劉 冰，王大豪

(1.重慶車輛檢測研究院有限公司，重慶 401122；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，云南 昆明 650000)

1 引言

2016年國家環(huán)保局牽頭聯(lián)合各個機動車檢測中心以及國內(nèi)主流主機廠一同研究并制定了堪稱史上最嚴(yán)格的排放法規(guī)《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，該部排放法規(guī)不僅加嚴(yán)了各種污染物的排放限值，同時還對尾氣中的顆粒物排放也做了要求，更為苛刻的是排放測試循環(huán)由國五的NEDC測試循環(huán)變更為更加復(fù)雜和瞬態(tài)多變的WLTC測試循環(huán)，同時還對實際駕駛(RDE)中的排放限值也做了要求，不僅如此還更進一步對加油過程中的污染物排放做了嚴(yán)格要求[1,2]。根據(jù)最新法規(guī)要求當(dāng)國六全面實施時輕型汽車從2020年7月1日起就必須嚴(yán)格執(zhí)行法規(guī)要求，確保顆粒物質(zhì)量排放不得超過4.5 mg/km，且顆粒物數(shù)量排放不得超過6.0×1011個/km，并且3年后將對顆粒物數(shù)量排放進行更進一步的加嚴(yán)排放不得超過3 mg/km。在如此嚴(yán)格的排放法規(guī)要求下結(jié)合當(dāng)前的發(fā)動機技術(shù)僅僅依靠發(fā)動機機內(nèi)凈化已經(jīng)完全不能滿足排放法規(guī)對顆粒物的排放要求了，因此裝備汽油機顆粒物過濾系統(tǒng)(GPF)已經(jīng)是勢在必行了的趨勢了[3～5]。試驗研究結(jié)果表明對于缸內(nèi)直噴發(fā)動機而言安裝GPF后能有效過濾掉尾氣中顆粒物排放的97.5%以上，能夠使得較為容易滿足法規(guī)對顆粒物排放的要全球，因此GPF已經(jīng)成為車輛是否能夠滿足國六排放法規(guī)的關(guān)鍵裝置，配備GPF也必將成為主流趨勢。

GPF的物理結(jié)構(gòu)以及顆粒過濾原理與柴油機顆粒捕捉器DPF(Diesel Particulate Filter)基本一致，都是壁流式結(jié)構(gòu)。顆粒物的過濾原理都是當(dāng)尾氣以一定的流動速度通過具有很多孔的壁面時也是常說的“壁流”(Wall-Flow)過程。由于壁流式顆粒捕集器是由很多密集蜂窩狀陶瓷體組成，當(dāng)尾氣通過該陶瓷體的時候尾氣會被迫從孔道壁面通過，尾氣中的顆粒物分別經(jīng)過擴散、攔截、重力和慣性4種方式被捕集過濾收集在GPF內(nèi)。當(dāng)GPF內(nèi)的顆粒物收集到一定質(zhì)量時必須通過特定的方式將顆粒物清除掉，否則大量的碳積累在GPF內(nèi)會造成發(fā)動機排氣背壓增壓影響發(fā)動機的性能甚至?xí)鸨鸹蛟缛?。針對GPF積累大量碳量的情況當(dāng)前清除碳使得GPF達(dá)到再生的目的的主要途徑有兩種，一是,通過整車駕駛循環(huán)中通過增加儲備扭矩提高GPF入口溫度，同時減稀空燃比以達(dá)到清除碳量達(dá)到再生的目的；二是，在發(fā)動機怠速運行狀態(tài)下通過診斷儀對發(fā)動機進行“怠速再生”程序運行，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制在特定轉(zhuǎn)速，減稀空燃比，增加儲備扭矩，在3個條件共同作用下達(dá)到清除碳量達(dá)到再生的目的[6～10]。

本文主要是研究發(fā)動機怠速狀態(tài)下的不同發(fā)動機目標(biāo)轉(zhuǎn)速對“怠速再生”清碳的影響。

2 GPF怠速再生控制策略

2.1 GPF怠速再生機理

GPF再生的主要原理是通過化學(xué)反應(yīng)使得GPF收集的碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳或者一氧化碳，具體反應(yīng)如下：

C+O2→CO2

(1)

C+CO2→CO

(2)

2.2 試驗平臺

本文試驗基于搭載1.5 L排量的缸內(nèi)直噴發(fā)動機的試驗車，控制設(shè)備包括診斷儀，溫度采集設(shè)備為測量精度為2 ℃的熱敏電偶。

3 結(jié)果與分析

本文主要通過ETAS INCA7.2控制發(fā)動機“怠速再生”控制期間的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，研究其對“怠速再生”速率的影響。

3.1 不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速對“怠速再生速率”影響

圖1為“怠速再生”期間不同“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的排氣溫度及催化器溫度、GPF入口溫度、GPF載體溫度。從圖可知提高“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速發(fā)動機排氣溫度，催化器溫度，GPF入口溫度以及GPF載體溫度均得到顯著升高。分析原因：提高“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速升發(fā)動機的摩擦阻力會增加，為維持發(fā)動機穩(wěn)定運行，發(fā)動機需要克服更多的阻力因此需要更多的指示功率，因此需要增加進氣流量，時由于“怠速再生”的目標(biāo)轉(zhuǎn)速增加了排氣流速會相應(yīng)增加能夠相應(yīng)減少傳熱損失。

圖1 不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速對各溫度影響

3.2 不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下排氣流量及“怠速再生速率”

圖2為不同“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速下的排氣流量及“怠速再生速率”。從圖2可知當(dāng)“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速增高，發(fā)動機排氣流量及“怠速再生”速率均顯著增加。分析原因：由圖1得知當(dāng)提高發(fā)動機“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速，會促使GPF載體溫度升高，當(dāng)GPF載體溫度升高則化學(xué)反應(yīng)(1)和(2)的反應(yīng)溫度升高能夠極提高反應(yīng)速率，同時由于排氣流量增大參與反應(yīng)的氧含量也更多也能進一步增大反應(yīng)速率。

圖2 不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下排氣流量及“怠速再生速率”

4 結(jié)論

(1)提高“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速能夠提高發(fā)動機排氣溫度、催化器溫度以及GPF載體溫度、排氣流量。

(2)提高“怠速再生”目標(biāo)轉(zhuǎn)速在提高GPF載體溫度及排氣流量的共同作用下能夠顯著提高“怠速再生”速率。