汽油机颗粒捕集器的再生试验研究

冯观华，郭勇志

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007

0 引言

国家环境保护部于2016年12月23日发布了《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法(第六阶段)》[1]，颗粒物排放的质量PM(particulate mass)和数量PN(particulate number)都纳入了控制监管范围。其中国六a阶段规定PN限值为6.0×1011个/km，PM限值为4.5 mg/km。自2023年7月1日起开始实施的国六b阶段则将进一步加严，规定了PM限值为3 mg/km。为了达到国六法规标准，很多主机厂在排气后处理系统中增加了汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter,GPF)。在汽车使用过程中，汽车尾气中的颗粒物会被不断捕集并累积在汽油机颗粒捕集器里。然而GPF中颗粒物的累积会使排气背压升高，从而使得泵气损失和残余废气系数增加，降低了汽车的动力性和燃油经济性[2]。因此当GPF累积一定量的颗粒物后，需要适时地对颗粒物进行再生。

本文基于一台1.5 L的涡轮增压汽油发动机，对其搭配的汽油机颗粒捕集器的再生特性进行了试验和标定数据处理，并进行了再生验证试验。

1 GPF的改造及激活

由于进行再生试验和对GPF进行称重时，需要对GPF里的实际温度进行监测，因此首先需对GPF进行改造。在GPF轴向后端的封装外壳体上进行3个位置地打孔并焊接热电偶的安装工装，然后将1 mm的热电偶分别插入到GPF入口30 mm处、GPF中心处和GPF出口30 mm处，最后拧紧工装。

新生产的GPF会含有一定量的碎屑，这些碎屑需要清除掉，否则会对后续的称重产生影响，所以需要对新的GPF进行激活。台架激活GPF的方法为：

(1)在发动机转速为2 500 r/min、充气系数为70%的工况下加热发动机和GPF;

(2)使发动机运行在最大排气流量点或最大GPF温度点30 min；

(3)在发动机转速为1 500 r/min、充气系数为80%的工况下运行10 min，然后提高发动机转速至4 500 r/min并使充气系数为80%，运行10 min，重复此过程6 h；

(4)通过加浓空燃比等措施来快速累碳于GPF中，运行30 min，之后通过减稀空燃比等措施对GPF进行再生，重复3次；

(5)减稀空燃比为1.1,并通过提高发动机转速、加大节气门开度使GPF达到高的温度，进行再生2 h；

(6)拆下GPF，放入马弗炉进行350 ℃的保温，然后称重，该质量就是此GPF的基础质量。

2 GPF的再生试验

GPF中的碳颗粒物的燃烧速率主要与以下3个因素相关：①GPF中的温度；②进入GPF中的氧流量；③GPF中的碳载量。当GPF中的温度高于550 ℃且有氧流量时，就会发生化学放热反应：C+O2=CO2;当GPF的温度高于800 ℃且没有氧流量时，就会发生化学吸热反应：C+H2O=CO+H2[3]。GPF的再生分为主动再生及被动再生。主动再生是通过发动机管理系统的主动干预，延迟点火角来增加排温以及减稀空燃比来增加氧流量，从而给GPF营造高温富氧的条件来燃烧掉其中累积的碳颗粒物。当驾驶员在高速驾驶车辆过程中突然松开油门踏板时，发动机的节气门将由较大的开度位置迅速减小到怠速位置，使得进入发动机气缸的新鲜空气量减少，为避免混合气过浓导致燃烧不充分，同时提高车辆的燃油经济性和排放，通常中断发动机的燃油喷射，此时在汽车的惯性力作用下，发动机仍高速旋转而车辆没有动力请求，直到发动机的转速降低到设定的转速或者因驾驶员重新踩油门踏板使得节气门重新打开后才恢复供油，即减速断油过程。在断油过程中，排气中的氧流量大幅度增加，若此时GPF的温度达到再生要求，则GPF中累积的碳颗粒物便可迅速烧掉，无须发动机管理系统的主动干预，从而恢复GPF的过滤性能，此为被动再生过程[4]。

2.1 定氧500 mg/s再生试验

定氧500 mg/s再生试验步骤如下：

(1)将空载的GPF装上发动机，启动发动机进行加热，当水温、机油温度达到80 ℃以上后，通过调整发动机转速、节气门开度、减稀空燃比来寻找氧流量为500 mg/s时温度分别为500、550、600、650、700、750、800 ℃的发动机工况。

(2)快速给GPF累碳，然后拆下保温称重，所得的质量减去GPF的基础质量即GPF中的实际碳载量。

(3)将累有碳的GPF装上发动机，设置空燃比为0.98，然后启动发动机使其在低转速、低负荷下进行热机。当水温、机油温度大于80 ℃后，调整发动机工况，使GPF的中心温度到500 ℃后，设置空燃比为目标空燃比使氧流量为500 mg/s，进行再生一定的时间，然后再将空燃比恢复为0.98，进行降温、断油和充氧。

