GPF被动再生烧蚀影响因素分析

刘子强

联合汽车电子有限公司，上海201206

0 引言

轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)提高了汽油直喷(gasoline direct injection，GDI)发动机颗粒物排放标准，其中I型试验排放限值(6a阶段)规定粒子数量(particle number，PN)限值为6×1011个/km，颗粒物(particulate matter，PM)质量限值为4.5 mg/km，6b阶段PN限值为6×1011个/km，PM限值为3 mg/km[1]。由于GDI发动机缸内混合气不均匀，燃烧不充分，部分燃油在缸壁呈液相形态，挥发后直接由排气管排出，产生碳烟，且GDI发动机压缩比较高，容易造成机油及燃油添加剂燃烧，产生灰分[2]。GDI发动机排放的颗粒物主要是直径较小的碳烟及灰分，发动机自身燃烧技术难以达到国六对PN和PM的限值要求[3]，汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)后处理技术可有效降低PM排放，满足国六排放标准。

GPF的材料一般是堇青石，耐受温度为1100～1400 ℃。GPF由具有一定孔密度陶瓷材料制成的蜂窝状多孔过滤器，内部交替封堵，通过拦截、扩散、惯性、重力等方式，捕集发动机尾气中的碳烟及灰分，捕集效率达90%，有效降低PN和PM，减少尾气污染[4-5]。

随着汽车运行里程的增加，GPF捕集PM增多，存储体积减少，发动机排气背压及阻力升高，油耗增加，功率及转矩下降，需定期燃烧积聚的颗粒，清空GPF，进行再生[6-8]。GPF再生过程控制包括再生监控和再生控制，首先判断车辆GPF碳载量是否达到再生需求值，一旦满足再生需求，发动机电子控制单元(electronic control unit，ECU)对进气系统及燃油喷射系统闭环控制，确保GPF安全有效再生。再生过程中还需根据当前运行工况输出目标空燃比和目标再生温度，通过降低空燃比、增加氧流量、推迟点火角、提高排气温度，燃烧GPF中累积的碳颗粒[9-11]。

GPF再生分为主动再生和被动再生，主动再生是ECU通过干预点火角及空燃比，提高后燃期燃烧温度，增加喷油量，燃烧累积碳颗粒[12-14]。被动再生指在车辆行驶过程中，驾驶员松掉油门踏板，发动机开始断油，节气门开度在怠速位置，断油减速过程中，车辆在惯性力作用下继续前行，ECU根据车辆运行参数及行驶工况等因素确定当前回油转速(即当发动机的转矩不足以推动车辆前行，发动机有熄火风险时的转速)，当发动机转速下降至设定回油转速时，ECU控制节气门开度增大，大量氧气进入GPF，混合气偏稀，碳颗粒燃烧剧烈，实现GPF再生。本文中针对某车辆GPF烧蚀现象，分析故障原因，测量不同碳载量不同回落时间下GPF入口温度、出口温度、床温，研究GPF满足国六排放标准要求的最佳控制条件。

1 故障分析

某车辆GPF故障灯点亮，拆解后发现GPF中心位置有烧蚀现象，更换加装热电偶的新GPF，进行车辆低转速大负荷累碳驾驶试验，并测量断油时GPF入口温度与GPF床温变化，如图1所示。由图1可知：车辆断油时，激发被动再生，GPF入口温度为670 ℃，再生过程中GPF床温迅速上升，峰值接近1400 ℃。测得断油时GPF碳载量为8 g，拆解GPF，出现类似烧蚀现象。烧蚀原因主要是被动再生过程中，碳颗粒燃烧温度过高，GPF中心位置温度超过耐受温度。

图1 车辆断油时GPF温度变化

影响被动再生过程GPF温度变化的主要因素是最大碳载量和断油后转速回落时间。最大碳载量指在车辆断油再生后，GPF最高床温不超过1100 ℃时的碳载量。断油后转速回落时间指发动机从开始断油到转速下降至回油转速的时间。

