汽油机微粒捕集器的碳载量标定试验研究

伏军 张续成

摘要：为了加快汽油机微粒捕集器（GPF，gasoline particulate filter）在实际工程中的应用，本文以某国产1.5L发动机匹配GPF后处理系统为例，对微粒捕集器的压降模型展开研究，提出一种GPF碳载量估算离线标定方法，阐述了GPF碳载量模型的标定内容和相关参数的标定方法。结果表明碳载量整体误差在±0.3g/L以内，满足工程使用要求。

Abstract： In order to speed up the application of GPF （gasoline particulate filter） in practical engineering， this paper takes a domestic 1.5L engine matching GPF after-treatment system as an example， studies the pressure drop model of GPF， puts forward an off-line calibration method of GPF carbon load estimation， and expounds the calibration content of GPF carbon load model and the calibration method of relevant parameters. The results show that the overall error of carbon load is within ±0.3g/L， which meets the engineering requirements.

关键词：汽油机;GPF;碳载量;标定方法

Key words： gasoline engine;GPF;soot load;calibration method

0  引言

随着中国汽车保有量的不断增加，以及环境面临的严峻挑战，环境保护部在2016年12月发布了《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法（第六阶段）》[1]。其中，要求轻型汽车汽油机的微粒排放标准第一阶段（2020年7月1日实行）要低于4.5mg/km及6.0×1011PN/kg，第二阶段（2023年7月1日开始实行）要低于3mg/km。汽油机加装微粒捕集器是目前公认的对颗粒物质最有效的过滤方法。目前国内外对汽油机微粒捕集器的研究只限于对GPF物理特性和碳载量的估算方法展开研究。国外的康宁公司的Per Nicolin，Dominik Rose[2]等人建立了GPF的氧化动力学模型，并进行了整车试验验证;福特公司的Michiel Van Nieuwstadt and Joseph Ulrey，建立了一种开环碳载量预估模型，并对GPF相关的控制策略进行了简单的阐述[3]。国内的研究针对于汽油机微粒捕集器的物理特性，文献[4-5]分别对GPF的物理模型进行建模与优化以提高GPF的捕集效率，并通过试验数据分析了GPF不同涂层、不同的布置方式对发动机排气背压的影响。对于GPF碳载量模型的标定方法国内外几乎没有研究，而GPF碳载量模型的标定是GPF能否投入实际工程应用的关键一步。基于此，本文研究了微粒捕集器的压降模型，提出一种GPF碳载量的标定方法，阐述标定内容和相关参数的标定方法，并设计试验方法与评价指标，为GPF快速实现商用化提供一种可行性方案。

1  GPF的碳载量估算方法

汽油机微粒捕集器在实际工作中是安装在排气系统中，对从发动机排出废气中的颗粒物、碳烟以及一些难以氧化的灰分进行捕集，随着碳烟加载量的增加，会导致排气背压升高，使发动机的动力性能下降以及燃油经济性能变差。因此，准确的估算GPF碳载量并选择合适的时机对碳烟进行再生，不仅可以保证发动机性能还有利于GPF的使用壽命[6]。综上可知，对于加装GPF的汽油发动机，精确的碳载量估算十分必要。

关于微粒捕集器的碳载量计算，最直接方法是对GPF进行称重，但在车辆实际运行中，不可能随时对GPF拆卸称重，因此该方法在使用过程中存在诸多不便，在实际中应用较少。目前国内外对微粒捕集器间接估算方法进行了大量的研究，文献[7-8]研究了柴油机微粒捕集器（DPF， diesel particulate filter）前后压差与碳载量的关系，通过不同流阻下的压差计算DPF内的碳载量，文献[9-10]研究了基于模型估算碳载量的方法，对DPF的压降模型进行研究，将简化后的压降模型应用到GPF碳载量标定中。

