史冬敏　閆海東

摘 要：文章討論了臺架顆粒捕集器（以下簡稱GPF）原排標定、定溫定氧燃燒模型、斷油燃燒模型、不同碳量的燃燒速率、最大碳量的標定方法；并呈現了匹配某款發(fā)動機的GPF標定數據。文中提到了趨勢法、仿真法對模型標定進行數據分析和優(yōu)化，優(yōu)化工作流程的同時保證整車標定模型準確度，降本增效，也為應對未來更嚴格的排放法規(guī)（例如正在研討的國Ⅶ和歐Ⅶ）做技術積累。

關鍵詞：顆粒捕集器（GPF） 燃燒模型 原排 碳載量

1 引言

進入2023年，極端天氣包括異常高溫、熱浪、暴雨和颶風等頻繁出現，為降低溫室氣體對全球氣候的影響，已有140多個國家或地區(qū)提出了碳中和目標，各國正在積極探索、實施各項碳減排舉措[1]。研究表明，汽油機顆粒物普遍比柴油機顆粒粒徑小，已證實超細核態(tài)顆粒物PN23（顆粒物粒徑＞23nm）會對人體健康產生嚴重危害[2]。目前正在研討的國Ⅶ計劃引入顆粒物PN10（顆粒物粒徑＞10nm）排放限值，為應對更加嚴格的排放法規(guī)，進一步深入研究顆粒捕集器性能很有必要。

本文主要針對輕型汽油機顆粒捕集器的臺架標定展開探討，進一步探究GPF的各項性能及標定方法。文章使用了原排趨勢校驗方法，臺架原排空燃比修正、水溫修正和動態(tài)工況修正，經原排WLTC趨勢驗證，再整車WLTC碳載模型標定，調整原排模型修正系數，整車原排模型精確度滿足開發(fā)要求，避免大量重復性工作，實現降本增效；碳相關燃燒速率（不同碳量燃燒速率、斷油燃燒速率和定溫定氧燃燒速率）數據使用仿真的方法擬合標定數據，提高準確度同時節(jié)省工作量；另外為了保護GPF在整車上的正常使用，開展了禁止斷油和最大碳量試驗，保護GPF在斷油再生時不會損壞且不影響整車性能。

2 GPF簡介

2.1 GPF結構、過濾原理

汽油機顆粒捕集器，簡稱GPF，是具有捕集和處理顆粒（PM）功能的排氣后處理裝置，有涂覆式和非涂覆式（白載體）之分，涂覆式汽油顆粒捕集器（C-GPF）簡稱四元催化器，即具備顆粒物處理能力，又可轉化氣態(tài)污染物（THC、CO和NOx）。GPF外型一般為圓柱體，常用材料來源是堇青石陶瓷，見圖1，內部被分為多個平行于軸向的方形通道，當通道的入口是開口時，出口端是封閉的；而相鄰通道的入口端是封閉的，出口端是開口的，即封閉口及開口交錯排列布置。

排氣中的氣態(tài)污染物可透過載體壁流出，而PM則被截留并累積在GPF內壁上，其對PM的捕集效率在50%-95%。隨著氧氣濃度不同，GPF溫度在（400～600）℃范圍累積的碳可再生，500℃以上燃燒速率較快，若氧氣充足且溫度高于600℃時，碳再生速率更快，碳燃燒再生可降低GPF背壓。

2.2 GPF再生原理

發(fā)動機燃燒的顆粒物產物中含有碳顆粒（汽油燃燒） 和灰分（機油燃燒）。這些碳顆粒和灰分被GPF捕集，并在GPF中累積。碳顆粒與灰分的積累在前期可提高GPF的過濾系數。但當累積量過大時，發(fā)動機的排氣背壓會上升，油耗增加。所以要適時進行GPF再生。GPF的再生主要包含如下化學方程式：

