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        奧迪車型汽油顆粒捕集器的應(yīng)用

        2020-08-11 05:23喀晶元
        汽車與駕駛維修(維修版) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:炭黑溫度傳感器微粒

        文:喀晶元

        關(guān)鍵詞:汽油顆粒捕集器

        2019年我國一線和準(zhǔn)一線城市已經(jīng)提前推行機(jī)動車國六排放標(biāo)準(zhǔn),是目前全球最高的排放標(biāo)準(zhǔn)之一。為滿足新排放標(biāo)準(zhǔn)中對顆粒物排放的限制要求,汽車需要做進(jìn)一步的技術(shù)升級,在原有三元催化器基礎(chǔ)上加裝汽油顆粒捕集器(GPF)。

        圖1 GPF的工作原理

        1.奧迪GPF的技術(shù)說明

        (1)采用雙噴射系統(tǒng)的原因

        在低溫下,直噴發(fā)動機(jī)噴油器與燃燒室之間的路徑較短,從噴油器出來的燃油很難完全霧化。因此,直噴發(fā)動機(jī)在冷起動期間及其后的1~2 min會大量產(chǎn)生PM顆粒物。這也就是奧迪EA888第3代發(fā)動機(jī)采用雙噴射系統(tǒng)的重要原因。在冷起動和低負(fù)荷階段采用多點(diǎn)噴射(MPI),在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷階段采用直噴(FSI),可有效將顆粒物排放降低10倍。

        柴油發(fā)動機(jī)在冷起動以及運(yùn)行中都會產(chǎn)生顆粒物,與之比較,汽油發(fā)動機(jī)只有在冷起動及發(fā)動機(jī)預(yù)熱初始才會產(chǎn)生顆粒物,熱車行駛過程中則不會產(chǎn)生。

        (2)汽油發(fā)動機(jī)排放顆粒物的組成

        汽油發(fā)動機(jī)排放顆粒物由炭黑微粒和塵灰微粒兩部分組成。

        炭黑微粒是燃油在氣缸內(nèi)沒有充分霧化或者沒有獲得充足氧氣達(dá)到完全燃燒而形成的。炭黑微粒主要由炭組成,這些微粒先暫存在顆粒捕集器中,隨后在還原階段會被清除。

        塵灰微粒是由機(jī)油中的添加劑(含硫、鋅、鈣及磷等)燃燒生成。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于冷機(jī)狀態(tài)或者轉(zhuǎn)速很高時,機(jī)油可能會經(jīng)活塞環(huán)或者曲軸箱通風(fēng)裝置進(jìn)入燃燒室,機(jī)油添加劑燃燒時會產(chǎn)生塵灰微粒,顆粒捕集器內(nèi)的塵灰微粒在還原期間不會被燃燒,從而將長久地沉積在顆粒捕集器中。

        (3)GPF的結(jié)構(gòu)和功能

        柴油發(fā)動機(jī)顆粒捕集器(DPF)已有幾十年的發(fā)展歷史,而新出現(xiàn)的GPF的工作原理與DPF是基本相同的(圖1)。但是由于汽油發(fā)動機(jī)的廢氣溫度要高于柴油發(fā)動機(jī),因此GPF由不同材料制成,主體采用的是一種陶瓷材料“堇青石”,其主要化學(xué)成分是硅酸鎂鋁。這個陶瓷模塊上有許多通道,與催化凈化器不同的是,這些通道的末端都是封堵狀態(tài),這樣廢氣只能流經(jīng)多孔的通道壁排出,而炭黑顆粒則會附著在通道壁上,收集在顆粒捕集器內(nèi)。濾清器通道壁的孔隙設(shè)計需滿足過濾0.01~0.05 μm的最小炭黑顆粒。

        (4)GPF的布置形式

        GPF布置形式分為“緊接式GPF”和“車底式GPF”。

        “緊接式GPF”是將GPF直接安裝在渦輪增壓器上,這個安裝位置是理想的,因為顆粒捕集器很快就能達(dá)到還原所要求的600℃。而因發(fā)動機(jī)艙內(nèi)空間狹小,需要將GPF布置在底板處的布置形式稱為“車底式GPF”。奧迪A級車多采用此種布置形式。

        (5)GPF的還原

        發(fā)動機(jī)控制單元根據(jù)進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)負(fù)荷來確定顆粒捕集器中炭黑微粒的積累情況,并定期清除GPF中的炭黑微粒,避免形成堵塞而影響其功能。清除方式是將積存的炭黑微粒燃燒 (氧化)變?yōu)镃02氣體排出,該過程被稱之為還原。還原分為3種類型:被動還原、主動還原和車間還原。