(4)拆下GPF进行保温称重，所得质量减去GPF的基础质量即再生试验后GPF中的剩余碳载量。

(5)将GPF装上发动机后，热机然后将剩余碳载量完全再生掉。重复步骤(2)和(3)进行氧流量500 mg/s时其他温度点的再生试验，从而得到氧流量为500 mg/s时其他温度点的试验数据。

基于以上再生试验步骤，通过试验并计算得到定氧500 mg/s的再生燃烧速率见表1。

表1 定氧500 mg/s的再生燃烧速率

由表1可以看出，当氧流量一定时，随着GPF的温度不断升高，其再生燃烧速率也随着加快，与GPF的温度呈正相关趋势。

2.2 定温650 ℃再生试验

定温650 ℃的再生试验步骤与定氧500 mg/s再生试验步骤一样，在空载状态下找到目标工况，之后进行快速累碳，并拆下保温称重计算得到实际碳载量，装上发动机热机后进行再生试验，然后拆下保温称重得到剩余碳载量，从而计算出定温650 ℃下各个氧流量的燃烧速率。

基于定温650 ℃再生试验步骤，通过试验并计算得到定温650 ℃的再生燃烧速率见表2。由表可以看出，当GPF温度一定时，随着GPF的氧流量不断增加，其再生燃烧速率也随着加快，与通过GPF的氧流量呈正相关趋势。

表2 定温650 ℃的再生燃烧速率

2.3 断油再生试验

在汽车行驶中，当驾驶员完全松开油门踏板及当前工况适合断油时，电子控制系统就会控制断油，此时GPF里就会进行被动再生。因此可通过在台架发动机上进行模拟汽车断油的试验来得出各个温度点的断油燃烧速率。

快速累碳保温称重计算得到实际碳载量后，将GPF装上发动机，设置空燃比为0.98后，启动发动机在低转速低负荷热机，当发动机水温、机油温度大于80 ℃后，调整发动机转速和负荷，使GPF的中心温度达到500 ℃，通过调整发动机标定参数使发动机断油，断油时发动机转速保持不变，节气门开度减小到5%，断油时间2 s后恢复供油及节气门开度，当GPF中心温度回到500 ℃后，继续执行断油操作步骤。断油次数根据断油温度选择，断油温度越高，断油再生试验的断油次数就越少，一般要确保断油再生后剩余碳载量有1～2 g。在断油再生试验结束后将GPF拆下保温称重，得到GPF剩余碳载量后，通过统计500 ℃断油再生试验测量断油时间总和，从而计算出500 ℃的断油燃烧速率。将剩余的碳完全再生掉后，继续其他温度点的断油再生试验。

基于断油再生试验步骤，通过试验并计算得到不同温度下的断油再生燃烧速率见表3。由表可以看出，随着GPF的断油温度不断升高，其断油再生燃烧速率也随着加快，与GPF的断油温度呈正相关趋势。

2.4 850 ℃的高温干烧试验

当发动机运转在高转速、高负荷时，GPF的温度会达到很高。当GPF的温度高于800 ℃且没有氧流量时，GPF中的碳颗粒就会与尾气中的水分发生化学吸热反应，通过在台架发动机上进行850 ℃的干烧试验以获得其燃烧速率。

快速累碳拆下保温称重得到实际累碳量后，将GPF装上发动机，设置空燃比为0.98，启动发动机热机，热机结束后提高发动机转速和负荷，使GPF的中心温度达到850 ℃，维持当前工况2 h，此时GPF里的碳颗粒物就会在850 ℃的高温里与尾气中的水分发生化学吸热反应。2 h后减小发动机转速和负荷并进行降温、断油和充氧，将GPF拆下保温称重，得到实际剩余碳载量从而计算出850 ℃下的干烧燃烧速率。

基于高温为850 ℃的干烧试验步骤，通过试验并计算得到850 ℃高温下的干烧燃烧速率见表4。由表可以看出，2 h的850 ℃高温干烧试验后，GPF里面的碳载量实际减少了2.004 g,虽然燃烧缓慢，但是可以得出在850 ℃的高温且没有氧流量情况下碳颗粒物确实可以再生掉。

表4 850 ℃高温下的干烧燃烧速率

2.5 碳载量的修正系数试验

当汽车行驶过程中处于非再生工况时，GPF就会不断捕集尾气中的颗粒物，使得GPF中的颗粒物不断增多。当GPF中的颗粒物达到一定程度且汽车当前行驶车况适合再生时，汽车电子控制系统就会调整系统参数使GPF进行再生，从而将碳颗粒物烧掉,因此GPF中的碳颗粒物的质量是不断变化的。因为同一工况下的GPF再生燃烧速率与碳载量呈正相关趋势[5]，所以需要根据碳载量的多少对燃烧速率进行修正。

