汽油机颗粒捕集器驻车再生试验方案研究

李耀富　李懿秘　周伟才

摘要：本研究在颗粒捕集器为空载的情况下，针对不同的发动机转速进行完整的驻车再生试验。再通过发动机台架，或者在整车上进行快速累积碳颗粒至汽油机颗粒捕集器中，模拟汽车碳颗粒累积过多导致限扭的工况。最后再进行碳颗粒满载情况下的驻车再生试验，根据再生后的剩余碳量选择最为合适的驻车再生转速。结果显示：通过控制驻车再生的转速和再生时间，一方面可以保证碳颗粒被充分进行再生，有效地减小再生试验过程中的燃油损耗；另一方面較低的再生转速和较短的再生时间更为用户所接受。

关键词：汽油机颗粒捕集器；驻车再生；再生时间；再生转速

中图分类号：TK417+.1 文献标识码：A

0 引言

《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法（ 第六阶段） 》将颗粒物排放的质量PM （ Particulate Mass） 和数量PN（ParticulateNumber） 纳入了控制监管范围。国六a 阶段规定：PN 限值为6.0×1011 颗/km，PM 限值为4.5 mg/km ；而国六b 阶段则将更加严格，规定了PM 限值为3 mg/km[1]。为了达到国六法规标准，排气后处理系统中增加汽油机颗粒捕集器（Gasoline ParticulateFilter，GPF）便成为很多主机厂的必然选择。汽车使用过程中，GPF 中颗粒物的累积会使排气背压不断升高，使得汽车的动力性降低，同时燃油消耗也会随之增高。

汽油机颗粒捕集器在进行长时间工作后，当行车中的主动再生、被动再生和辅助再生等再生方式，无法完全将捕集到的碳颗粒进行再生，导致碳颗粒堆积过多、背压过高，进而燃油消耗大。甚至会在碳载量超过设定阈值时发动机被限扭，导致发动机无法正常工作，车辆无法正常行驶。此时就需要进行高怠速转速下的驻车再生，快速高效地将捕集的碳颗粒再生掉，解除限扭使发动机故障灯灭灯，保障用户的正常用车。所以，通过试验研究并确定驻车再生的再生时间和发动机怠速转速，是GPF 标定过程中必不可少的环节，也是驻车再生标定过程中的关键所在[2]。

1 GPF 作用、结构及再生分类

1.1 GPF 的作用

GPF 是针对汽油机排放物中的颗粒物进行收集并处理的一个汽车零部件， 是从排放后的角度出发，降低汽油机排放物中颗粒物含量的一种通用的手段[3]。汽油机颗粒捕集器的捕集效率极高，通常可以达到90%。汽油机排放的颗粒物一般包括固相颗粒和液相颗粒（水除外）。

燃油蒸发不完全造成的混合气局部过浓和燃烧室壁面的油膜直接排出缸外，是产生颗粒物的主要原因。当喷油相位过迟时，由于燃油蒸发时间较短，此时的液态燃油是产生颗粒物的主要原因。固相颗粒物中，主要包含未燃烧充分的碳颗粒（简称Soot），以及部分灰分（简称Ash）。Soot 是颗粒排放物中可以被氧化的、可以被再生的部分，即碳颗粒。

汽油机颗粒捕集器在行车过程中，会根据对行车工况的判断，选择在满足再生条件时将捕集到的碳颗粒及时进行再生，确保排气背压处于合理的范围。这样既能保证颗粒捕集器的捕集效率，也能保证车辆的燃油经济性。Ash 成分主要为CaO、P2O5、ZnO、SO3 和fe2O3 等不可再生的颗粒物，所以Ash 的长期累积最终会堵塞GPF，进而导致GPF 失效。

1.2 GPF 的结构及参数

如图1 所示，GPF 载体一般为圆柱体，平行于圆柱体轴向有很多通道，通道交错排列着正反两个方向的管道。在排气系统压差的作用之下，尾气从GPF 载体前端处进入，并从载体后端排出。在经过GPF 载体的过程中，固相的颗粒物会被载体拦截收集，而气态的排放物则可以顺利通多载体的封闭端排出。其中，拦截下来的固相颗粒物中既包含可再生的碳颗粒，也包含了无法被氧化的灰分。

