汽油机颗粒物捕捉器(GPF)的碳载模型计算介绍

冯观华

摘 要：汽油机颗粒物捕捉器（GPF）能有效地捕集汽车排气中的颗粒物，其过滤效果可接近90%。EMS通过对车辆运行过程中碳颗粒（soot）的生成速率以及系统控制再生过程的碳颗粒（soot）的燃烧速率积分计算，进而计算出GPF中累积的颗粒物的质量。因此对碳颗粒的累积质量及再生质量的计算极其重要。

关键词：汽油机颗粒物捕捉器 颗粒物 累积 再生

1 引言

随着我国汽车的普及率不断提高，以及人民群众对高质量环境的日益重视，我国在2016年底发布了《轻型汽车污染物排放限值及其测量方法（第六阶段）》[1]。国六标准规定了自2020年7月1日起轻型汽车的汽油机颗粒物的数量限值为6.0×1011个/km，颗粒物的质量限值为4.5mg/km，自2020年7月1日起则进一步加严，颗粒物的质量上限为3mg/km。因此各汽车主机厂通过改善原始排放的方式改善颗粒物排放，例如高轨压等机内技术，然而单纯依靠机内技术很难满足严苛的国六法规，因此从排放后处理的角度降低颗粒物排放的手段，即增加汽油机颗粒捕集器（GPF），是轻型汽车应对颗粒物排放限值较为有效的手段。

2 GPF的结构及工作原理

图1为GPF的结构以及过滤尾气中的颗粒物的工作原理图，其蜂窝孔道相邻两端交替堵塞。由于汽车在实际运转过程中，油气不可能混合完全导致燃烧不充分，所以尾气中存在未燃烧完全的颗粒物。尾气从垂直于轴向的GPF入口端面的所有开口通道流入，在压差的作用下，尾气穿越蜂窝孔道载体壁面，尾气中的颗粒物将被过滤在孔道载体壁面内及载体壁面上，而尾气中其它气态物则通过壁面从GPF出口端面的开口通道流出，达到过滤尾气的作用[2]。

3 GPF碳载模型计算策略

如图1所示，GPF内部结构为壁流式结构。通过把尾气中的颗粒物过滤在壁面上达到清除尾气中的颗粒物从而达到国六排放法规要求的颗粒物数量限值及质量限值。然而不断累积在GPF中的颗粒物会引起排气背压的升高，从而影响汽车的动力性及燃油经济性等。因此需要适时地進行再生以烧掉GPF中的碳颗粒物。为了进行再生，需要给GPF创造一个高温富氧的条件以发生化学放热反应C+O2=CO2。通过改变汽车的运行参数如推迟点火等以提高GPF中的温度，通过减稀空燃比增加尾气中的氧含量，从而清除GPF中累积的碳颗粒物。因此需要对正常运转时累积的碳量及再生过程中烧掉的碳量进行精确判断，从而算出GPF中存在的碳颗粒物。

在GPF的实际使用过程中，无法直接测量GPF内的碳载量。目前有两种碳载模型计算策略来预估GPF中的模型碳载量。一种是通过压差传感器测量GPF前后端的压差并结合发动机排气特性参数进行碳载量预估，一种是根据汽车的各种运行参数如发动机转速、负荷、空燃比等来预估GPF中的模型碳载量。

3.1 基于压差传感器的模型碳载量

由于汽车在实际行驶中尾气温度处于动态变化中，气体的温度对气体粘度有一定影响，由图1知，尾气在压差作用下穿越载体壁面排出，尾气气体在穿越过程中会存在先压缩通过载体壁面，通过后又会膨胀开来，因此需要对这些因素进行校正。由文献[3]可知，干净状态下的GPF的压降模型为：

其中C0和C1为需要标定的修正系数，μ为排气动力粘度，ρg为排气密度，Qv为排气体积流量。GPF上的压差传感器实时测量GPF前后端的压差，然后将此压差值经过滤波处理并与压差模型经过一系列公式计算得到一个互相关系数CCF。此CCF值由两部分引起，一是可以被氧化的碳颗粒物（soot），一是不可以被氧化的灰分（ash），所以再经过公式计算修正后得到单纯由soot引起的CCF_soot值。

为了得到CCF_soot值与GPF中实际碳载量的一一对应关系，需要标定这一对应关系，目前标定步骤如下：

①在台架上把GPF装上发动机，然后进行烧碳步骤清除GPF中的碳颗粒物，确保GPF为空载状态，然后在台架上跑自动程序WLTC（全球清轻型车辆测试循环）两次，从而得出空载状态时对应的CCF_soot值。

②与①步骤一样，再分别给GPF快速累碳并实际称重得碳载量为4g、8g、12g、14g时，跑WLTC循环测出对应碳载量时的CCF_soot值。

③由于累积的碳与再生后的碳在结构上存在差异，此差异对测量的CCF_soot值有一定影响，为了减少误差，将②步骤中累有的14g碳再分别烧剩余12g、8g、4g，再跑WLTC循环测出对应碳载量时的CCF_soot值。

