(奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241000)

0 引言

隨著國六排放法規(guī)的實施，顆粒物排放的質量和數(shù)量都納入了控制監(jiān)管范圍。尤其是直噴汽油機，其循環(huán)顆粒物排放量是進氣道噴射汽油機的10倍以上。從降低原始排放著手，已開發(fā)出許多降低顆粒物排放的手段。比如，燃油噴射壓力從20 MPa提高到35 MPa，同時采用多孔噴油器。但因發(fā)動機的設計、制造工藝的差異，其降低顆粒物排放的效果略有不同[1-4]。從排氣后處理的角度來降低顆粒物排放，汽油機顆粒捕集器GPF(Gasoline Particle Filter)便應運而生。它可過濾近90%的顆粒物排放，但GPF捕集了一定量的顆粒物后，需要合適的條件才能將累積的顆粒物燃燒掉，而且GPF也有最大的熱應力承受范圍[5-7]。因此，本文采用試驗方法對GPF的狀態(tài)進行分析，研究影響GPF功能和性能的因素，從而針對GPF的再生過程施以精確的控制。

1 試驗對象及試驗系統(tǒng)設計

試驗發(fā)動機為車用汽油直噴(gasoline direct injection, GDI)電控增壓發(fā)動機，其配置了汽油機顆粒捕集器(gasoline particle filter, GPF)。發(fā)動機的基本技術參數(shù)如表1所示。

發(fā)動機GPF臺架需要做碳的累積和再生，工作周期長。因此，設計了GDI發(fā)動機匹配試驗專用臺架。該專用臺架具有能夠根據(jù)要求控制發(fā)動機良好運行、檢測發(fā)動機參數(shù)、在線修改數(shù)據(jù)等優(yōu)點。試驗系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

表1 GDI電控增壓發(fā)動機基本技術參數(shù)

2 試驗方法

首先，分別測試GPF碳載量為18 g和原始無碳載量時，發(fā)動機轉速從2 000 r/min增加至5 500 r/min、油門全開的外特性性能；然后，在碳載量為5 g時，切斷燃油系統(tǒng)供油，燃油中斷時間分別為20 s、30 s、40 s，測試發(fā)動機性能，并觀察GPF的溫度變化；再在GPF中心溫度達到650 ℃時，改變發(fā)動機運行工況，使之至氧流量從200 mg/s增至 1 000 mg/s，其間變化間隔為100 mg/s；再在氧流量為600 mg/s時，改變發(fā)動機運行工況，使GPF中心溫度從500 ℃增至800 ℃，其間變化間隔為50 ℃；最后，在碳載量分別為0.5 g、2 g、4 g、8 g和12 g的工況下，測試GPF中心溫度、氧流量、碳載量對GPF燃燒速率的影響。

3 試驗結果及分析

3.1 GPF碳載量對性能的影響

GPF碳載量為18 g和原始無碳載量時的發(fā)動機性能曲線如圖2～3。由圖可見， GPF碳載量增加后，發(fā)動機的扭矩和功率的外特性都要比原始無碳載量的低。主要原因是GPF中的碳累積之后，導致排氣背壓增大。為維持同樣的扭矩和功率，須提高轉速和負荷。這說明GPF中碳累積之后會對發(fā)動機性能產(chǎn)生影響，故應及時對GPF進行再生處理。

3.2 GPF中心溫度、碳載量、氧流量對碳燃燒速率的影響

GPF中心溫度、碳載量、氧流量對GPF再生燃燒速率即碳燃燒速率的影響如圖4～6所示。由圖可見，在相同的GPF中心溫度、不同的排氣流量下，隨著氧流量的成倍增加，碳燃燒速率呈現(xiàn)上升趨勢；在相同的排氣流量下，隨著GPF中心溫度的增加，碳燃燒速率幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢；隨著碳載量的增長，碳燃燒速率同樣幾乎呈現(xiàn)線性上升趨勢。這說明GPF中累積了大量的碳，且在高溫高氧流量下更容易發(fā)生碳的燃燒，GPF再生的幾率增大。這從側面反映出對于一定的GPF裝置所能承載的最大碳載量必須是一定的，否則會由于車輛在燃油中斷工況下瞬間會有大量的氧氣進入GPF，導致碳瞬間產(chǎn)生的熱量無法快速散去，進而導致GPF載體溫度超過其耐受的溫度值，最終引起GPF損壞或者擊穿。

3.3 燃油中斷時間對GPF溫度的影響

燃油中斷后發(fā)動機轉速下降。燃油中斷后發(fā)動機轉速下降至怠速的時間定義為轉速回落時間。以碳載量5 g為基礎，測試GPF溫度在轉速回落時間內的變化情況。不同燃油中斷時間下，轉速回落時間內的GPF入口溫度、載體溫度、出口溫度的變化情況如圖7～9所示。由圖可見，GPT載體溫度在燃油中斷后都有明顯的上升趨勢，說明此時GPF內部正在發(fā)生劇烈的碳燃燒反應。由于排氣流量減小，GPF入口溫度在燃油中斷后緩慢下降；而GPF出口溫度在碳燃燒反應發(fā)生時基本保持不變，之后才開始下降。這表明GPF出口溫度無法反應GPT載體溫度的變化。當燃油中斷30 s時，GPF載體最高溫度達到最大，為940 ℃，已接近其耐受的最高溫度，即GPF在碳載量5 g的情況下，如果燃油中斷，則其再生不會存在被燒壞的風險；但是，碳載量>5 g，如果中斷燃油供應勢必會出現(xiàn)GPF的載體最高溫度超過其耐受的最高溫度，GPF有被燒壞的風險。因此，需要精確控制燃油中斷和GPF再生之間的關系。

GPF碳載量為5 g時，不同轉速下，燃油中斷時間對GPF載體最高溫度的影響如圖10所示。由圖可見，燃油中斷20～30 s對GPF載體最高溫度的影響不大。隨著燃油中斷時間的增加，GPF載體最高溫度開始下降。原因是隨著燃油中斷時間的增加，發(fā)動機轉速緩慢下降，使得排氣流量也緩慢減少，持續(xù)高的排氣流量會帶走部分熱量，導致GPF載體最高溫度開始下降。

4 結論

通過發(fā)動機臺架標定試驗，得到了GPF碳載量、GPF中心溫度、氧流量、燃油中斷時間等之間相互影響的規(guī)律，為GPF整車標定奠定了理論基礎，試驗得到的結論如下。

1)GPF中碳累積達一定數(shù)量后，會影響發(fā)動機的性能：扭矩和功率都出現(xiàn)下降。因此，累積的碳必須通過定時再生燃燒掉。

2)排氣溫度越高，氧流量越大，形成了GPF快速燃燒的條件，GPF再生燃燒速率越快；碳載量越多，發(fā)動機瞬間背壓越高，發(fā)動機動力性能受影響越大。

3)GPF積碳后，在燃油中斷工況下，GPT載體溫度會有明顯上升。燃油中斷時間會影響GPF的最高載體溫度，但GPF的出口溫度基本沒有變化。