汽油机颗粒捕集器怠速再生过程整车热害测试研究

刘玮 陈乐德 王新新 张坡 官永福

（东风汽车有限公司东风日产乘用车技术中心，广州 510800）

主题词：汽油机颗粒捕集器 怠速再生 整车热害 排气温度 车辆测试

1 前言

汽油机颗粒捕集器（GPF）再生模式可分为行驶再生和怠速再生。常用的再生策略包括减速断油、加浓减速断油、调整空燃比和推迟点火提前角等[1-2]。然而，再生过程会导致GPF和排气管周边温度上升，造成零部件的热害恶化。目前，传统的热害考察工况多采用与高速行驶和爬坡行驶相关的测试条件，而忽略了GPF再生这一导致车辆零部件热害恶化的使用条件。

本文对GPF 怠速再生过程中零部件所受热害问题进行试验研究，并根据试验的结果采取改进方案以保证零部件的热性能。

2 GPF再生热害和怠速再生模式

2.1 GPF再生过程中的热害问题

GPF 再生过程中，会产生2 种额外的热来源：为了达到碳烟燃烧需要的温度，需调整发动机运行参数以提高排气温度；GPF内部温度高于550 ℃，且氧浓度>0.5%或缸内过量空气系数λ>1.022 时，发生放热化学反应C+O2=CO2。

GPF 内部温度高于1 000 ℃时，会造成GPF 过温损坏[3]。过高的排气温度也会使排气系统周边的零部件产生热害问题[4]。行驶再生的时间较短，且有环境风冷却，零部件热害问题并不严重；怠速再生时间较长，冷却风不足，且热量容易积聚，对零部件造成的热害影响严重。

2.2 怠速再生模式

如图1所示，GPF怠速再生模式一般分为3个阶段：

a.加热阶段。通过提高发动机转速和推迟点火提前角提高GPF 温度至目标值，根据车型、再生需求和条件的不同，目标温度一般在500～800 ℃范围内。

b.再生阶段。通过提高发动机转速和推迟点火提前角，同时调整空燃比，输送更多氧气使过量空气系数λ>1，使碳烟燃烧。此阶段持续一段时间，为避免冷却系统和排气系统的热量聚集，过程中开启散热器风扇。

c.后冷却阶段。再生停止后，为避免余热造成热害问题，保持散热器风扇为最高转速并持续一段时间。

图1 GPF怠速再生模式

3 整车热害测试条件

本文以某搭载2.0 L排量发动机的车型为研究对象，再生测试过程中主要选取排气管周边的零部件温度作为测试对象，包括发动机油温、自动变速器油温、油箱温度、机舱防火墙温度、机舱防火墙卡扣温度、前围上盖板温度、氧传感器插头温度、点火线束温度、GPF压差传感器插头温度、发动机悬置温度、变速器悬置温度、制动管温度、曲轴传感器线束插头温度、曲轴传感器线束温度、水泵线束温度、车身动态控制（VDC）系统线束插头温度。

测试在高、低温环境箱中进行，温度控制精度为±2 ℃，配有尾气抽排系统。试验中设定环境箱温度为45 ℃。

4 GPF怠速再生热害测试结果

4.1 GPF入口排气温度的控制

零部件热害程度在热端主要受到GPF 入口排气温度的影响，如图2所示。

图2 GPF怠速再生中热端对零部件热害的影响

在保持其他因素不变的条件下，推迟点火提前角（再生储备扭矩上升）可以提高GPF 入口排气温度。故在本次测试中，调整点火提前角使得再生储备扭矩分别达到10.5 N·m、11.0 N·m、11.5 N·m、12.0 N·m、12.5 N·m和13.0 N·m，GPF的排气温度变化情况如图3所示。

从图3 可知：在相同条件下，GPF 入口排气温度随着再生储备扭矩的提高而上升；在储备扭矩单一因素控制下，单次再生过程中GPF入口排气温度随着时间变化呈现很大波动，造成热害测试结果可重复性差，热害结果可能受到排气温度瞬时波动的影响，将难以保证GPF的量产性能。