由文献[11]可知，干净状态下的GPF压降可表示为：

式中：ΔPclean为干净状态下GPF压降（kPa）;μ为排气动力粘度（（N·s）/m2）;Qv为排气体积流量（m3/s）;Vtrap为过滤体体积（m3）;a为过滤体孔道宽度（m）;ωs为过滤体通道壁厚（m）;F为摩擦系数，其取值28.454;L为过滤体孔道长度（m）;k0为干净状态下壁面渗透率（m2），由试验得到;ρg为排气密度（kg/m3）;D为过滤体直径（m）;ξ为进出口局部压力损失系数之和，由试验得到。

考虑k0与ξ对GPF干净状态下压降的影响，引入两个标定系数C0与C1，并使：

通过公式（2）、（3）分析，k0为干净状态下的壁面渗透率，GPF选定其为定值，因此可知C0为定值;ξ为进出口局部压力损失系数之和，与排气体积流量有关，为了更加准确的计算干净状态下GPF压降，因此C1可以表达为关于排气体积流量的一维表格，后续将对C0与C1标定方法进行详细阐述。

综上，公式（1）可以简化为：

公式（4）结合ρg、Qv可以通过试验获取，μ为排气动力粘度与温度有关，本文取GPF入口温度为Tin（K），则μ可通过下式计算[12]：

本文排气动力粘度与GPF入口温度关系如表1所示。

通过公式（4）可以得到不同发动机排气体积流量下GPF干净状态下的压降，当GPF内累积一定量的碳烟，可以由压差传感器直接读出，设GPF压差传感器读出的压降为，则：

式中，ΔPsoot为碳烟颗粒产生的压降（kPa），理论情况下由发动机读取的GPF压差传感器读数会包含由灰分产生的压降，通过文献[13]可知，灰分对GPF压降影响较小，在4000r/min和75%负荷下的前240小时内，没有发现明显的排气背压升高。在随后的200小时内，在4000r/min的满载工况下，测量到GPF排气背压只增加了30mbar。因此根据本次试验周期可以忽略灰分产生的压降，并假设GPF压差传感器所测量的压降全部由碳烟颗粒提供。

由上述的ΔPsoot与实际碳载量的关系可以得出碳载量估算值，但考虑在实际发动机运行过程中，当GPF入口温度超过500℃时，碳烟颗粒开始燃烧[14]，为了更加准确的预估GPF内的碳载量引入碳烟指数（Soot Index），Soot Index可以对GPF入口温度影响的碳载量进行修正。碳载量指数表达式如下：

通过公式（4）和公式（7）可知，ΔPclean和Soot Index都是关于排气体积流量的函数，发动机在不同转速、不同负载下会有不同的排气体积流量，将多参数简化为单一参数有利于提高标定效率，因此本文以排气体积流量表征不同的发动机工况。

对于干净状态下GPF进行碳烟加载，并对加载试验前后的GPF进行称重，以得到实际的碳载量，通过试验采集的数据以及压差传感器的读数可以得到当前碳载量下的Soot Index;重复上述操作对GPF逐渐进行碳烟加载，直至最大碳载量为止，可以得到不同工况下，碳载量与Soot Index的关系。

2  GPF碳载量标定试验

2.1 标定试验准备

本次试验是基于某国产四缸汽油发动机以及与其匹配的GPF后处理系统，试验发动机如表2所示，表3列出了试验所用GPF主要特征参数。

图1是GPF在发动机后处理系统中安装位置以及传感器安装位置示意图。GPF安装方式为后置式，即安装在三元催化器下游750mm处。为了标定还需要在GPF进口和入口分别安装取气口以测量GPF实际压降，最后在GPF入口处安装温度传感器用来采集GPF的入口温度。

2.2 标定试验内容

前文对GPF碳载量估算方法进行了详细的阐述，现对相关参数的标定试验内容进行介绍。

2.2.1 干净状态下GPF压降的标定

开始试验之前，进行发动机预热，当发动机水温达到80℃且机油温度上升至85℃后，为确保GPF为干净状态，设定发动机运行转速为3200r/min并减稀空燃比至16，运行30min以使GPF内的碳烟完全氧化。完成上述操作后，将发动机工况设定为1200r/min、20Nm，待发动机排气温度稳定后，设定发动机扭矩以20Nm步长至外特性工况点，转速步长为400r/min至最大转速点进行数据采集。采集的变量主要有转速、扭矩、排气体积流量、排气密度、GPG入口温度以及GPF压降等。