快速累碳拆下保温称重得到实际碳载量后，将GPF装上发动机，设置空燃比为0.98，启动发动机热机，热机结束后将发动机转速和负荷调至之前确定的工况，等待GPF温度稳定后，将空燃比调至1.1，开始再生一定时间，再将空燃比调回0.98，降低发动机转速和负荷，并进行降温、断油和充氧，进而拆下GPF保温称重，得到剩余碳载量。将GPF装上发动机后，再次进行同一工况的再生试验。不断重复同一工况再生试验直至剩余碳载量小于0.5 g为止。

基于碳载量的修正系数再生试验步骤，通过试验并计算得到700 ℃温度下各个碳载量的修正系数试验数据见表5。由表可以看出，随着GPF的碳载量不断增多，其再生燃烧速率也随着加快，与GPF的碳载量呈正相关趋势。

表5 700 ℃温度下各个碳载量的修正系数试验数据

3 GPF的再生标定数据验证

由于断油再生时排气中的氧流量会大幅度增加，使得断油再生时GPF里的温度迅速增加，而GPF有其最高耐受值，所以在GPF的断油安全性标定工作完成后才可以进行接下来的GPF再生标定数据验证，以防断油再生时烧毁GPF[6]。

基于温度、氧流量这两个因素的二维再生燃烧速率标定量里的组成有很多个点，如果每个点的数据都是通过实际再生试验来获取，那么工作量将会很大，所需要的时间也更多，所以通过上述各种再生试验得到基础数据后进行分析处理，再外推拟合得到其他点的数据，最后得到基于温度、氧流量的二维再生燃烧速率标定数据以及基于碳载量的一维修正系数标定数据，此为初版再生标定数据。通常情况下，GPF的实际烧碳量要高于模型烧碳量，从而防止GPF的堵塞。但是GPF的实际再生过程是非常复杂的，要使全部工况下的实际烧碳量高于模型烧碳量且又非常接近是很难办到的，所以目前都是控制实际烧碳量与模型烧碳量的偏差精度在30%以内。在得到初版再生标定数据后，在台架发动机和整车上进行主动再生和被动再生试验，不断细调优化数据，使最终版再生标定数据满足实际烧碳量与模型烧碳量的偏差精度在30%以内。

3.1 台架再生验证

快速累碳拆下保温称重得到实际累碳量后，将GPF装上发动机，通过标定量使模型碳载量值为实际碳载量值，设置空燃比稀限为0.98并禁止断油，启动发动机热机，热机结束后将空燃比稀限放开，运行台架WLTC曲线循环，当发动机工况适合再生后，电子控制系统就会调整系统参数进行再生，模型碳载量就会减小，随着WLTC曲线循环的运行，GPF里不断进行着非再生工况和再生工况，当模型碳载量减小到一定程度后手动退出WLTC曲线程序，并把空燃比稀限调整为0.98，进行降温、断油和充氧并拆下GPF保温称重，此为主动再生验证。因为被动再生过程的再生方式是断油再生，所以为了防止因GPF断油安全性的原因使得被动再生验证时不能进入断油，在给GPF累碳时应适度少量，不宜过多，这样才可以保证被动再生的进行。被动再生验证时空燃比稀限一直保持0.98，当发动机工况适合断油时，发动机就会进行断油，断油时GPF里就会进行再生，模型碳载量也会因此减小，随着WLTC曲线循环的运行，发动机不断进行非断油工况和断油工况，当模型碳载量减小到一定程度后手动退出WLTC曲线程序，进行降温断油充氧并拆下保温称重。

基于台架再生验证试验步骤，通过试验并计算得到主动再生和被动再生这两个再生模式的实际烧碳量与模型烧碳量的偏差精度。表6为最终版再生标定数据的台架再生验证结果。由表可以看出，主动再生偏差精度为22.51%,被动再生的偏差精度为11.88%，偏差精度都在30%以内，满足了匹配目标要求。

表6 最终版再生标定数据的台架再生验证结果

3.2 整车再生验证

在搭载台架同一型号发动机的车型上进行整车再生验证试验。将累有碳的GPF装上整车后，实际道路动态行驶，分别进行主动再生试验和被动再生试验来验证。主动再生验证试验又分别在GPF中心温度为500～600 ℃、600～700 ℃和700～800 ℃这3个温度期间进行再生试验来验证。在被动再生验证试验前，给GPF累碳时应适度少量，不宜过多，这样才能避免GPF断油安全性的原因从而导致不能进行断油。通过INC标定软件，修改一些标定量，依次进行各个再生验证试验。

基于整车再生验证试验步骤，通过试验并计算得到主动再生和被动再生这两个再生模式的实际烧碳量与模型烧碳量的偏差精度。表7为最终版再生标定数据的整车再生验证结果，偏差精度都在30%以内，满足了匹配目标要求。

表7 最终版再生标定数据的整车再生验证结果

4 结束语

通过各个再生试验获得基础数据，然后外推拟合其他点的数据，不断通过再生试验进行验证，根据试验结果对数据不断进行细调优化，直到满足实际烧碳量与模型烧碳量偏差精度在30%以内，从而确定最终版再生标定数据。由台架和整车验证结果得知，最终版再生标定数据的再生偏差精度都在30%以内，满足了匹配目标要求。