图3 不同再生储备扭矩对GPF入口排气温度的影响

为保证测试结果的可重复性，应增加排气温度控制因素，即再生储备扭矩不再为固定值。在整个再生过程中，GPF实际排气温度与目标值之间存在差异，因此，在图2的基础上增加GPF入口排气温度反馈，用于动态调整再生储备扭矩，可使GPF入口排气温度接近目标值并保持较小的波动。

GPF 入口排气温度目标值设定为600 ℃时，进行GPF再生测试，GPF入口排气温度随时间的变化曲线如图4所示。

图4 GPF入口排气温度目标设定为600 ℃时的排气温度曲线

选取再生触发后10 min内的数据，整理不同控制方法的排气温度均值和均方差如表1所示。由表1可知，在对GPF排气温度进行精确控制后，排气温度的均值与目标值偏差较小（0.1 ℃），均方差为1.003 ℃，表明波动较小，控制效果稳定。

表1 不同控制方法的GPF入口排气温度均值和均方差℃

4.2 零部件测温结果

设定GPF入口排气温度为700 ℃，进行零部件温度的测试，并依据试验结果逐步降低GPF入口排气温度至660 ℃、640 ℃、620 ℃、600 ℃，选取测试过程中零部件温度的峰值，并比对零部件耐温数据如图5所示。

图5 不同GPF排气温度下零部件温度测试结果

由图5可知，当GPF入口排气温度下降到600 ℃时，除水泵和驱动轴外，其他零部件均已达标。针对水泵和驱动轴，使用线性拟合的方式，预估使其达标的GPF 入口排气温度，如图6所示。

图6 GPF入口排气温度的预估达标值

由图6 可知，GPF 入口排气温度需要下降到539 ℃以下，才能从发热端保证水泵和驱动轴满足耐温要求。但GPF 入口排气温度下降过多，会影响GPF 再生的效果，导致在规定时间内燃烧的碳烟量无法满足要求。故保持GPF入口排气温度为600 ℃，在水泵和驱动轴上分别增加隔热罩。

分别选取单品试验中，在与GPF怠速再生相同温度和相同时间下隔热降温效果分别为27 ℃（水泵）和21 ℃（驱动轴）的隔热罩，再次进行整车GPF怠速再生试验。试验结果为水泵峰值温度135 ℃（耐温140 ℃），驱动轴峰值温度92 ℃（耐温100 ℃），均满足耐温要求。

4.3 发动机罩打开与关闭的结果对比

在GPF怠速再生过程中，油、水温恶化，散热器风扇需要一直以较高负荷运转。此时若打开发动机罩，散热器通过风阻会减小，有利于冷却水的散热。

但是该操作会对整车热害造成影响，本文对其开展研究。设定GPF入口排气温度为600 ℃，发动机罩关闭和开启的试验结果对比如图7所示。

图7 发动机罩开启与关闭对热害的影响

由图7 可知，发动机罩打开后，排气管周边的零部件热害条件恶化，导致零部件温度超过耐温要求，原因是风扇的冷却风从机舱上方流失，吹向发动机后方和底盘的冷却风减少，如图8 所示。所以在GPF 怠速再生时，应关闭发动机罩。

图8 发动机罩开启与关闭状态冷却风流向示意

5 结束语

本文从GPF的原理和再生策略入手，通过设计整车试验对GPF 怠速再生模式下的GPF 入口排气温度变化和零部件热害情况进行测试，得到以下结论：

a.由于单一控制点火提前角因素无法保证稳定的GPF入口排气温度，应增加排气温度精确控制逻辑。

b.通过采用逐步降低排气温度的方法，使尽可能多的零部件达到耐温要求，再对仍然未达标零部件局部采取隔热措施的方法，可以较好地保证整车热害性能。

c.由于关闭发动机罩进行GPF 怠速再生比打开发动机罩散热更优，故应在GPF怠速再生的过程中关闭发动机罩。