发动机转速对GPF怠速再生速率影响

2020-11-20王大豪

绿色科技 2020年20期

刘冰，王大豪

(1.重庆车辆检测研究院有限公司，重庆 401122；2.昆明云内动力股份有限公司，云南昆明 650000)

1 引言

2016年国家环保局牵头联合各个机动车检测中心以及国内主流主机厂一同研究并制定了堪称史上最严格的排放法规《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，该部排放法规不仅加严了各种污染物的排放限值，同时还对尾气中的颗粒物排放也做了要求，更为苛刻的是排放测试循环由国五的NEDC测试循环变更为更加复杂和瞬态多变的WLTC测试循环，同时还对实际驾驶(RDE)中的排放限值也做了要求，不仅如此还更进一步对加油过程中的污染物排放做了严格要求[1,2]。根据最新法规要求当国六全面实施时轻型汽车从2020年7月1日起就必须严格执行法规要求，确保颗粒物质量排放不得超过4.5 mg/km，且颗粒物数量排放不得超过6.0×1011个/km，并且3年后将对颗粒物数量排放进行更进一步的加严排放不得超过3 mg/km。在如此严格的排放法规要求下结合当前的发动机技术仅仅依靠发动机机内净化已经完全不能满足排放法规对颗粒物的排放要求了，因此装备汽油机颗粒物过滤系统(GPF)已经是势在必行了的趋势了[3～5]。试验研究结果表明对于缸内直喷发动机而言安装GPF后能有效过滤掉尾气中颗粒物排放的97.5%以上，能够使得较为容易满足法规对颗粒物排放的要全球，因此GPF已经成为车辆是否能够满足国六排放法规的关键装置，配备GPF也必将成为主流趋势。

GPF的物理结构以及颗粒过滤原理与柴油机颗粒捕捉器DPF(Diesel Particulate Filter)基本一致，都是壁流式结构。颗粒物的过滤原理都是当尾气以一定的流动速度通过具有很多孔的壁面时也是常说的“壁流”(Wall-Flow)过程。由于壁流式颗粒捕集器是由很多密集蜂窝状陶瓷体组成，当尾气通过该陶瓷体的时候尾气会被迫从孔道壁面通过，尾气中的颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性4种方式被捕集过滤收集在GPF内。当GPF内的颗粒物收集到一定质量时必须通过特定的方式将颗粒物清除掉，否则大量的碳积累在GPF内会造成发动机排气背压增压影响发动机的性能甚至会引起爆震或早燃。针对GPF积累大量碳量的情况当前清除碳使得GPF达到再生的目的的主要途径有两种，一是,通过整车驾驶循环中通过增加储备扭矩提高GPF入口温度，同时减稀空燃比以达到清除碳量达到再生的目的；二是，在发动机怠速运行状态下通过诊断仪对发动机进行“怠速再生”程序运行，将发动机转速控制在特定转速，减稀空燃比，增加储备扭矩，在3个条件共同作用下达到清除碳量达到再生的目的[6～10]。

本文主要是研究发动机怠速状态下的不同发动机目标转速对“怠速再生”清碳的影响。

2 GPF怠速再生控制策略

2.1 GPF怠速再生机理

GPF再生的主要原理是通过化学反应使得GPF收集的碳转化成二氧化碳或者一氧化碳，具体反应如下：

C+O2→CO2

(1)

C+CO2→CO

(2)

2.2 试验平台

本文试验基于搭载1.5 L排量的缸内直喷发动机的试验车，控制设备包括诊断仪，温度采集设备为测量精度为2 ℃的热敏电偶。

3 结果与分析

本文主要通过ETAS INCA7.2控制发动机“怠速再生”控制期间的目标转速，研究其对“怠速再生”速率的影响。

3.1 不同目标转速对“怠速再生速率”影响

图1为“怠速再生”期间不同“怠速再生”目标转速下的排气温度及催化器温度、GPF入口温度、GPF载体温度。从图可知提高“怠速再生”目标转速发动机排气温度，催化器温度，GPF入口温度以及GPF载体温度均得到显著升高。分析原因：提高“怠速再生”目标转速升发动机的摩擦阻力会增加，为维持发动机稳定运行，发动机需要克服更多的阻力因此需要更多的指示功率，因此需要增加进气流量，时由于“怠速再生”的目标转速增加了排气流速会相应增加能够相应减少传热损失。

图1 不同目标转速对各温度影响

3.2 不同目标转速下排气流量及“怠速再生速率”

图2为不同“怠速再生”目标转速下的排气流量及“怠速再生速率”。从图2可知当“怠速再生”目标转速增高，发动机排气流量及“怠速再生”速率均显著增加。分析原因：由图1得知当提高发动机“怠速再生”目标转速，会促使GPF载体温度升高，当GPF载体温度升高则化学反应(1)和(2)的反应温度升高能够极提高反应速率，同时由于排气流量增大参与反应的氧含量也更多也能进一步增大反应速率。