汽油机颗粒捕集器(GPF)应用匹配参数研究

2020-07-06

柴油机设计与制造 2020年2期

(奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000)

0 引言

随着国六排放法规的实施，颗粒物排放的质量和数量都纳入了控制监管范围。尤其是直喷汽油机，其循环颗粒物排放量是进气道喷射汽油机的10倍以上。从降低原始排放着手，已开发出许多降低颗粒物排放的手段。比如，燃油喷射压力从20 MPa提高到35 MPa，同时采用多孔喷油器。但因发动机的设计、制造工艺的差异，其降低颗粒物排放的效果略有不同[1-4]。从排气后处理的角度来降低颗粒物排放，汽油机颗粒捕集器GPF(Gasoline Particle Filter)便应运而生。它可过滤近90%的颗粒物排放，但GPF捕集了一定量的颗粒物后，需要合适的条件才能将累积的颗粒物燃烧掉，而且GPF也有最大的热应力承受范围[5-7]。因此，本文采用试验方法对GPF的状态进行分析，研究影响GPF功能和性能的因素，从而针对GPF的再生过程施以精确的控制。

1 试验对象及试验系统设计

试验发动机为车用汽油直喷(gasoline direct injection, GDI)电控增压发动机，其配置了汽油机颗粒捕集器(gasoline particle filter, GPF)。发动机的基本技术参数如表1所示。

发动机GPF台架需要做碳的累积和再生，工作周期长。因此，设计了GDI发动机匹配试验专用台架。该专用台架具有能够根据要求控制发动机良好运行、检测发动机参数、在线修改数据等优点。试验系统结构示意如图1所示。

表1 GDI电控增压发动机基本技术参数

2 试验方法

首先，分别测试GPF碳载量为18 g和原始无碳载量时，发动机转速从2 000 r/min增加至5 500 r/min、油门全开的外特性性能；然后，在碳载量为5 g时，切断燃油系统供油，燃油中断时间分别为20 s、30 s、40 s，测试发动机性能，并观察GPF的温度变化；再在GPF中心温度达到650 ℃时，改变发动机运行工况，使之至氧流量从200 mg/s增至 1 000 mg/s，其间变化间隔为100 mg/s；再在氧流量为600 mg/s时，改变发动机运行工况，使GPF中心温度从500 ℃增至800 ℃，其间变化间隔为50 ℃；最后，在碳载量分别为0.5 g、2 g、4 g、8 g和12 g的工况下，测试GPF中心温度、氧流量、碳载量对GPF燃烧速率的影响。

3 试验结果及分析

3.1 GPF碳载量对性能的影响

GPF碳载量为18 g和原始无碳载量时的发动机性能曲线如图2～3。由图可见， GPF碳载量增加后，发动机的扭矩和功率的外特性都要比原始无碳载量的低。主要原因是GPF中的碳累积之后，导致排气背压增大。为维持同样的扭矩和功率，须提高转速和负荷。这说明GPF中碳累积之后会对发动机性能产生影响，故应及时对GPF进行再生处理。

3.2 GPF中心温度、碳载量、氧流量对碳燃烧速率的影响

GPF中心温度、碳载量、氧流量对GPF再生燃烧速率即碳燃烧速率的影响如图4～6所示。由图可见，在相同的GPF中心温度、不同的排气流量下，随着氧流量的成倍增加，碳燃烧速率呈现上升趋势；在相同的排气流量下，随着GPF中心温度的增加，碳燃烧速率几乎呈现线性上升趋势；随着碳载量的增长，碳燃烧速率同样几乎呈现线性上升趋势。这说明GPF中累积了大量的碳，且在高温高氧流量下更容易发生碳的燃烧，GPF再生的几率增大。这从侧面反映出对于一定的GPF装置所能承载的最大碳载量必须是一定的，否则会由于车辆在燃油中断工况下瞬间会有大量的氧气进入GPF，导致碳瞬间产生的热量无法快速散去，进而导致GPF载体温度超过其耐受的温度值，最终引起GPF损坏或者击穿。

3.3 燃油中断时间对GPF温度的影响

燃油中断后发动机转速下降。燃油中断后发动机转速下降至怠速的时间定义为转速回落时间。以碳载量5 g为基础，测试GPF温度在转速回落时间内的变化情况。不同燃油中断时间下，转速回落时间内的GPF入口温度、载体温度、出口温度的变化情况如图7～9所示。由图可见，GPT载体温度在燃油中断后都有明显的上升趋势，说明此时GPF内部正在发生剧烈的碳燃烧反应。由于排气流量减小，GPF入口温度在燃油中断后缓慢下降；而GPF出口温度在碳燃烧反应发生时基本保持不变，之后才开始下降。这表明GPF出口温度无法反应GPT载体温度的变化。当燃油中断30 s时，GPF载体最高温度达到最大，为940 ℃，已接近其耐受的最高温度，即GPF在碳载量5 g的情况下，如果燃油中断，则其再生不会存在被烧坏的风险；但是，碳载量>5 g，如果中断燃油供应势必会出现GPF的载体最高温度超过其耐受的最高温度，GPF有被烧坏的风险。因此，需要精确控制燃油中断和GPF再生之间的关系。

GPF碳载量为5 g时，不同转速下，燃油中断时间对GPF载体最高温度的影响如图10所示。由图可见，燃油中断20～30 s对GPF载体最高温度的影响不大。随着燃油中断时间的增加，GPF载体最高温度开始下降。原因是随着燃油中断时间的增加，发动机转速缓慢下降，使得排气流量也缓慢减少，持续高的排气流量会带走部分热量，导致GPF载体最高温度开始下降。