2 试验方案及分析

根据该发动机台架基本测试数据，发动机开始被动再生时，转速为5200 r/min，转矩为127 N·m，GPF入口最大温度为730 ℃，记录GPF被动再生过程中发动机转速、节气门开度及空燃比的变化，如图2、3所示。由图2、3可知：GPF被动再生过程中，发动机转速从5200 r/min降低到怠速，节气门开度从100%降到0，空燃比从1升至最大32。

图2 被动再生过程发动机转速与节气门开度变化

图3 被动再生过程空燃比变化

设置GPF碳载量分别为4、5 g，进行快速累碳台架试验，当达到再生需求时，ECU控制发动机断油，GPF被动再生，测量不同转速回落时间下GPF入口温度、GPF床温、GPF出口温度的变化。具体试验过程如下：1)每次试验前对空载的GPF称质量，确定基准质量；2)每次试验以相同的低转速大负荷工况快速累碳，通过GPF压差、累碳时间及AVL 483积分值综合估计累碳质量为4 g(第2组试验为5 g)，并拆下GPF称质量，确定累碳质量；3)调整转速为5200 r/min，转矩为127 N·m进行被动再生，等待GPF入口温度稳定在730 ℃左右；4)更改ECU回油转速，调整不同的转速回落时间，进行断油操作；5)转速回落到回油转速后，ECU控制发动机恢复供油，GPF再生；6)再次断油后恢复供油，清除GPF碳载量，以便进行下次试验；7)重复以上步骤3次，调整转速回落时间分别为20、30、40 s。碳载量为4 g时不同被动再生转速回落时间下GPF温度测试曲线如图4所示。

a)20 s b)30 s c)40 s

由图4可知：碳载量为4 g被动再生时，GPF内部发生剧烈的燃烧反应，不同转速回落时间下GPF温度变化趋势整体一致，GPF床温有明显上升；GPF入口温度由于排气流量减小，在断油后缓慢下降；GPF出口温度基本变化不大，持续一段时间后下降；GPF出口温度与GPF床温存在差别，随着回落时间的增加，持续增加的排气流量带走部分热量，最高床温下降；碳载量为4 g时在不同转速回落时间下最高GPF床温为980 ℃，没有达到耐受温度1100 ℃的限值。

GPF碳载量为5 g断油被动再生时，测量不同转速回落时间下GPF入口温度、GPF床温、GPF出口温度的变化，具体试验过程与4 g断油被动再生时相同，但快速累碳量为5 g，转速回落时间分别调整为10、30、40 s。碳载量为5 g时被动再生不同转速回落时间下GPF温度测试曲线如图5所示。

a)10 s b)30 s c)40 s

由图5可知，碳载量为5 g被动再生时3种GPF温度的变化趋势和碳载量4 g时基本一致，但GPF最高床温升高，回落时间为30 s 时GDF床温最高，为1025 ℃，考虑到累碳模型的相对偏差为5%，该温度接近载体耐受温度1100～1400 ℃。

由于不同的转速回落时间影响转矩波动、点火角等，与车辆行驶性能密切相关，不能将转速回落时间作为限定条件，故GPF碳载量5 g作为被动再生的限制条件。当ECU控制器检测到GPF碳载量大于5 g时，不再触发被动再生，使床温低于1100 ℃的限值。采用更新数据后的ECU控制器进行车辆测试，监测被动再生过程中GPF床温均低于1100 ℃，不再发生GPF烧蚀，有效解决故障问题。

3 结语

该车型台架模拟试验中GPF最大碳载量为5 g 时，GPF床温最高，接近耐受温度，有烧蚀风险；汽油机ECU控制器将GPF最大碳载量为5 g作为被动再生的控制条件，有利于准确地控制被动再生，解决GPF烧蚀故障，满足国六排放标准。