上汽大众Viloran车颗粒捕集器及其再生机制

李东江

汽油燃烧都会产生一定量的有害成分，在空燃比λ=1时的废气组成情况如图1所示。由图1可知，汽油机燃烧时产生的颗粒物排放非常微小，但却对环境和人们的身体健康会造成伤害，因此排放法规对颗粒物的排放水平要求越来越高（表1），为了满足国6排放标准的排放限值要求，减少颗粒物的排放，上海大众有针对性地采取了一些技术措施，一是提高燃油喷射压力，直喷发动机怠速的燃油压力已经达到了大约100 bar（1 bar=100 kPa），最高燃油压力提到了大约350 bar，从而使燃油液滴更小，燃油雾化速度更快，燃油燃烧更充分，减少了颗粒物的生成；二是通过改进发动机的燃烧室、喷油器结构和控制喷油正时，减少颗粒物的排放；三是在部分汽油发动机上加装了颗粒捕集器（OPF）。目前大众EA211 1.5 L MPI发动机和EA888 2.0T高功率（162 kPa）的发动机不带OPF；EA211 TSI发动机和C6 2.5T发动机都带有OPF；EA888 2.0TBZ低功率发动机，全新帕萨特、途岳车型不带OPF，其他车型都带OPF。

表1 国6Ⅰ型试验排气污染物的限值及和国5排放标准的对比（单位：mg/km）

图1 汽油机在空燃比λ=1时排放的废气组成情况

1 汽油机颗粒物的生成机理及排放限制

汽油在气缸中燃烧生成的颗粒物主要由炭灰和尘灰两种物质构成。

（1）炭灰颗粒。炭灰颗粒主要由碳组成。当没有足够的氧气来完全燃烧含碳燃料或者燃料没有充分雾化时，就会形成炭灰，因此，直喷发动机在低温冷起动后的短时间内更容易产生炭灰颗粒。为了防止燃烧生成的炭灰颗粒随着排气排入大气，污染环境，目前公认的最有效的解决颗粒物排放的方式是在排气系统中用加装OPF，将燃烧生成的炭灰颗粒捕捉住。但随着OPF捕捉住的炭灰颗粒增多，会造成发动机排气不畅、排气阻力增加、排气背压升高，从而造成发动机加速不良、加速无力、动力不足、油耗增加。因此，OPF捕捉住汽油燃烧生成的炭灰颗粒并不是难事，难的是捕捉住这些炭灰颗粒之后怎么办？对于装备有OPF的车辆，都设计有OPF的再生机制，当OPF捕捉到的炭灰颗粒物达到一定量的时候，系统便会起动OPF再生，通过高温、过量氧气来燃烧掉OPF捕捉到的炭灰颗粒。由此可见，OPF中的炭灰颗粒沉积是可逆的，只要控制好OPF的再生，便可以确保OPF长期有效的工作，有效控制颗粒物的排放。

（2）尘灰颗粒（灰分）。一方面空气中含有大量的颗粒物，通过进气管道进入燃烧室，这些颗粒物在燃烧室中是无法燃烧的，也会随着排气进入排气系统，被OPF捕捉住；另一方面，在发动机工作过程中，机油多多少少总是会进入气缸的，再加上通过发动机曲轴箱通风系统进入气缸的机油，而机油中含有硫磷镁等元素、灰分、各种各样的添加剂，此类物质进入燃烧室，燃烧后会产生大量的尘灰颗粒。尘灰颗粒同样会被OPF捕捉住，但是由于尘灰颗粒在OPF再生期间是不会被烧掉的，随着时间的推移，尘灰颗粒在OPF中沉积过多，依然会导致OPF堵塞，此类的OPF堵塞是不可逆的，只能采用物理的方式进行清除，这就希望装有OPF的车辆尽量不产生或者少产生尘灰颗粒，因此对于装备用OPF的汽油发动机，需要有针对性地使用低硫磷、低灰分的0W-20机油（对于大众车型，要求使用通过大众VW508认证的机油，或使用通过ACEA的C系列标准或ILSAC的GF-6认证的机油）。一般来说，对于装备OPF的车辆，机油的使用信息都会在机油加注口盖上进行标注。

