基于国六法规下的整车GPF再生试验研究

邓小康 蔡永明 常健

摘要：在搭载某直列四缸GDI涡轮增压发动机的整车上进行了怠速再生工况的选择与验证，并通过城市工况再生及高速再生验证了模型的精度。结果表明：在转速3000r/min、储备扭矩20Nm时，涡前温度、GPF入口温度均未出现超温的现象，温度控制合理，能够保证怠速再生的安全;在城市工况和高速工况下，当前实际碳载值要小于当前模型碳载值，可以早点进入再生，清除掉碳载颗粒物，模型与实际匹配结果较好;再生速率良好，能够满足工程应用。

关键词：国六排放法规;缸内直喷发动机;汽油机颗粒捕集器;再生

中图分类号：TK417.+1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2020）04-0069-05

邓小康

毕业于海南大学，硕士研究生，现就职于东风小康汽车有限公司技术中心，任动力标定工程师，主要研究方向：发动机动力标定，已发表论文3篇。

引言

随着社会的快速发展，我国的机动车保有量在不断增加，截至到2019年，我国机动车保有量达3.48亿辆，其中汽车保有量达2.6亿辆。巨大的汽车保有量排放的废气使得环境污染加剧，据生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2019）》显示，汽车排放的CO为2859.3万吨，NOx为521.9万吨，PM为42.2万吨，HC为326.7万吨，分别占机动车污染物排放总量的92.6%、92.7%，95.5%，88.6%。为了应对日益严重的环境污染挑战，我国环境保护部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，即国六排放法规，对CO、THC、NMHC、NOx等污染物排放的限制更加严格，其中国六a及国六b阶段CO的排放限值为0.7g/km和0.5g/km，相较于国五阶段的1g/km分别严格了30%和50%;国六b的THC、NMHC、NOx排放限值为0.05g/km、0.035g/km、0.035g/km，相较于国五阶段分别降低了50%、48.5%、41.7%;并且将NEDC车辆测试循环变更为WLTC车辆测试循环，同时增加了颗粒物排放限值要求及实际道路试验（RDE），其中颗粒物排放限值国六a阶段为4.5mg/km及6.0×10¹¹个/km，到国六b阶段为3.0mg/km。越来越严苛的汽车废气排放限值标准给废气后处理等带来了巨大挑战。

缸内直喷发动机（GDI）由于其良好的动力性和燃油经济性而广泛的应用在汽车上，但是由于其燃油直接喷射到燃烧室内，油气混合不均等原因导致燃烧后会产生更多的颗粒物排放。～，因此需要在后处理阶段增加汽油机颗粒捕集器（GPF）来降低颗粒物排放。目前对GPF的研究集中在GPF性能、再生策略等方面。李配楠等人在某1.5TGDI试验车上进行试验发现，增加GPF后的各项排放指标都优于不带GPF的，能明显改善CO和NOx排放;另外对GPF布置研究發现，相较于紧耦合式GPF，后置式GPF对排放和油耗都有较好的改善。牛彦凯等人对GPF的工作过程进行模拟发现，GPF进气流量的减小能有效降低载体前后压降;提高载体孔目数，增加载体长度都可以提高过滤效率，但载体前后压降会增大。范明哲等人在某V型66GDI汽油机上上搭建GPF碳载量模型进行仿真标定，对再生策略研究表明主动再生和被动再生模型的偏差分别为9%和6%，模型精度良好，能满足工程应用。陈京瑞等人阐述了GPF的再生和保护策略，常见的再生方式减速断油和点火延迟可以提高GPF内部温度来实现碳载的燃烧恢复GPF的捕集性能;另外通过进口温度、排气流量和氧浓度来计算GPF温度，避免GPF热损害，进行排温保护。

为了满足国六法规标准，在GDI发动机上搭载GPF来减少颗粒物排放，但是GPF中颗粒物的增加如果不及时清理会导致GPF堵塞甚至损坏，影响整车性能，因此本文对整车搭载紧耦合式GPF进行了实车原地怠速再生及城市工况、高速工况再生的实际道路研究，旨在为整车GPF再生提供理论依据。

1试验装置及方法

1.1试验装置

试验使用某车型搭载1.5TGDI缸内直喷涡轮增压发动机的整车，发动机及整车主要规格参数如表1和表2所示;温度采集模块;称重天平（精度0.1g）;热电偶;开发ECU;快拆紧耦合式GPF。

1.2试验方法

1）GPF需要制作成快拆件的形式，以便后续快速拆装，用于GPF称重;

2）需要在GPF上合理布置热偶便于对GPF内部温度的检测;

3）对于新的GPF需要进行激活处理。激活方式为：运行车辆200-400km，进行累碳和清碳工况的行车方式，进行两轮测试并且对彻底清碳工况后的GPF进行称重，GPF称重质量接近基础质量且两次称重的差异小于0.2g，即激活完成，并且选择GPF称重质量最小的一次为基准质量;

4）为了保证GPF称重准确，采用热称方式，每次称重都在同一温度下，选择GPF中心温度310℃称重，避免因温度不一致而带来的质量误差，影响称重结果。

2试验结果与分析

2.1怠速再生工况的选择与验证

2.1.1怠速再生工况的选择

怠速再生是为了解决实际行车过程中由于当前车辆GPF累积量过大，超过了GPF的极限碳载量，继续行车将会对油耗和性能产生影响而进行驻车再生清理GPF中累积的碳载。GPF再生时主要发生如下的化学反应：

