GPF断油再生控制研究

2021-08-24胡璋林

汽车电器 2021年8期

胡璋林

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230601）

随着《GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）的发布，从2020年7月1日起，国VI标准全面实施。相对于《GB18352.5-2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法》国V标准来说，国VI要求更为严苛，不仅加严了对CO、HC及NOx的控制，同时要求在各个工况都要保持稳定且较低的颗粒物质量（PM）和颗粒物数量（PN）。其中国6a排放标准，PM限值为4.5mg/km，PN限值为6.0×1011个/km；国6b排放标准，PM限值为3mg/km，PN限值为6.0×1011个/km。为了达到国VI法规要求，在后处理系统中增加GPF（汽油机颗粒捕集器）装置几乎成为各大主机厂的标准配置。

1 GPF颗粒捕集器的结构、参数及作用

顾名思义，颗粒捕集器是对发动机的颗粒排放物进行捕集，进而达到降低颗粒物质量和数量的效果。汽油机颗粒捕集器英文全称Gasoline Particulate Filter，简称GPF。一般来说，GPF对颗粒的捕集效率可达90%，甚至更高。

GPF外型一般为圆柱体，内部被分为多个平行于轴向的方形通道，如图1所示。当通道的入口是开口时，出口端就是封闭的；而当通道的入口端是封闭时，出口端就是开口的，且封闭口及开口交错排列布置。

GPF的材料一般是堇青石。一般型GPF的参数、含义及范围大致如表1所示。

2 GPF的工作原理

图1 GPF结构图

表1 GPF相关参数

发动机的排气气流从垂直于轴向的一个端面的所有开口通道流入。由于压差作用，气流在GPF内部穿越通道壁面，排气中的颗粒物此时被通道间的壁面捕集，之后被过滤的排气从垂直于轴向的另一端面的所有开口通道流出。

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，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。所以要适时对GPF进行再生。

GPF的再生主要包含如下两个化学方程式。

1）在GPF内部温度高于500℃，且氧浓度大于0.5%时，发生如下化学放热反应：C+O2=CO2。

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。

由再生原理可以看出：GPF的再生是在高温条件下将碳颗粒氧化成气态排放物CO2或CO排出GPF的过程。由于颗粒物产物中的灰分主要成分是盐类物质（CaO、P2O5、ZnO、SO3、Fe2O3等），所以GPF中的灰分是不可被去除的，会一直囤积在GPF中。随着发动机运行时间的增加，灰分会越积越多，直到由于排气被压得升高，对发动机性能发生显著影响时，更换新的GPF。

3 GPF再生的分类与比较

GPF的再生分为主动再生和被动再生两大类，其中主动再生是通过EMS系统的主动干预，推迟点火角增加排温、减稀空燃比增加氧流量来燃烧掉GPF中累积的碳颗粒。而被动再生以断油再生（主要以驾驶员减速断油阶段发生）为主，利用本身较高的排气温度及断油过程进入的大量空气，实现GPF中碳颗粒的迅速燃烧，这不需要EMS系统的主动干预。

与主动再生过程相比，断油再生可以节约燃油，改善驾驶性，且不需要驾驶员刻意为之，但由于断油再生过程燃烧剧烈，GPF中心温度会迅速升高，甚至烧毁GPF装置，因此很多主机厂在断油再生这块的标定设置十分谨慎，甚至当GPF碳载量稍微高一点时就直接关闭了断油再生的功能。

显然直接粗暴关闭断油再生功能的做法很不妥当，这将导致消费者手中的车辆燃油经济性下降，甚至频繁提示进行主动再生操作，大大降低了消费者满意度和产品竞争力。

为此，合理地运用断油再生功能将是GPF再生标定的一项重要工作，不容小觑！

4 断油再生的标定策略与试验验证介绍

理论允许断油再生碳载量计算如下：

式中：M——理论允许断油再生最大碳载量；CGPF——GPF比热容；mGPF——当前GPF的质量；Tmax——当前GPF最高允许达到的温度；T——GPF当前温度；qc——碳热值。

根据以上计算公式预填断油再生控制表（表2）。

表2 断油再生标定MAP

经过理论计算预填完表2后，需进一步进行试验验证，试验验证步骤如下。

图2 是江淮汽车某款车型GPF断油再生的相关数据情况。图3为某工况点转毂验证过程GPF内温度变化与碳载量变化曲线。

1）使用快速积碳方法，在GPF中累积对应碳载量，称重得到实际碳载量。

2）初始化模型碳载量为实际碳载量值。

3）车辆上整车转毂并固定好，调整好转毂相关系数，关闭主动再生及自动减速断油功能，空燃比设置为0.97（避免再生），驾驶车辆，使GPF中心温度在对应验证温度T0处（以GPF 1/2处热电偶实际温度为依据），调整标定量进行断油操作。当GPF 5/6处热电偶温度值达到最高值时恢复供油，观察GPF 5/6处热电偶实际温度是否超过GPF允许的最大温度值，继续重复上述操作断油、供油，至模型值减少到约定值时，停止车辆，拆下GPF称重。一方面通过试验确认该温度和碳载量工况点断油是否有GPF超温风险，另一方面对模型碳载量进一步修正优化。