2 上汽大众Viloran车发动机OPF系统的构成和工作原理

像上汽大众Viloran车装备的DKX 2.0 L直喷发动机，最大功率为162 kW，最大转矩为350 N·m，其燃油最高喷射压力为350 bar，采用按需调节的燃油供给系统和机油供给系统、凸轮轴通过正时链条驱动、进排气侧的双凸轮轴调节器和排气侧气门升程调节系统（AVS），其排气管集成在气缸盖中，带有用于发动机温度调节执行元件（N493）的创新型热管理系统，并通过带有电动废气旁通阀的废气涡轮增压器进行增压，且带有燃油箱泄漏诊断系统。由于其将高压燃油压力提升到了350 bar，并优化了高压喷油器，改善了喷油雾化性能，从而降低了颗粒物的排放，即便其在排气系统中不使用OPF装置，其颗粒物数量（PN）的排放量也低于国6b排放标准要求的限值（6.0×1011个/km），因此该发动机就不带OPF装置。而上汽大众Viloran车装备的DPL 2.0 L双喷射发动机，最大功率为137 kW，最大转矩为320 N·m，其燃油的最高喷射压力为250 bar，虽然同DKX发动机一样，也采用按需调节的燃油供给系统和机油供给系统、凸轮轴通过正时链条驱动，其排气管集成在气缸盖中，带有用于发动机温度调节执行元件（N493）的创新型热管理系统，并通过带有电动废气旁通阀的废气涡轮增压器进行增压，带有油箱泄漏诊断系统，该发动机也采用进排气侧的双凸轮轴调节器和气门升程调节系统（AVS），只是该发动机是进气侧气门升程调节系统（AVS）。由于该发动机的高压燃油压力为250 bar，在排气系统中不加装OPF，其颗粒物数量（PN）的排放无法达到国6b排放限值的要求（6.0×1011个/km），因此该发动机的排气系统中就必须装备有OPF。

图2所示为上汽大众Viloran车尾气排放系统的布局，由图2可知，该车尾气排放系统的布局是三元催化转化器在前端，其上下游各有一个氧传感器（三元催化转化器上游氧传感器GX10和三元催化转化器下游氧传感器GX7），之后才是OPF装置，在OPF的上下游各安装有一个温度传感器（OPF上游温度传感器G506和OPF下游温度传感器G527）和一个压差传感器（G1037），压差传感器用于监测OPF上下游的压差，ECU根据压差传感器的信号来判断OPF的堵塞程度。当压差传感器监测到的OPF上下游的压差超过设定的限值时，将触发OPF的再生程序对OPF实施再生。

图2 上汽大众Viloran车尾气排放系统的布局

OPF是一种壁流式的颗粒捕集装置，在OPF内部安装有多孔陶瓷材料，过滤体内有很多平行孔道，如图3所示，相邻的两个孔道内一个只有进口开放，另一个只有出口开放，排气从开放的进口孔道流入，通过OPF载体多孔壁面至相邻孔道排出，而颗粒物被滞留在孔道内，从而实现捕集颗粒物的作用。OPF虽然可以有效地捕集排气中的颗粒物，但随着捕集颗粒的增多，排气背压也会升高，影响汽车的动力性和经济性。因此，当OPF中的颗粒累积到一定程度时，通过调节发动机运行工况（例如断油、推迟点火角等），使OPF中的颗粒氧化燃烧，即OPF的再生，去除OPF中的颗粒物，最终实现“捕集－再生－捕集”的良性循环。要实现上述“捕集－再生－捕集”的良性循环，就必须能判断OPF中捕捉到的颗粒物的多少，根据需要启动OPF再生程序，将OPF中捕集到的颗粒物氧化燃烧掉。判定OPF捕捉到颗粒物的多少，可以采用压差法和温差法。