C+O2=CO2 （1）

C+CO2=2CO （2）

高温和富氧是主动再生所必须的条件。选择2200r/min、2500r/min、2800r/min、3000r/min四种转速，空燃比减稀到16.5来进行GPF空载下的试验，施加储备扭矩以增加排温，以涡前温度稳定在850%为边界，综合涡前温度、催化器温度、GPF人口温度和储备扭矩四个方面来寻找合适的工况条件，试验结果如图1所示：

从图1中可以看出，在3000r/min工况时，涡前温度、催化器温度和GPF入口温度基本都是最低的，可以为GPF满载时再生提供较大的排温控制余量，使得催化器和GPF不会因为排温过高而带来损坏;另外为了增加排温而加载的储备扭矩在3000r/min时也是最小，相较于其他转速工况，可以加载较小的储备扭矩而达到相同的排温效果，因此选择3000r/min作为怠速再生时的转速工况。

选定3000r/min后，再次进行一次GPF空载的单独测试，以涡前温度稳定在850℃，GPF.K口温度稳定在650℃边界，不断施加储备扭矩增加排温，得到排温稳定状态下的储备扭矩为20Nm，因此最终选定工况为转速3000r/min、储备扭矩20Nm。

2.1.2怠速再生工况的验证

怠速再生工况的验证在高温高原环境下进行，以GPF空载和GPF累积超过极限碳载量来综合分析。本车AZGPF亮报警灯时的极限碳载量为9g。在GPF空载时通过对开发ECU人为写入一个大于GPF极限累碳的数值，触发再生后直到怠速再生主动退出为止;在GPF实际累碳量大于GPF极限累碳量时，触发怠速再生后，以模型降低为实际值的一半时结束再生，验证在特殊环境下GPF是否出现超温等异常现象。空载和实际累碳超过极限碳载量下的试验结果如表3、表4所示。

从表3、表4可以看出，在高温高原特殊环境下，通过对空燃比减稀、施加储备扭矩来增加GPF中的氧含量和排气温度使得GPF中累积的碳量快速燃烧，均没有出现涡前温度和GPF人口温度超温的现象，温度控制合理，能够保证怠速再生的安全;另外再生时长都较短，能为以后实际的工程应用节约时间;表4中，高温高原下，碳载模型值分别降低6.1 g、7.1g，实际碳载值降低为6.4g、6.8g，模型变化与实际碳载变化基本一致，匹配良好。

2.2城市工况再生

城市工况再生时，在城市区间采用减稀空燃比和减速断油（DFCO）的方式进行综合清碳。减稀空燃比和减速断油都是使得排气中氧含量增加，排温迅速增加，达到GPF再生的温度点，满足GPF内高温富氧的条件，使得GPF内颗粒物迅速燃烧，从而恢复GPF的捕集能力。試验通过累积碳载量到一定量时，驾驶车辆车速低于60km/h进行碳载主动再生，对比模型碳载再生量和实际称重计算的再生量及再生模型偏差，进而评估模型精确度和再生速率是否满足要求。表5是城市工况下再生数据。

从表5中可以看出实际碳载再生量比模型再生值稍高，说明再生后的当前实际碳载值要小于当前模型碳载值，这样可以让再生过程更早一点进入，使得GPF内的碳载颗粒物得到燃烧，避免过量积累。如果当前模型碳载量低于当前实际碳载量时会造成过长的GPF再生周期川，并且会导致碳载颗粒物会不断的在GPF内累积，严重可能导致GPF堵塞。表5中试验数据表明，模型再生量与实际再生量匹配良好。并且通过再生速率来看，在城市工况下再生速率良好，可以快速清理掉累积的碳量，避免碳量累积。另外在城市工况下模型偏差分别为0%、1%、4%、4%、5%，再生模型偏差在15%以内，属于可接受的范围，能保持一定的试验重复性。

2.3高速工况再生

高速再生时，采用减稀空燃比和减速断油的方式进行综合清碳。累积碳载量到一定量时，驾驶车辆车速在60-80km/h进行碳载主动再生，对比模型碳载再生量和实际称重计算的再生量及再生模型偏差，进而评估模型精确度和再生速率是否满足要求。表6是高速工况下再生数据。

从表6中实际碳载再生量比模型再生值稍高，这和城市工况综合清碳的规律一致，说明模型和实际的匹配精度好;另外通过再生速率来看，最大为25.2g/h，最小为9.7g/h，分析认为是二者的初始碳载量不同造成的，初始碳载量高再生时燃烧更迅速，燃烧速率偏快。对再生速率平均来看，在高速情况下再生良好，能满足工程应用。另外在城市工况下模型偏差分别为9%、15%、49%、8%、1%，大部分再生模型偏差在15%以内，属于可接受的范围，能保持一定的试验重复性。

3结论

1）在转速3000r/min、储备扭矩20Nm的工况下进行特殊环境下整车怠速再生时，涡前温度、GPF入口温度均未出现超温的现象，温度控制合理，能够保证怠速再生的安全;

2）城市工况和高速工况下，当前实际碳载值要小于当前模型碳载值，可以早点进入再生，清除掉碳载颗粒物，模型与实际匹配结果较好;再生速率良好，满足工程应用。