汽油机颗粒捕集器（GPF）台架性能研究

史冬敏　闫海东

摘 要：文章讨论了台架颗粒捕集器（以下简称GPF）原排标定、定温定氧燃烧模型、断油燃烧模型、不同碳量的燃烧速率、最大碳量的标定方法；并呈现了匹配某款发动机的GPF标定数据。文中提到了趋势法、仿真法对模型标定进行数据分析和优化，优化工作流程的同时保证整车标定模型准确度，降本增效，也为应对未来更严格的排放法规（例如正在研讨的国Ⅶ和欧Ⅶ）做技术积累。

关键词：颗粒捕集器（GPF） 燃烧模型 原排 碳载量

1 引言

进入2023年，极端天气包括异常高温、热浪、暴雨和飓风等频繁出现，为降低温室气体对全球气候的影响，已有140多个国家或地区提出了碳中和目标，各国正在积极探索、实施各项碳减排举措[1]。研究表明，汽油机颗粒物普遍比柴油机颗粒粒径小，已证实超细核态颗粒物PN23（颗粒物粒径＞23nm）会对人体健康产生严重危害[2]。目前正在研讨的国Ⅶ计划引入颗粒物PN10（颗粒物粒径＞10nm）排放限值，为应对更加严格的排放法规，进一步深入研究颗粒捕集器性能很有必要。

本文主要针对轻型汽油机颗粒捕集器的台架标定展开探讨，进一步探究GPF的各项性能及标定方法。文章使用了原排趋势校验方法，台架原排空燃比修正、水温修正和动态工况修正，经原排WLTC趋势验证，再整车WLTC碳载模型标定，调整原排模型修正系数，整车原排模型精确度满足开发要求，避免大量重复性工作，实现降本增效；碳相关燃烧速率（不同碳量燃烧速率、断油燃烧速率和定温定氧燃烧速率）数据使用仿真的方法拟合标定数据，提高准确度同时节省工作量；另外为了保护GPF在整车上的正常使用，开展了禁止断油和最大碳量试验，保护GPF在断油再生时不会损坏且不影响整车性能。

2 GPF简介

2.1 GPF结构、过滤原理

汽油机颗粒捕集器，简称GPF，是具有捕集和处理颗粒（PM）功能的排气后处理装置，有涂覆式和非涂覆式（白载体）之分，涂覆式汽油颗粒捕集器（C-GPF）简称四元催化器，即具备颗粒物处理能力，又可转化气态污染物（THC、CO和NOx）。GPF外型一般为圆柱体，常用材料来源是堇青石陶瓷，见图1，内部被分为多个平行于轴向的方形通道，当通道的入口是开口时，出口端是封闭的；而相邻通道的入口端是封闭的，出口端是开口的，即封闭口及开口交错排列布置。

排气中的气态污染物可透过载体壁流出，而PM则被截留并累积在GPF内壁上，其对PM的捕集效率在50%-95%。随着氧气浓度不同，GPF温度在（400～600）℃范围累积的碳可再生，500℃以上燃烧速率较快，若氧气充足且温度高于600℃时，碳再生速率更快，碳燃烧再生可降低GPF背压。

2.2 GPF再生原理

发动机燃烧的颗粒物产物中含有碳颗粒（汽油燃烧） 和灰分（机油燃烧）。这些碳颗粒和灰分被GPF捕集，并在GPF中累积。碳颗粒与灰分的积累在前期可提高GPF的过滤系数。但当累积量过大时，发动机的排气背压会上升，油耗增加。所以要适时进行GPF再生。GPF的再生主要包含如下化学方程式：

1）在GPF内部温度高于500℃，且气体氛围中含氧时，发生如下显著化学放热反应；温度越高，氧含量越高，碳的燃烧速率越大：C+O2=CO2；氧含量不充足時，燃烧更倾向生成CO：C+O2=CO；

2）在GPF内部温度高于800℃，且没有氧气时，发生如下化学吸热反应：C+H2O=CO+H2。

2.3 发动机参数和试验设备

试验在一款电控直喷汽油机上进行，发动机的参数见表1所示，试验设备包含开发 ECU、AVL公司的电涡流测功机、燃烧分析仪、AVL483微碳烟颗粒物分析仪、恒温恒湿系统控制试验室；箱式电阻炉，精度0.05的电子天平。

3 试验方案

3.1 原排标定试验

原排标定方法：（1）分别控制空燃比为1.08、1、0.9、0.8、0.7，台架采集不同转速负荷下的颗粒物排放，确定空燃比修正值；（2）水温修正，台架起动后定工况暖机，初步标定水温修正相应温度区域；（3）动态修正在线调整参照AVL483曲线，使趋势一致；（4）WLTC循环测量离线拟合趋势一致，再通过WLTC碳载模型试验，调整修正系数，完成原排标定。

3.2 燃烧速率试验

3.2.1 术语定义

燃烧速率试验包括定温定氧燃烧速率、断油燃烧速率和不同碳量燃烧速率试验，术语定义如下：

1）温度梯度（简称温梯）：单位载体（通常指径向）长度（cm）的温度差值，单位℃/cm。

2）燃烧速率：特定的温度、氧含量条件下，单位时间燃烧的碳量，单位mg/s，见式（1）：

B=                                                   （1）

式中：M1：GPF中累积的碳量；M2：满足再生条件，再生后残余的碳量；t1：碳开始燃烧的时间；t2：碳燃烧结束的时间；

注：定义碳量Sot_Des=（3.5～4.5）g；不同碳量燃烧速率起始值Mori=（最大累碳量+2）g。

3.2.2 试验方法

为实现整车GPF碳量正常再生，评估发动机减稀、断油和不同碳量时碳的燃烧速率。

燃烧速率试验，包括定温定氧燃烧速率、断油燃烧速率和不同碳量的燃烧速率，具体步骤包括：（1）确认燃烧速率工况；（2）开始燃烧速率试验：空载GPF累碳至目标碳量Sot_Des（最大碳载量试验需累碳至Mori），按照目标燃烧速率，调整空燃比为目标点的空燃比或者直接断油，记录数据，计算该点的燃烧速率。

