直喷发动机颗粒物捕集器台架碳烟标定试验研究

李树宇

(奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000)

0 引言

目前，随着国家排放法规的日趋加严，发动机零部件供应商及主机厂面临的压力，迫使他们进行技术升级，减少颗粒物排放。而针对发动机内部的优化，无非是进行油、气、火三者之间的合理匹配。例如采用提高缸内涡流强度，减少燃油湿壁并配合高压油轨、合理的喷油角度、油束夹角、喷油孔数等，改善喷油雾化能力等措施[1-5。但对直喷汽油机而言，对喷油系统零部件的要求极高，既要耐高温，又要耐腐蚀，以及承受高强度的压力和热应力；另一方面，针对发动机内部的优化相应地增加了成本的支出[6-9]。实际证明采用颗粒物捕集器(Gasoline particulate filter, GPF)可以减少90%以上的颗粒物排放量。这就需要发动机控制系统对GPF的状态加以了解，对再生过程施以精确的控制。所以，在台架上进行发动机碳载量原排的数据采集及测试，以研究碳载量累碳模型规律具有重要的意义。

1 试验对象及设备

试验发动机为(Gasoline direct injection, GDI)直喷电控增压中冷发动机，其发动机基本性能参数见表1，GPF的结构参数见表2，GPF载体为堇青石，封装和载体由供应商康宁提供。

表1 GDI电控增压直喷发动机基本技术参数

表2 试验匹配发动机的GPF主要参数

发动机台架为AVL台架，采用的设备装置有：AVL PUMA系统，AVL测功机，INCA软件及上位机通讯采集设备，气体排放分析仪，AVL 489颗粒计数器。

2 数据采集及试验方法

2.1 采集数据

在发动机试验台上，通过转速和扭矩模式调整转速、负荷，通过INCA软件调整发动机空燃比和点火角，采集、记录气体排放、soot颗粒物排放以及发动机运行的相关参数信息。试验中GPF上安装的传感器信息如图1所示。

图1 GPF传感器布置

2.2 试验方法

以不同模式soot数据处理为例，针对汽油机的排放窗口是处在理论空燃比为1的狭小空间。首先在台架上，根据发动机转速和负荷进行扫描，转速从1 500 r/min增加到5 500 r/min，间隔500 r/min，负荷从55%到105%，间隔10%；对部分负荷可以使空燃比维持在0.7～1.1，间隔0.2，且满足发动机能够正常运行的条件，包括预催温度、涡前温度等边界条件在合理范围内，采集原始数据，如转速、负荷、空燃比、点火角提前角、排放等参数。然后以空燃比为1和加浓测点空燃比为0.7的HOM(均质)模式下的数据采集，并使用平均值和线性拟合进行数据处理。

3 试验数据分析结果

3.1 HOM(均质)模式、HSP(多喷)模式soot质量流量原排标定

图2和图3是空燃比为1的soot原始质量流量，图4和图5是空燃比为0.7的soot原始质量流量，因此空燃比为0.7的soot原始质量流量曲线，相对空燃比为1的修正曲线如图6所示。从而得到不同空燃比下soot质量流量，由于发动机大部分工况空燃比维持在1附近，因此可以得到将不同空燃比下soot质量流量除以空燃比为1下的soot质量流量，就可以得到soot的空燃比修正系数。

图2 空燃比为1的不同转速下的soot流量

图3 空燃比为1的不同转速下的soot流量

图4 空燃比为0.7的不同转速的soot流量

图5 空燃比为0.7的不同转速的soot流量

图6 空燃比修正曲线图

针对空燃比曲线选取(1/4，3/4)数据求得平均值，即为该空燃比为0.7的修正系数，该系数值为4.950 13。从而可以得到各空燃比间隔点的修正系数，通过对临界空燃比之间的数据进行拟合，即得HOM原始排放的修正曲线如图7所示，同时得到HOM模式下的原排结果，填入到以转速和负荷为坐标的二维表中。同理，HSP模式的原始排放也是同样的处理方法，此文中不在累赘。

图7 不同空燃比的修正值曲线

3.2 暖机水温修正标定

首先待发动机冷却至环境温度，即冷却液温度与环境温度相同，步骤1、倒拖至1 500 r/min,负荷为60%，然后恢复供油、保持空燃比为1；步骤2、倒拖至3 000 r/min，负荷为80%，然后恢复供油，保持空燃比为1；步骤3、倒拖至4 000 r/min, 负荷为120%，然后恢复供油，保持空燃比为1；采集冷却液温度从环境温度到最大温度时的soot质量流量，得到不同冷却液温度下的soot质量流量，如图8所示。针对冷却液温度90℃的soot质量流量求得平均值为A，其他温度点的soot质量流量除以A即得到不同冷却液温度的修正系数，然后指数拟合外推到其他温度点，得到图9所示的温度对soot质量流量的修正曲线，填入curve曲线中。

图8 不同冷却液温度下soot质量流量

图9 冷却液温度下的修正系数值

3.3 催化剂加热修正标定

1)发动机水温油温冷却至常温；

2)分别对1 500 r/min，2 000 r/min，2 500 r/min中等负荷、进行倒拖运行，然后恢复供油；

3)在催化器加热和不加热的情况下采集soot流量，每组测量3次，然后在相同转速下，将催化器加热的原排流量除以不加热的原排流量并求得3次结果平均值，为该转速的催化器加热修正系数，见图10。对3次结果再次求得平均值，即得到催化器加热修正值为0.763。

图10 不同转速下的催化器加热修正系数值

3.4 背压修正系数标定

首先测量空载下GPF压差P1，然后分别测量出15 g灰分量下快速累碳0 g、5.47 g、18.7 g下的压差P2，然后取P2/P1的(1/4，3/4)范围内的平均值，即可得到该碳载量下的修正系数，图11为15 g灰分量下不同碳载量的线性拟合曲线。同理，也可得到0 g、30 g灰分量不同碳载量的线性拟合曲线(如图12和图13所示)，从而在不同灰分量下，线性拟合算出0 g、5 g、10 g、20 g碳载量下的一系列修正系数值，填入二者对应的二维表MAP中。

图11 15 g灰分量下不同碳载量拟合曲线

图12 0 g灰分量下不同碳载量拟合曲线

图13 30 g灰分量不下不同碳载量拟合曲线

4 结论

通过此次GPF台架专项试验的研究，分析了soot碳载量原排及修正数据的处理方法。主要研究了碳载量原排，催化剂加热模式，背压、冷却液温度修正下的累碳处理方法，采用数学模型中的线性拟合和平均值的处理方法，建立了直喷汽油机累碳模型，有助于对EMS发动机控制系统对碳载量的累积和再生过程进行精确控制，更好地指导GPF台架标定工程师进行GPF的台架标定匹配工作。