通过上述的试验数据可以得到GPF压差传感器实测压降ΔPs与排气体积流量的关系如图2所示，且得到拟合方程为：

在相同的排气体积流量下，由公式（4）计算得到的GPF压降等于压差传感器的读数，因此实测压降与排气体积流量的关系曲线应该与干净状态下计算得到的压降与排气体积流量的关系曲线重合。先给C0与C1赋以初始值，再将计算得到干净状态下的压降与排气体积流量的关系也进行拟合，然后调整标定系数C0与C1，使计算得到干净状态下压降与排气体积流量曲线尽可能与压差传感器读数与排气体积流量的关系曲线贴近，可以得到标定系数C0为1500，C1与排气体积流量的关系如表4所示。

为了验证C0与C1的标定精度，用Soot Index进行评价，由公式（7）可知，碳载量为零时Soot Index也为零，通过干净状态下的试验数据得到干净状态下的Soot Index与排气体积流量的关系如图3所示，经过排气体积流量与GPF入口温度的修正后，得到发动机万有特性试验后计算得到的Soot Index基本上都接近于零，结果表明C0与C1标定精度满足要求。

2.2.2 GPF碳载量估算及评价指标

通过上文得到的标定系数C0与C1，当GPF内累积一定质量的碳烟后，在任意工况下可以通过试验采集的数据和对C0与C1查表可以计算当前工况下干净状态下的压降，结合GPF压差传感器实测压降根据公式（7）可以得到当前的Soot Index。然后对GPF进行碳烟加载，得到不同碳载量与Soot Index的关系如表5所示。

由表5可知，根据发动机的运行工况采集相关数据计算出当前工况下的Soot Index，并根据Soot Index與实际碳载量的关系进行查表可以得到当前工况下的碳载量。本文分别以1.322和2.299g/L的实际碳载量对这种碳载量标定方法的准确性进行评估及分析。对碳烟加载后的GPF进行发动机万有特性试验，将采集的数据代入公式（7）得到当前碳载量下的Soot Index，图4表达出了发动机全工况下的Soot Index与排气体积流量关系。

由图4可知，在不同碳载量的情况下，由发动机全工况运行后采集的数据计算得出的Soot Index呈收敛趋势，且通过Soot Index平均值查表得到的估算碳载量分别为1.257和2.274g/L，其与实际称重的碳载量基本相等。此外，通过图4也可以看出Soot Index存在一定幅度的波动，造成这一情况的原因是，在对加载碳烟后的GPF进行发动机万有特性试验时，由于发动机工况、空燃比以及排气温度等是不断变化的，GPF内的碳烟也在不断地产生与氧化，所以Soot Index也相应在一定范围内变化，通过下文对碳载量的估算偏差可知其总体结果满足要求。

图5为碳载量估算偏差。由图5可见，在低排气体积流量范围内，碳载量估算偏差较大，碳载量估算偏差在±0.6g/L以内，在其它排气体积流量范围内，碳载量估算偏差在±0.3g/L范围内。

原因分析：由图3可知，干净状态下Soot Index在低排气体积流量区域内偏差较大，其主要是因为GPF压差传感器在较低的排气体积流量范围内误差较大引起的，考虑到本次试验使用的GPF压差传感器量程较大（0-80kPa），后续试验可以采用小量程、高精度的压差传感器进行试验以提高碳载量估算精度。

3  结论

综上所述，本文对GPF碳载量的标定试验进行研究，提出了一种GPF碳载量的标定方法并阐述了其评价指标，结果表明基于本文提出的GPF碳载量标定方法得出碳载量估算整体误差在±0.3g/L以内，能够满足工程需求，并通过Soot Index对碳载量估算进行了评价。为了进一步提高碳载量估算精度，在具体的试验过程中可以根据GPF满载状态下的最大GPF压降选择合适的压差传感器量程范围，以提高在低排气体积流量内的碳载量估算精度。

参考文献：

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