3.2.3 断油安全性试验

断油保护是为避免含碳的GPF在断油时发生碳剧烈燃烧而烧坏GPF而开展的试验，目的是针对不同温度设置禁止断油的GPF碳量，以保护GPF。具体试验方法：（1）GPF断油保护温度点600℃～800℃；（2）快速累碳至7g左右，开展600℃的断油，最高温度和温梯均未超限值时，增加相应的碳（例1g碳），至最高温度或者温梯超限值；最高温度和温梯限值参照载体产品规范，若超限值，则减少碳量至限值范围内。

3.2.4 最大碳量试验

最大碳量试验标准：外特性点性能下降5%对应的碳量；或增压器性能包括增压器转速和止推轴承是否应力在合理的范围内，不影响增压器性能及寿命。分别将空载和不同碳量（例5g、10g……逐步增加碳量）时拉外特性，满足试验标准时对应的碳量即为最大累碳量。

4 试验结果与分析

4.1 原排标定试验

台架采集空燃比（lambda）修正和水温修正的万有特性数据，并进行水温修正和动态工况标定工况点扫点，数据结果见图2～图9，可知：（1）空燃比减稀，颗粒物排放量呈降低的趋势；（2）空燃比加浓，随着空燃比的加浓，颗粒物排放逐渐增加；（3）随着转速和负荷的增加，颗粒物排放呈现增加的趋势；（4）发动机水温越低，产生的颗粒物越多；（5）动态工况，负荷变化率越大，颗粒物生成越多。

将上述结果集成到软件中，采集第二次万有验证趋势，见图10，模型原排与实际原排的趋势一致；继续进行整车重复跑WLTC循环，实车原排模型碳载量与实际碳载量的模型偏差30%偏差要求，见图11，整车原排标定WLTC验证结果满足开发目标。

4.2 碳相关燃烧速率

本试验主要是台架燃烧模型标定燃烧速率基础map，根据实际测试数据通过软件EAMO拟合出软件数据，为整车GPF提供燃烧模型基础数据。

1）不同碳量燃烧速率：采用再生温度和氧含量最常用的范围，例如GPF实测温度650℃，氧含量（450～600）mg/s，见图12，虚线为拟合的不同碳量燃烧速率曲线，随碳量增加，燃烧速率呈逐渐增加的趋势。

2）断油燃烧速率：累积相同碳量，开展不同温度不同氧含量时燃烧速率试验。试验结果见图13，随着GPF实测温度的增加，断油燃烧速率提高；且GPF中氧含量的增加，燃烧速率也增加。

3）定温定氧燃烧速率

定温定氧燃烧速率，随温度和氧流量增加而增加的规律，具体见图14。

碳相关燃烧速率小结：考虑实际累碳过程中实际累碳量保持在4g左右，故为补充实际累碳量不能保证完全一致的实操情况，采用EAMO软件拟合碳载量的差异，EAMO拟合标定数据map作为软件输入。

4.3 断油安全性试验

斷油安全性即找到不同温度下允许断油的最大碳量，保证GPF断油后最高温度在限值950℃范围内且接近限值，同时温度梯度满足限值300℃/cm的要求；断油温度统计试验得出各温度下安全断油碳量。

断油安全性的结果见表2，禁止断油map按照相应的温度和碳载量系数标定，以保护GPF充分被动再生过程中不因为碳量过高导致GPF温度过高损坏。

4.4 最大碳量试验

为避免碳量过大对整车性能造成影响，需设定最大碳载阈值。最大碳量标准：外特性点性能下降5%对应的碳量，或者增压器转速超限值。

最大碳量的台架数据结果见图15，最大累碳量为10g，增压器转速不超限值，且增压器参数经仿真拟合计算增压器止推轴承承受应力在其标准范围内，故确定碳载量10g作为软件标定输入值。

5 结论

1.本文使用原排趋势校验方法，台架原排空燃比修正、水温修正和动态工况修正，经原排WLTC趋势验证，再整车WLTC验证，调整原排模型修正系数，整车原排模型的准确度满足开发要求，且避免大量重复工作，实现降本增效；

2.碳相关燃烧速率（不同碳量燃烧速率、断油燃烧速率和定温定氧燃烧速率）数据使用仿真的方法拟合出标定数据，提高准确度同时节省工作量；

3.断油安全性和最大碳量试验，是为了保护GPF在整车上的正常使用而设定的边界，保护GPF在断油再生时不损坏，同时大碳量时不影响整车性能。

参考文献：

[1]GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及其检测方法：中国Ⅵ阶段[S].北京：中国标准出版社，2016.

[2]Takuji Ishioka. Power Measurement Methed of GPF Engine in China. Power Certiiication for China 6.2017.

[3]Saito C.，Nakatani T.，Miyari Y.，New particulate filter concept to reduce particle number emissions. SAE paper 2011-01-0184.

[4]尹乾熙.缸内直喷汽油机微粒捕集器捕集特性研究[D].吉林：吉林大学，2015.