        車輛行駛時,被動還原可在發(fā)動機(jī)控制單元沒有使用特殊措施的情況下持續(xù)進(jìn)行。前提是車輛行駛足夠長的距離,讓汽油機(jī)顆粒捕集器達(dá)到所需的600℃ 。顆粒捕集器在還原期間需要用到氧氣,可通過車輛斷油滑行獲取。如果工作溫度足夠高,炭黑微粒會在這種“額外”氧氣的幫助下燃燒成CO2而排出。

        當(dāng)炭黑微粒的積存量超過一定數(shù)值,且駕駛員的駕駛行為不足以滿足還原需求時,則組合儀表中的顆粒捕集器警告燈會亮起, 提示駕駛員需執(zhí)行一次主動還原駕駛。 駕駛員需進(jìn)行車輛預(yù)熱行駛,使發(fā)動機(jī)處于暖機(jī)狀態(tài),然后提速至80 km/h以上,接著完全松開加速踏板約5 s,讓汽車帶擋滑行,反復(fù)重復(fù)該步驟直到顆粒捕集器指示燈熄滅。此還原過程通常需要5~20 min。

        如果顆粒捕集器中的積累超過設(shè)定的限值,例如駕駛員忽略了還原駕駛請求,或者在某些情況下,主動還原在車輛行駛期間不滿足條件,發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)將額外接通組合儀表的動力系統(tǒng)警告燈。此時,車輛表現(xiàn)為怠速轉(zhuǎn)速升高,發(fā)動機(jī)功率下降,關(guān)閉智能起停和斷油滑行。組合儀表還會有文本信息提示,要求駕駛員前往服務(wù)站檢修。

        車間還原時,服務(wù)站維修人員先為車輛連接300℃以上的耐熱排氣導(dǎo)管,然后利用診斷儀執(zhí)行“GPF的還原檢查”程序。發(fā)動機(jī)提高怠速轉(zhuǎn)速至2 500 r/min,當(dāng)冷卻液溫度超過70℃,則開始執(zhí)行主動還原,在這個還原過程中排氣管會發(fā)出類似于發(fā)動機(jī)缺缸的噪聲,這屬于正?,F(xiàn)象。還原過程大約需要40 min,其中包括10 min的后期冷卻階段。冷卻階段發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速降至1 500 r/min。

        2.GPF的組成

        這里以EA888第3代2.0TFSI發(fā)動機(jī)為例,GPF的組成包括壓差式傳感器G1037、上游廢氣溫度傳感器G495和下游廢氣溫度傳感器G648(圖2)。

        (1)壓差式傳感器G1037

        G1037有2個氣動接口,接口通過軟管分別連接到顆粒捕集器的前、后兩端位置。如果顆粒捕集器內(nèi)積存的炭黑微粒增多了,顆粒捕集器上、下游的排氣壓力差就會增大。

        G1037測量顆粒捕集器上游和下游的廢氣壓力,由此獲得壓差,將信號傳至發(fā)動機(jī)控制單元,發(fā)動機(jī)控制單元利用該信號來確定顆粒捕集器內(nèi)炭黑微粒的積存量,并啟動相應(yīng)的還原過程。

        (2)上游廢氣溫度傳感器G495和下游廢氣溫度傳感器G648

        上游廢氣溫度傳感器G495安裝在顆粒捕集器前端,下游廢氣溫度傳感器G648安裝在顆粒捕集器后端。這2個溫度傳感器用于測量這2處節(jié)點(diǎn)的排氣溫度。二者結(jié)構(gòu)和功能是相同的,都是由熱敏元件和信號處理裝置構(gòu)成。信號處理裝置和熱敏元件相互分開,這樣可防止信號處理裝置位于很熱的廢氣中。

        圖2 GPF的組成

        這2個溫度信號發(fā)送至發(fā)動機(jī)控制單元,發(fā)動機(jī)控制單元使用這2個信號來計算顆粒捕集器內(nèi)的炭黑積存量。此外,這2個溫度信號還用于部件的保護(hù),以避免顆粒捕集器因過高的廢氣溫度而損壞。

        3.GPF的使用注意事項

        奧迪的GPF與整車等壽命設(shè)計,但是,為確保其正常使用壽命,在使用中需要注意以下事項。

        (1)為不影響顆粒捕集器的使用壽命,請避免反復(fù)的短途行駛。

        (2)當(dāng)顆粒捕集器警告燈和動力系統(tǒng)警告燈都處于報警狀態(tài)時,應(yīng)及時到服務(wù)站做“車間還原”。如果炭黑微粒積存達(dá)到極限負(fù)荷狀態(tài),則無法執(zhí)行“車間還原”,只能更換新的顆粒捕集器。

        (3)注意必須使用奧迪原廠機(jī)油,以保障顆粒捕集器的正常使用壽命。

        (4)在車輛使用期間,還需注意使用國六標(biāo)準(zhǔn)燃油,切勿使用劣質(zhì)燃油。

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