GPF 载体材料一般选用的是堇青石，相关参数如下表1 所示。一般来说，对于紧耦合式的GPF，GPF 的目数小于前置的三元催化器的目数，而壁厚则要大于其壁厚。这样做的目的在于可以有效降低排气的阻力，同时提高GPF 的过滤效率。

1.3 GPF 的再生

随着GPF 对尾气中颗粒物捕集的增多，排气背压会增大，初期可起到提高捕集效率的作用。但当背压升高到一定的程度时，背压越大，汽油机的燃油消耗就会越大，燃油经济性也就越差。不仅对发动机的性能有影响，同时给用户带来较大的燃油经济消耗。所以，必须在适当的条件下对GPF 进行再生，也就是将捕集到的Soot 进行氧化转化成气体后排出GPF，降低背压过大带来的负面影响[4]。影响GPF 再生的因素主要有以下3 点。

（1）碳载量。碳载量的估算一般是由模型碳量来估算，也可以通过背压来进行反算。

（2）再生的温度。当GPF 处于不同的温度区间时，GPF 再生的化学反应也是不同的。

（3）排气中的氧含量。氧含量的大小同样对GPF 再生有着不同的影响。

GPF 的再生主要包含2 个化学方程式。当GPF 内部温度高于560℃且氧浓度大于0.5% 时，发生化学放热反应：

C ＋ O2 ＝ CO2

当GPF 内部温度高于800℃且氧浓度小于0.5% 时，发生化学吸热反应：

C ＋ H2O ＝ CO ＋ H2

GPF 的再生有3 种：主动再生、被动再生和驻车再生。

（1）主动再生就是发动机控制系统（ECU）主动发出指令，调整点火角和增大空燃比，创造满足主动再生的条件将GPF 中捕集的碳颗粒烧掉。

（2）被动再生指的是在发动机断油过程中，由于发动机停止喷油，混合气体中的氧含量大幅增加，加之温度条件满足的情况下将碳颗粒进行再生的一种不受发动机控制系统控制的再生方式。

（3）驻车再生指的是，当正常行车过程中的主动再生和被动再生无法将GPF 捕集的碳颗粒充分再生，导致背压异常升高，碳颗粒累积超过8.000 g 左右使得发动机限扭时，发动机故障灯会亮起。此时，必须将车辆送至售后点进行驻车再生，快速地将捕集的碳颗粒进行再生的一种再生方式。驻车再生区别于主动再生和被动再生地方，就是该再生方式并不能在正常行车过程中进行，只能有售后人员通过连接ECU，人为干预进行的快速再生，达到消除故障，降低燃油损耗，提高燃油经济性的一种特殊的再生方式[5]。

2 驻车再生试验方案

2.1 试验准备

本实验用一辆搭配1.5 L 自然吸气4 缸发动机的家用轿车进行试验，试验前需要将GPF 进行改造并激活。由于驻车再生试验过程中需要关注GPF 内部温度的变化，所以需要将新鲜未激活的GPF 从后端接入3 根热电偶（图2、表2），用以监控GPF 内部不同深度的温度。改造好的GPF 需要清理干净焊接熱电偶安装底座时产生的焊渣，以免影响后续称重。将改造后的新鲜GPF 安装到发动机台架上进行激活或装到整车上激活。

台架激活方法：将发动机热机后，在高转速下运转30 min，然后在低转速下运转30 min，重复此过程6 h ；将发动机工况调整至快速累碳工况，快速加载Soot 到GPF 持续30 min，然后将发动机工况调整至清碳工况进行GPF 再生30 min，重复此过程3 h；最后将GPF 再生2 h，拆下保温称重得出激活后GPF 的首重。

