汽油颗粒捕集器(GPF)累碳及再生状态研究

李树宇

(奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖 241000)

0 引言

汽油机颗粒捕集器GPF是从排放后处理的角度降低颗粒物排放的手段之一。在车辆排气系统中安装GPF之后，可过滤掉近90%的颗粒物排放。但GPF在捕集了一定量的颗粒物之后，需要发动机创造条件使其高温再生，且GPF本身有一个最大热应力的承受范围。这就需要发动机控制系统对GPF的状态加以了解[1-9]，并对累碳过程、再生过程施以精确的控制。本文通过冬季低温试验采集冷启动数据对累碳情况进行研究；通过整车路试研究累碳情况以及再生功能和模型，并以接近用户使用车辆的方式验证模型。

1 试验对象及试验方案设计

1.1 试验对象

试验发动机为直喷汽油(gasoline direct injection, GDI)电控增压发动机，该发动机配置汽油机颗粒捕集器(gasoline particle filter, GPF)。发动机的基本技术参数见表1。

表1 发动机基本技术参数

1.2 试验方法

冷启动累碳试验方法：在冬季低温环境试验中，在-30℃～0℃下起动车辆，怠速行车2～3 km，然后熄火停车，每天2次冷起动，间隔时间6 h以上，重复此步骤，5天后拆掉GPF进行保温称重。

整车累碳试验方法：模拟客户需求，在城市、乡村、高速各工况下每1 000 km里程拆掉GPF进行保温称重。

主动再生和服务再生：首先快速累碳到一定的值(满载的38%～50%)，车速大于50 km/h下研究主动再生的烧碳情况，并拆掉GPF进行保温称重；服务再生研究3 000 r/min、3 700 r/min下的碳模型以及烧完的时间。

共有2台车辆参与试验，冷起动累碳和再生试验在1台车辆上完成，整车累碳在另1台车辆上完成。

1.3 GPF模型

通过发动机管理系统，对不同转速和负荷建立发动机碳烟的原始模型[10-11]，然后以空燃比、水温，启动温度等对发动机GPF装置之前的尾气排放进行修正，从而建立GPF的累碳模型，即为发动机控制系统测到的模型值；通过高温炉干燥保温，天平称重，得到碳烟的称重实际值；从而对模型值与实际值进行比对，如有偏差，对GPF的累碳模型进行修改，保证模型合理，且在误差范围内。

1.4 试验设备

拆装、保温以及称重所需要相关设备及其工作参数见表2。

表2 GPF标定设备资源列表

2 试验结果分析

2.1 低温冷启动累碳、整车累碳分析

低温冷启动下GPF模型累碳值和实际称重值对比。如图1、图2所示，经过不同低温的冷启动试验发现，在启动暖机过程中，由于发动机在低温下阻力大，机油粘度大，启动到暖机过程空燃比较浓，生成的碳烟量较多。在温度较低的区域，比如东北区域，按照一天两次冷启动，并行驶2～3 km，正好是城市工况。结合图1、图2可以得知，试验期间一共进行了10次冷启动，模型累碳1.51 g，共行驶30 km左右，达到累碳报警阀值7 g时，大概行驶了140 km。24天左右，车辆仪表盘提示用户跑高速，进行GPF的再生；从图2可以看出，模型值比实际值控制误差在30%以内。控制误差30%是由控制系统供应商提供的。通过冷启动累碳，可以为我们设置亮灯阀值、进行整车再生提供经验。

图1 不同低温冷启动下累碳量及累碳增量变化曲线

图2 模型碳载量和实际称重值对比偏差图

由图3、图4可知，该动力总成搭载的GPF整车实际总共跑了4辆车，城市工况4轮；郊区工况5轮；高速工况3轮。高速工况实际累碳量为负值，分析应为出现了被动再生的情况。由于GPF模型温度较高，超过了600℃，如果有偏稀空燃比出现就会有碳燃烧，导致实际累碳减少；城市路况和乡村路况的GPF模型温度在400℃左右，碳一直在累积，且实际碳载量不大于模型碳载量，但模型碳载量不大于实际碳载量的30%，模型控制合理；随着行驶里程的增加，累碳量基本呈现线性增加的趋势，大致每1 000 km增加1 g左右的碳，可以据此分析采用的数据是否合理以及为其他搭载GPF的动力总成提参考。

图3 累碳量随整车行驶里程的变化曲线

图4 三种工况下的累碳对比

2.2 主动再生分析

通过推迟点火角、加浓空燃比快速累积一定的碳载量，用天平称重为8.5 g。当车速大于40 km/h，会进入再生工况，使得GPF中的碳被烧掉，可以看出模型值从8.5 g烧到5.6 g、实际称重值从8.5 g烧到4 g。说明实际烧碳量较多，不会存在GPF被堵的风险、模型偏差控制在30%以内，说明主动再生功能正常，且可以减少PM排放。

图5 主动再生情况及模型偏差图

2.3 服务再生分析

当车辆仪表盘提示客户跑高速进行主动再生时，此时如果还是行驶在城市低速工况，会导致累碳速率始终大于再生速率，达到阀值以后提示客户到4s店进行服务再生，以清除GPF的碳载量。下图为3 000 r/min、3 700 r/min下的驻车服务再生及再生的时间分析。

3 700 r/min和3 000 r/min下驻车服务再生的结果如图6～图8所示。在3 700 r/min下需要2个循环将15 g累碳量全部烧完、每个循环结束用时53 min，且模型烧碳量小于实际烧碳量，模型的误差控制在30%以内；而3 000 r/min下需要4个循环才能将17 g累碳量全部烧完，且模型存在偏差，需要客户在4s店驻车高怠速将近4 h左右，且需要耗时耗油，会引起用户的抱怨；由于在驻车服务再生过程中空燃比在1.1附近，点火角也推迟较大，点火效率低，从而排气系统的热量大，前舱温度超过零部件的阀值，造成车辆自燃的风险。通过验证认为在3 700 r/min下既能减少用户的抱怨，在短时间内将碳燃烧掉，还能使GPF的温度不至于太高。研究认为3 700 r/min下进行驻车服务再生比较合理。

图6 3 700 r/min下服务再生及模型偏差

图7 3 000 r/min下服务再生及模型偏差

图8 3 000 r/min下服务再生及模型偏差

3 结论

通过对该动力总成匹配整车的低温冷启动累碳和整车工况累碳及再生工况的试验，得到了以下几点结论，为整车GPF标定奠定了理论基础，也可供汽油机标定工程师参与其他项目做参考。

(1)低温冷启动是整车累碳的主要工况，在东北等较冷地区，长时间行驶城市工况在1个月之内仪表盘会亮发动机故障灯，为减少用户的抱怨，综合考虑增加整车累碳量的限值；模拟用户常用工况发现，城市、郊区工况是累碳的区域，每1 000 km累碳1 g左右，高速工况下不会有碳载量产生，主要是GPF温度高，在高速高负荷下积碳被烧掉了；

(2)整车路试中，在车速达到一定值后，能够进入到服务再生工况，服务再生功能正常，且实际烧碳量多于模型烧碳量，GPF没有被堵塞的风险；对比3 700 r/min、3 000 r/min下的驻车服务再生后发现，保证积碳可以被烧的前提下，兼顾减少用户的抱怨、减少因GPF再生温度过高导致的车辆自燃的分险。因此，在3 700 r/min条件下进行服务再生较为合理。