1）在GPF內部溫度高于500℃，且氣體氛圍中含氧時，發(fā)生如下顯著化學放熱反應；溫度越高，氧含量越高，碳的燃燒速率越大：C+O2=CO2；氧含量不充足時，燃燒更傾向生成CO：C+O2=CO；

2）在GPF內部溫度高于800℃，且沒有氧氣時，發(fā)生如下化學吸熱反應：C+H2O=CO+H2。

2.3 發(fā)動機參數和試驗設備

試驗在一款電控直噴汽油機上進行，發(fā)動機的參數見表1所示，試驗設備包含開發(fā) ECU、AVL公司的電渦流測功機、燃燒分析儀、AVL483微碳煙顆粒物分析儀、恒溫恒濕系統(tǒng)控制試驗室；箱式電阻爐，精度0.05的電子天平。

3 試驗方案

3.1 原排標定試驗

原排標定方法：（1）分別控制空燃比為1.08、1、0.9、0.8、0.7，臺架采集不同轉速負荷下的顆粒物排放，確定空燃比修正值；（2）水溫修正，臺架起動后定工況暖機，初步標定水溫修正相應溫度區(qū)域；（3）動態(tài)修正在線調整參照AVL483曲線，使趨勢一致；（4）WLTC循環(huán)測量離線擬合趨勢一致，再通過WLTC碳載模型試驗，調整修正系數，完成原排標定。

3.2 燃燒速率試驗

3.2.1 術語定義

燃燒速率試驗包括定溫定氧燃燒速率、斷油燃燒速率和不同碳量燃燒速率試驗，術語定義如下：

1）溫度梯度（簡稱溫梯）：單位載體（通常指徑向）長度（cm）的溫度差值，單位℃/cm。

2）燃燒速率：特定的溫度、氧含量條件下，單位時間燃燒的碳量，單位mg/s，見式（1）：

B=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：M1：GPF中累積的碳量；M2：滿足再生條件，再生后殘余的碳量；t1：碳開始燃燒的時間；t2：碳燃燒結束的時間；

注：定義碳量Sot_Des=（3.5～4.5）g；不同碳量燃燒速率起始值Mori=（最大累碳量+2）g。

3.2.2 試驗方法

為實現整車GPF碳量正常再生，評估發(fā)動機減稀、斷油和不同碳量時碳的燃燒速率。

燃燒速率試驗，包括定溫定氧燃燒速率、斷油燃燒速率和不同碳量的燃燒速率，具體步驟包括：（1）確認燃燒速率工況；（2）開始燃燒速率試驗：空載GPF累碳至目標碳量Sot_Des（最大碳載量試驗需累碳至Mori），按照目標燃燒速率，調整空燃比為目標點的空燃比或者直接斷油，記錄數據，計算該點的燃燒速率。

3.2.3 斷油安全性試驗

斷油保護是為避免含碳的GPF在斷油時發(fā)生碳劇烈燃燒而燒壞GPF而開展的試驗，目的是針對不同溫度設置禁止斷油的GPF碳量，以保護GPF。具體試驗方法：（1）GPF斷油保護溫度點600℃～800℃；（2）快速累碳至7g左右，開展600℃的斷油，最高溫度和溫梯均未超限值時，增加相應的碳（例1g碳），至最高溫度或者溫梯超限值；最高溫度和溫梯限值參照載體產品規(guī)范，若超限值，則減少碳量至限值范圍內。

3.2.4 最大碳量試驗

最大碳量試驗標準：外特性點性能下降5%對應的碳量；或增壓器性能包括增壓器轉速和止推軸承是否應力在合理的范圍內，不影響增壓器性能及壽命。分別將空載和不同碳量（例5g、10g……逐步增加碳量）時拉外特性，滿足試驗標準時對應的碳量即為最大累碳量。