整车激活方法：将新鲜的GPF 安装到试验车上，正常行车1 000 km 以上，清碳称出首重即可。

2.2 试验方案

驻车再生通过寻找合适的再生转速，推迟点火角效率控制GPF 入口温度在650℃以上，并在合适的时间内将GPF 中的碳颗粒再生完全。所以首先要在空载的情况下，将发动机怠速转速分别设置为1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min 和4 000 r/min 等，然后根据再生进程的快慢调整控制再生进程的变量，使得一个完整的再生进程所需要的时间为3 200 s 以内。并在每次试验过程中记录GPF 入口温度，选取入口温度在650℃以上的怠速转速。试验数据如表3 所示，并确定选取转速3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min进行下一步试验。

在确定好GPF 入口温度，大于650℃的怠速转速后，需对GPF 进行快速累碳至满碳状态，并进行称重，得出碳载量。一般可通过在发动机台架或整车上进行快速累积碳颗粒，需要在GPF中加累12.000 g 左右的碳。此时将累好碳的GPF 装至试验车上进行满碳驻车再生。由于此前已通过调整变量使得再生时间均在要求范围内，此时只需按照此前调整的参数进行完整的驻车再生试验，当再生进程达到1 时试验完成，待GPF 充分降温后熄火停车，并将GPF 拆下称重，称出剩余碳载量。实验中，每个怠速转速进行试验时，均应将GPF 累至满碳12.000 g 再进行试验。当所有转速进行完成时，得出表4 中数据。

2.3 试验结果分析

通过第一步实验可见，发动机再生转速设置为1 500 r/min、2 000 r/min 和2 500 r/min 时，GPF 入口温度低于650℃，不满足进行驻车再生的最低温度需求，因此这3 个转速不能作为驻车再生转速。故而在进行第二步试验时，仅需将发动机怠速转速设置为3 000 r/min、3 500 r/min、4 000 r/min 和4 500 r/min，进行满碳载量的驻车再生试验。

第二步试验中，在GPF 满碳载量的情况下，进行完整的驻车再生试验后，进行GPF 称重得出的剩余碳载量分别为2.152 g、1.682 g、1.012 g、0.838 g。这4 个转速下的驻车再生工况均可达到清除发动机故障、解除限扭的要求。但是，在这4 个结果对应的发动机怠速转速中，再生转速3 000 r/min、3 500 r/min 剩余的碳载量较多，并不能充分地将碳颗粒物进行再生；而4 000 r/min、4 500 r/min 剩余的碳载量较少，捕集到的碳颗粒物能够被充分的进行再生，所以应4 000 r/min 或4 500 r/min 中选择出最终的驻车再生转速。而越高的再生转速，再生试验时发动机舱内的温度也就越高，再生工况就越恶劣，所需要的燃油就越多，因此可将4 000 r/min 确定为最终的驻车再生转速。

3 结束语

通过进行驻车再生标定试验，在保证GPF 入口温度在650℃的前提下，得出合理的再生转速和再生时间。这一方面有效减小再生试验过程中的燃油损耗和用户等待时间，能让用户欣然接受所提供的驻车再生方案；另一方面避免长时间的驻车再生试验所导致的发动机舱内长时间高温工作带来的诸多弊端。同时，也可以保证碳颗粒被充分进行再生，清除发动机故障、接触限扭，保证车辆的正常行驶以及良好的燃油经济性。

【参考文献】

[1] GB 18352.6—2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[2] 范明哲， 张宾，Sterzer Alexander， 等. 汽油机GPF 碳载量模型和再生策略的试验研究[J]. 内燃机与动力装置，2018，35（06）：1-10+25.

[3] 李配楠， 程晓章， 骆洪燕， 等. 基于国六标准的汽油机颗粒捕集器（GPF）的试验研究[J]. 内燃机与动力装置，2017，34（01）：1-5.

[4] 马少康， 梁涛， 苏艳君， 等. 排气背压对发动机性能影响的研究[J]. 小型内燃机与车辆技术，2015，44（02）：12-15.

[5] 冯观华， 黄忠添， 练勇超， 等. 汽油机GPF 中颗粒物累积的影响及解决策略[J]. 内燃机与配件，2023（14）：33-35.

作者简介：

李耀富，本科，工程师，研究方向为GPF 标定开发。

李懿秘，本科，工程师，研究方向为工艺工程。

周伟才，本科，工程师，研究方向为发动机台架实验。