凈焊接熱電偶安裝底座時(shí)產(chǎn)生的焊渣，以免影響后續(xù)稱重。將改造后的新鮮GPF 安裝到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行激活或裝到整車上激活。

臺(tái)架激活方法：將發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)后，在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，然后在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，重復(fù)此過(guò)程6 h ；將發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)整至快速累碳工況，快速加載Soot 到GPF 持續(xù)30 min，然后將發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)整至清碳工況進(jìn)行GPF 再生30 min，重復(fù)此過(guò)程3 h；最后將GPF 再生2 h，拆下保溫稱重得出激活后GPF 的首重。

整車激活方法：將新鮮的GPF 安裝到試驗(yàn)車上，正常行車1 000 km 以上，清碳稱出首重即可。

2.2 試驗(yàn)方案

駐車再生通過(guò)尋找合適的再生轉(zhuǎn)速，推遲點(diǎn)火角效率控制GPF 入口溫度在650℃以上，并在合適的時(shí)間內(nèi)將GPF 中的碳顆粒再生完全。所以首先要在空載的情況下，將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min 和4 000 r/min 等，然后根據(jù)再生進(jìn)程的快慢調(diào)整控制再生進(jìn)程的變量，使得一個(gè)完整的再生進(jìn)程所需要的時(shí)間為3 200 s 以內(nèi)。并在每次試驗(yàn)過(guò)程中記錄GPF 入口溫度，選取入口溫度在650℃以上的怠速轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示，并確定選取轉(zhuǎn)速3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

在確定好GPF 入口溫度，大于650℃的怠速轉(zhuǎn)速后，需對(duì)GPF 進(jìn)行快速累碳至滿碳狀態(tài)，并進(jìn)行稱重，得出碳載量。一般可通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架或整車上進(jìn)行快速累積碳顆粒，需要在GPF中加累12.000 g 左右的碳。此時(shí)將累好碳的GPF 裝至試驗(yàn)車上進(jìn)行滿碳駐車再生。由于此前已通過(guò)調(diào)整變量使得再生時(shí)間均在要求范圍內(nèi)，此時(shí)只需按照此前調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行完整的駐車再生試驗(yàn)，當(dāng)再生進(jìn)程達(dá)到1 時(shí)試驗(yàn)完成，待GPF 充分降溫后熄火停車，并將GPF 拆下稱重，稱出剩余碳載量。實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)怠速轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，均應(yīng)將GPF 累至滿碳12.000 g 再進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)所有轉(zhuǎn)速進(jìn)行完成時(shí)，得出表4 中數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)第一步實(shí)驗(yàn)可見，發(fā)動(dòng)機(jī)再生轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min、2 000 r/min 和2 500 r/min 時(shí)，GPF 入口溫度低于650℃，不滿足進(jìn)行駐車再生的最低溫度需求，因此這3 個(gè)轉(zhuǎn)速不能作為駐車再生轉(zhuǎn)速。故而在進(jìn)行第二步試驗(yàn)時(shí)，僅需將發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min，進(jìn)行滿碳載量的駐車再生試驗(yàn)。

第二步試驗(yàn)中，在GPF 滿碳載量的情況下，進(jìn)行完整的駐車再生試驗(yàn)后，進(jìn)行GPF 稱重得出的剩余碳載量分別為2.152 g、1.682 g、1.012 g、0.838 g。這4 個(gè)轉(zhuǎn)速下的駐車再生工況均可達(dá)到清除發(fā)動(dòng)機(jī)故障、解除限扭的要求。但是，在這4 個(gè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速中，再生轉(zhuǎn)速3 000 r/min、3 500 r/min 剩余的碳載量較多，并不能充分地將碳顆粒物進(jìn)行再生；而4 000 r/min、4 500 r/min 剩余的碳載量較少，捕集到的碳顆粒物能夠被充分的進(jìn)行再生，所以應(yīng)4 000 r/min 或4 500 r/min 中選擇出最終的駐車再生轉(zhuǎn)速。而越高的再生轉(zhuǎn)速，再生試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度也就越高，再生工況就越惡劣，所需要的燃油就越多，因此可將4 000 r/min 確定為最終的駐車再生轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)進(jìn)行駐車再生標(biāo)定試驗(yàn)，在保證GPF 入口溫度在650℃的前提下，得出合理的再生轉(zhuǎn)速和再生時(shí)間。這一方面有效減小再生試驗(yàn)過(guò)程中的燃油損耗和用戶等待時(shí)間，能讓用戶欣然接受所提供的駐車再生方案；另一方面避免長(zhǎng)時(shí)間的駐車再生試驗(yàn)所導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間高溫工作帶來(lái)的諸多弊端。同時(shí)，也可以保證碳顆粒被充分進(jìn)行再生，清除發(fā)動(dòng)機(jī)故障、接觸限扭，保證車輛的正常行駛以及良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

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作者簡(jiǎn)介：

李耀富，本科，工程師，研究方向?yàn)镚PF 標(biāo)定開發(fā)。

李懿秘，本科，工程師，研究方向?yàn)楣に嚬こ獭?/p>

周偉才，本科，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。