4 試驗結果與分析

4.1 原排標定試驗

臺架采集空燃比（lambda）修正和水溫修正的萬有特性數據，并進行水溫修正和動態(tài)工況標定工況點掃點，數據結果見圖2～圖9，可知：（1）空燃比減稀，顆粒物排放量呈降低的趨勢；（2）空燃比加濃，隨著空燃比的加濃，顆粒物排放逐漸增加；（3）隨著轉速和負荷的增加，顆粒物排放呈現增加的趨勢；（4）發(fā)動機水溫越低，產生的顆粒物越多；（5）動態(tài)工況，負荷變化率越大，顆粒物生成越多。

將上述結果集成到軟件中，采集第二次萬有驗證趨勢，見圖10，模型原排與實際原排的趨勢一致；繼續(xù)進行整車重復跑WLTC循環(huán)，實車原排模型碳載量與實際碳載量的模型偏差30%偏差要求，見圖11，整車原排標定WLTC驗證結果滿足開發(fā)目標。

4.2 碳相關燃燒速率

本試驗主要是臺架燃燒模型標定燃燒速率基礎map，根據實際測試數據通過軟件EAMO擬合出軟件數據，為整車GPF提供燃燒模型基礎數據。

1）不同碳量燃燒速率：采用再生溫度和氧含量最常用的范圍，例如GPF實測溫度650℃，氧含量（450～600）mg/s，見圖12，虛線為擬合的不同碳量燃燒速率曲線，隨碳量增加，燃燒速率呈逐漸增加的趨勢。

2）斷油燃燒速率：累積相同碳量，開展不同溫度不同氧含量時燃燒速率試驗。試驗結果見圖13，隨著GPF實測溫度的增加，斷油燃燒速率提高；且GPF中氧含量的增加，燃燒速率也增加。

3）定溫定氧燃燒速率

定溫定氧燃燒速率，隨溫度和氧流量增加而增加的規(guī)律，具體見圖14。

碳相關燃燒速率小結：考慮實際累碳過程中實際累碳量保持在4g左右，故為補充實際累碳量不能保證完全一致的實操情況，采用EAMO軟件擬合碳載量的差異，EAMO擬合標定數據map作為軟件輸入。

4.3 斷油安全性試驗

斷油安全性即找到不同溫度下允許斷油的最大碳量，保證GPF斷油后最高溫度在限值950℃范圍內且接近限值，同時溫度梯度滿足限值300℃/cm的要求；斷油溫度統(tǒng)計試驗得出各溫度下安全斷油碳量。

斷油安全性的結果見表2，禁止斷油map按照相應的溫度和碳載量系數標定，以保護GPF充分被動再生過程中不因為碳量過高導致GPF溫度過高損壞。

4.4 最大碳量試驗

為避免碳量過大對整車性能造成影響，需設定最大碳載閾值。最大碳量標準：外特性點性能下降5%對應的碳量，或者增壓器轉速超限值。

最大碳量的臺架數據結果見圖15，最大累碳量為10g，增壓器轉速不超限值，且增壓器參數經仿真擬合計算增壓器止推軸承承受應力在其標準范圍內，故確定碳載量10g作為軟件標定輸入值。

5 結論

1.本文使用原排趨勢校驗方法，臺架原排空燃比修正、水溫修正和動態(tài)工況修正，經原排WLTC趨勢驗證，再整車WLTC驗證，調整原排模型修正系數，整車原排模型的準確度滿足開發(fā)要求，且避免大量重復工作，實現降本增效；

2.碳相關燃燒速率（不同碳量燃燒速率、斷油燃燒速率和定溫定氧燃燒速率）數據使用仿真的方法擬合出標定數據，提高準確度同時節(jié)省工作量；

3.斷油安全性和最大碳量試驗，是為了保護GPF在整車上的正常使用而設定的邊界，保護GPF在斷油再生時不損壞，同時大碳量時不影響整車性能。

參考文獻：

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[4]尹乾熙.缸內直噴汽油機微粒捕集器捕集特性研究[D].吉林：吉林大學，2015.