将得出的数据进行处理后得出CCF_soot与GPF中碳载量的对应关系：

在汽车的实际行驶过程中，汽车控制模块将算出实际的CCF_soot值，然后根据表1采用插值查表法从而算出GPF中的模型碳载量Msoot_CCF。

3.2 基于发动机原排累积的模型碳载量

3.2.1 GPF累碳速率

在台架实验室，充分热机发动机后，使用AVL MSS 483测量设备，运行表2发动机万有特性每个工况点，从而测出每个工况点的实际碳颗粒物生成速率。

①空燃比修正

在表2发动机万有特性工况点中，当发动机运行在高转速高负荷时，为了保护零部件，控制系统会加浓空燃比以降低排温。所以需要对表2加浓的工况点进行空燃比修正。即加浓工况点在空燃比1时的碳颗粒物生成速率=加浓时该工况点的碳颗粒物生成速率/对应加浓空燃比的修正值。从而得到空燃比为1时表2中工况点的碳颗粒物生成速率，进而填入碳颗粒物生成速率标定量中。为了求出空燃比修正值，分别控制空燃比保持在0.9/0.8/0.7/1.1，测出表2万有特性工况点的碳颗粒物生成速率，通过与空燃比为1时碳颗粒物生成速率对比，从而得出空燃比修正值如表3所示，在汽车实际运行中，当空燃比加浓保护时，系统会根据表3采用插值查表法得出加浓空燃比的修正值以修正碳颗粒物生成速率。

②水温、起动、催化剂加热及过渡工况修正

由于汽车在实际使用时，经常是在发动机冷机状态时启动，在冬天我国北方，发动机水温甚至能达到负20度或者更低。发动机水温低会造成汽油粘度大挥发更不充分，油气混合也更加不完全，从而导致燃烧不充分，更多未燃烧的碳颗粒物直接排出被GPF捕集。在汽车冷启动时，为了确保有足够热量转化为功以启动发动机，系统在发动机启动时会增加喷油量等措施以确保发动机能在冷机状态下启动成功。因此需要进行水温修正、启动修正来修正碳颗粒物生成速率值。在台架试验室进行水温20度及以上温度点修正试验，然后在低温转鼓使仓内温度为-30、-20、-10、0度从而使汽车发动机水温达到对应温度点，进行水温修正及起动修正试验。

催化剂有一特性即起燃温度，在这一温度之前催化剂对气态污染物的转化效率特别低，当温度到达这一温度值之后，催化剂对气态污染物的转化效率迅速提高。在汽车起动后为了尽快使催化加达到起燃温度以降低气态污染物排放，汽车控制系统通过推迟点火角等使到达催化剂的热量增多，直到催化剂达到起燃温度。因此需要修正催化剂加热阶段的碳颗粒物生成速率。通过反复试验，通过对比催化剂加热阶段及关闭催化剂加热功能后对应阶段的碳颗粒物生成速率得出催化剂加热修正系数。

过渡工况修正系数也是通过反复试验对比过渡阶段与稳态时碳颗粒物速率之间的关系，得出过渡工况的修正系数（图2）。

3.2.2 GPF碳颗粒物再生速率

当GPF中累积到一定碳量后，需要進行再生。因此需要标定再生速率模型以计算再生时烧掉的碳载量。再生时主要是温度与氧流量，根据这两个参数来计算再生速率。

如表3，横坐标是GPF中心温度，纵坐标是到达GPF的氧流量。找出定温650℃时各个氧流量时发动机的工况点即发动机的转速、负荷以及空燃比，在台架发动机上给GPF快速累碳并实际称重得4～5g碳，然后依次分别做定温650℃时各个氧流量试验，使GPF处于定温650℃氧流量为一定值时再生一段时间然后拆下称重得出残余碳量，根据烧掉的碳量以及再生时间得出定温650℃某氧流量时的再生速率。同理依次做试验得出定氧500时各个温度的再生速率。汽车在实际驾驶过程中，会有完全松开油门时刻，此时如果系统允许断油，那么GPF中会有大量氧气涌入，快速燃烧掉GPF中的碳，所以需要在台架发动机中手动造断油，算出各个温度下断油时的再生速率。由于GPF中碳载量越多其再生速率越快，因此还需要根据GPF中的碳载量进行修正其再生速率。

若按表4中所有的点全部依次做试验以得出其再生速率，这样项目时间会大大加长，也不理想，所以目前采用做定温650℃、定氧500、断油这些点，得出这些点的再生速率后，利用软件根据已得再生速率值进行外推、拟合其它点的再生速率值，然后进行验证，再细调，使模型烧碳量与实际烧碳量误差控制在30%以内。

基于发动机原排得到的GPF累碳速率在经过GPF过滤效率修正后得最后的累碳速率，基于温度、氧流量得到的GPF碳颗粒物再生速率在经过现有碳载量的修正后得到最终再生速率，两者的差值若为正则经过积分计算后在原有碳载量数值基础上继续累积数值，两者的差值若为负则经过积分计算后在原有碳载量数值基础上减小碳载量数值。

通过CCF值得到的Msoot_CCF值会与图3的GPF碳载模型计算策略得出的Msoot进行比较，其中的最大值会输出作为GPF中最终的模型碳载量。这样使计算得到的GPF模型碳载量精确度更高。

4 结论

通过基于压差传感器、基于发动机原排这两种GPF模型碳载量的计算，然后取两者中的最大值，提高了所得的模型碳载量的精确度，防止因计算的模型碳载量低于实际值时导致颗粒物的不断累积从而造成GPF堵塞影响汽车的性能。

参考文献：

[1]国家环保局，国家质量监督检验局.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB 18352.6—2016[S].北京：中国环境科学出版社，2016.

[2]李配楠，程晓章，骆洪燕，等.基于国Ⅵ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（1）：1-5.

[3]伏军，张续成.汽油机微粒捕集器的碳载量标定试验研究[J].内燃机与配件，2020（11）：1-5.