图3 OPF结构和工作原理

研究表明，OPF会对通过的排气产生“阻碍”作用，其阻碍作用主要包括过滤体壁面和覆盖其上的颗粒的流动阻力（ΔPwall）、进出口通道的沿程阻力（ΔPin&out）及排气流入流出时由于截面变化引起的压缩/膨胀阻力（ΔPcont+ΔPexp），这种“阻碍”作用的宏观表现就是压降，即P1和P2会有一定的压力差值（图4）。不同状态下的OPF，其压降表现也不同，当OPF载体发生性能下降，甚至损坏、移除失时，排气流经OPF时的压降就会发生相应变化。上汽大众Viloran车采用压差传感器监测OPF上下游的压差，并将监测到的压差信号以SENT（单边缘渐进传输）信号的形式传输给ECU（J623），ECU据此判定OPF的颗粒物的累积量（堵塞程度），并根据需要启动OPF再生程序。

图4 压差传感器的监测OPF堵塞程度的原理

由于OPF一般是由陶瓷载体（如董青石）制备而成，基于该载体材料热容的存在，在发动机瞬态工况点，变化的排气气流温度流经OPF时，在OPF下游温度相对上游温度会产生一定的“延迟”效应。因此，从物理原理上说，可通过OPF上下游的温度传感器，根据温度变化“延迟”程度的不同（图5），对OPF堵塞程度、移除或丢失进行判定。上汽大众Viloran车OPF上下游各安装有一个温度传感器（图6）监测OPF上下游温度，G506和G527通过共同的连接器GX41将监测到的温度信号以SENT（单边缘渐进传输）信号的形式传输给ECU（J623），ECU也可以据此判定OPF的颗粒物的累积量（堵塞程度），并根据需要启动OPF再生程序。

图5 OPF温度特性

图6 上汽大众Viloran车OPF上下游温度传感器

上汽大众Viloran车OPF系统传感器件的作用和故障影响见表2所列。

表2 上汽大众Viloran车OPF系统传感器件的作用和故障影响

3 上汽大众Viloran车发动机OPF再生

OPF再生取决于OPF的堵塞程度和再生先决条件。OPF再生时OPF温度需足够高并且λ>1。上汽大众Viloran车OPF共有被动再生、主动再生和车间再生等3种再生类型。被动再生就是车辆在正常行驶时，J623根据传感器计算的OPF颗粒物累积量根据需要启动再生程序进行的，被动再生在没有使用特殊措施的情况下持续进行，客户基本没有异常感受。尽管存在被动再生，但如果驾驶人的驾驶行为不满足被动再生需求，OPF中的颗粒物累积量超过一定数值后，仪表盘显示屏上的OPF警告灯会亮起黄灯，系统也会启动关闭自动启动功能等措施，此时驾驶人会感到车辆动力不足、加速不良、油耗增加等异常情况，出现这种状态，可以保持发动机较长时间的高速运行以满足主动再生的要求，实现OPF的再生。在某些情况下，如果主动再生在车辆行驶期间仍无法满足需求，OPF中的颗粒物累积量超过设定的限值，仪表盘上的OPF警告灯会亮起，同时发动机管理系统将额外点亮发动机故障灯和EPC指示灯，发动机动力输出受限，在仪表盘上还会显示OPF需要再生的信息，出现此种情况驾驶人就需要到服务站进行车间再生。上汽大众Viloran车2.0TBZ发动机DPL的OPF再生策略见表3所列。通过使用故障检测仪的引导型功能可以执行OPF的维护再生，在执行OPF维护再生的过程中要注意安全提示和满足OPF再生要求的条件，成功的OPF再生可以使颗粒物的累积量降低到低水平，完成再生后OPF可完全正常使用。

表3 上汽大众Viloran车2.0TBZ发动机DPL的OPF再生策略