奥迪车型汽油颗粒捕集器的应用

文：喀晶元

关键词：汽油颗粒捕集器

2019年我国一线和准一线城市已经提前推行机动车国六排放标准，是目前全球最高的排放标准之一。为满足新排放标准中对颗粒物排放的限制要求，汽车需要做进一步的技术升级，在原有三元催化器基础上加装汽油颗粒捕集器（GPF）。

图1 GPF的工作原理

1.奥迪GPF的技术说明

（1）采用双喷射系统的原因

在低温下，直喷发动机喷油器与燃烧室之间的路径较短，从喷油器出来的燃油很难完全雾化。因此，直喷发动机在冷起动期间及其后的1～2 min会大量产生PM颗粒物。这也就是奥迪EA888第3代发动机采用双喷射系统的重要原因。在冷起动和低负荷阶段采用多点喷射（MPI），在高转速高负荷阶段采用直喷（FSI），可有效将颗粒物排放降低10倍。

柴油发动机在冷起动以及运行中都会产生颗粒物，与之比较，汽油发动机只有在冷起动及发动机预热初始才会产生颗粒物，热车行驶过程中则不会产生。

（2）汽油发动机排放颗粒物的组成

汽油发动机排放颗粒物由炭黑微粒和尘灰微粒两部分组成。

炭黑微粒是燃油在气缸内没有充分雾化或者没有获得充足氧气达到完全燃烧而形成的。炭黑微粒主要由炭组成，这些微粒先暂存在颗粒捕集器中，随后在还原阶段会被清除。

尘灰微粒是由机油中的添加剂（含硫、锌、钙及磷等）燃烧生成。当发动机处于冷机状态或者转速很高时，机油可能会经活塞环或者曲轴箱通风装置进入燃烧室，机油添加剂燃烧时会产生尘灰微粒，颗粒捕集器内的尘灰微粒在还原期间不会被燃烧，从而将长久地沉积在颗粒捕集器中。

（3）GPF的结构和功能

柴油发动机颗粒捕集器（DPF）已有几十年的发展历史，而新出现的GPF的工作原理与DPF是基本相同的（图1）。但是由于汽油发动机的废气温度要高于柴油发动机，因此GPF由不同材料制成，主体采用的是一种陶瓷材料“堇青石”，其主要化学成分是硅酸镁铝。这个陶瓷模块上有许多通道，与催化净化器不同的是，这些通道的末端都是封堵状态，这样废气只能流经多孔的通道壁排出，而炭黑颗粒则会附着在通道壁上，收集在颗粒捕集器内。滤清器通道壁的孔隙设计需满足过滤0.01～0.05 μm的最小炭黑颗粒。

（4）GPF的布置形式

GPF布置形式分为“紧接式GPF”和“车底式GPF”。

“紧接式GPF”是将GPF直接安装在涡轮增压器上，这个安装位置是理想的，因为颗粒捕集器很快就能达到还原所要求的600℃。而因发动机舱内空间狭小，需要将GPF布置在底板处的布置形式称为“车底式GPF”。奥迪A级车多采用此种布置形式。

（5）GPF的还原

发动机控制单元根据进气温度、冷却液温度、发动机转速和发动机负荷来确定颗粒捕集器中炭黑微粒的积累情况，并定期清除GPF中的炭黑微粒，避免形成堵塞而影响其功能。清除方式是将积存的炭黑微粒燃烧 （氧化）变为C02气体排出，该过程被称之为还原。还原分为3种类型：被动还原、主动还原和车间还原。

车辆行驶时，被动还原可在发动机控制单元没有使用特殊措施的情况下持续进行。前提是车辆行驶足够长的距离，让汽油机颗粒捕集器达到所需的600℃ 。颗粒捕集器在还原期间需要用到氧气，可通过车辆断油滑行获取。如果工作温度足够高，炭黑微粒会在这种“额外”氧气的帮助下燃烧成CO2而排出。

当炭黑微粒的积存量超过一定数值，且驾驶员的驾驶行为不足以满足还原需求时，则组合仪表中的颗粒捕集器警告灯会亮起， 提示驾驶员需执行一次主动还原驾驶。 驾驶员需进行车辆预热行驶，使发动机处于暖机状态，然后提速至80 km/h以上，接着完全松开加速踏板约5 s，让汽车带挡滑行，反复重复该步骤直到颗粒捕集器指示灯熄灭。此还原过程通常需要5～20 min。

如果颗粒捕集器中的积累超过设定的限值，例如驾驶员忽略了还原驾驶请求，或者在某些情况下，主动还原在车辆行驶期间不满足条件，发动机管理系统将额外接通组合仪表的动力系统警告灯。此时，车辆表现为怠速转速升高，发动机功率下降，关闭智能起停和断油滑行。组合仪表还会有文本信息提示，要求驾驶员前往服务站检修。

车间还原时，服务站维修人员先为车辆连接300℃以上的耐热排气导管，然后利用诊断仪执行“GPF的还原检查”程序。发动机提高怠速转速至2 500 r/min，当冷却液温度超过70℃，则开始执行主动还原，在这个还原过程中排气管会发出类似于发动机缺缸的噪声，这属于正常现象。还原过程大约需要40 min，其中包括10 min的后期冷却阶段。冷却阶段发动机怠速转速降至1 500 r/min。

2.GPF的组成

这里以EA888第3代2.0TFSI发动机为例，GPF的组成包括压差式传感器G1037、上游废气温度传感器G495和下游废气温度传感器G648（图2）。

（1）压差式传感器G1037

G1037有2个气动接口，接口通过软管分别连接到颗粒捕集器的前、后两端位置。如果颗粒捕集器内积存的炭黑微粒增多了，颗粒捕集器上、下游的排气压力差就会增大。

G1037测量颗粒捕集器上游和下游的废气压力，由此获得压差，将信号传至发动机控制单元，发动机控制单元利用该信号来确定颗粒捕集器内炭黑微粒的积存量，并启动相应的还原过程。

（2）上游废气温度传感器G495和下游废气温度传感器G648

上游废气温度传感器G495安装在颗粒捕集器前端，下游废气温度传感器G648安装在颗粒捕集器后端。这2个温度传感器用于测量这2处节点的排气温度。二者结构和功能是相同的，都是由热敏元件和信号处理装置构成。信号处理装置和热敏元件相互分开，这样可防止信号处理装置位于很热的废气中。

图2 GPF的组成

这2个温度信号发送至发动机控制单元，发动机控制单元使用这2个信号来计算颗粒捕集器内的炭黑积存量。此外，这2个温度信号还用于部件的保护，以避免颗粒捕集器因过高的废气温度而损坏。

3.GPF的使用注意事项

奥迪的GPF与整车等寿命设计，但是，为确保其正常使用寿命，在使用中需要注意以下事项。

（1）为不影响颗粒捕集器的使用寿命，请避免反复的短途行驶。

（2）当颗粒捕集器警告灯和动力系统警告灯都处于报警状态时，应及时到服务站做“车间还原”。如果炭黑微粒积存达到极限负荷状态，则无法执行“车间还原”，只能更换新的颗粒捕集器。

（3）注意必须使用奥迪原厂机油，以保障颗粒捕集器的正常使用寿命。

（4）在车辆使用期间，还需注意使用国六标准燃油，切勿使用劣质燃油。