摘要：為提高某增壓、直噴、低壓廢氣再循環(huán)（low-pressure exhaust gas recirculation，LP-EGR）、米勒循環(huán)汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF）的再生效率，優(yōu)化GPF再生控制策略，并進(jìn)行城市工況和城郊工況下的GPF再生試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：將混合動(dòng)力控制單元（hybrid control unit，HCU）作為GPF再生的關(guān)聯(lián)控制器，由HCU控制再生過程，城市工況、城郊工況下的實(shí)際再生碳量較優(yōu)化前分別提高了10%和15%，有效解決了混合動(dòng)力車輛在這兩種工況下GPF不易再生及再生效率較低的問題。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力車輛；增壓直噴；米勒循環(huán)；HCU；LP-EGR；GPF

中圖分類號(hào)：TK411.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2025）01-0069-06

引用格式：寧成鋼，孫孟祥，張家瑞，等.增壓直噴低壓EGR發(fā)動(dòng)機(jī)GPF再生效率研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2025，42（1）：69-74.

NING Chenggang，SUN Mengxiang，ZHANG Jiarui，et al. GPF regeneration efficiency of a turbocharged direct injection low-pressure EGR engine［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：69-74.

0 引言

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展以及我國第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格^[1]，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性成為了各大車企追求的關(guān)鍵目標(biāo)，混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并逐漸成為乘用車行業(yè)的主流選擇^[2-4]。混合動(dòng)力系統(tǒng)彌補(bǔ)了米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度相對(duì)較低的不足，使得汽油發(fā)動(dòng)機(jī)米勒循環(huán)等技術(shù)重新受到廣泛關(guān)注與重視。米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過采用較短進(jìn)氣持續(xù)期的凸輪實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣門早關(guān)，搭配較高的幾何壓縮比及低壓廢氣再循環(huán)（low-pressure exhaust gas recirculation，LP-EGR）技術(shù)，能夠減少汽油機(jī)部分負(fù)荷下的泵氣損失，降低大負(fù)荷區(qū)域的燃燒溫度，減少爆震傾向以及降低排氣溫度^[5-7]，從而有效提高汽油機(jī)的熱效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)深度米勒循環(huán)結(jié)合LP-EGR技術(shù)在汽油機(jī)上的應(yīng)用開展了大量深入的研究：Fontana等^[8]研究發(fā)現(xiàn)，在部分負(fù)荷工況下，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度相對(duì)較大，有助于降低泵氣損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率;Cleary等^[9]的研究結(jié)果表明，米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)最多可以實(shí)現(xiàn)7%的節(jié)油效果;Bourhis等^[10]在一臺(tái)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)比研究了LP-EGR和內(nèi)部殘余氣體對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，在中等負(fù)荷工況下，LP-EGR能夠更有效地抑制爆震現(xiàn)象，降低油耗的效果也更顯著；黃昭明等^[11]在一臺(tái)高壓縮比增壓米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝LP-EGR，深入研究了EGR對(duì)不同壓縮比米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，研究結(jié)果表明，通過合理提高米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比并配合使用LP-EGR，可以顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；南征等^[12]基于一款排量為1.5 L的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，在臺(tái)架上開展了不同碳載量和入口溫度下的汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF）斷油再生特性研究，研究結(jié)果顯示，在斷油再生過程中，GPF載體溫度出現(xiàn)階躍式升高，特別是在碳載量較大以及入口溫度較高的情況下，GPF的溫度很容易超過載體材料的耐受溫度；范明哲等^[13]通過在GPF載體內(nèi)部安裝熱電偶，測(cè)量了GPF在主動(dòng)再生和被動(dòng)再生過程中的內(nèi)部溫度變化，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著GPF碳載量的不斷增加，GPF載體內(nèi)部的瞬態(tài)溫度越來越高。

目前，國內(nèi)外關(guān)于米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的研究較多，但關(guān)于米勒循環(huán)對(duì)GPF載體溫度的影響以及混合動(dòng)力車輛搭載米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)后GPF再生效率的研究相對(duì)較少，國內(nèi)的相關(guān)研究也大多僅限于在給定GPF入口溫度的條件下，對(duì)GPF載體內(nèi)部溫度變化進(jìn)行研究。鑒于當(dāng)前搭載米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力車輛已成為市場主流，因此有必要對(duì)混合動(dòng)力車輛的GPF再生效率以及載體溫度進(jìn)行深入研究。本文中針對(duì)一臺(tái)排量為1.5 L、增壓、直噴、LP-EGR、米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的GPF開展試驗(yàn)研究，分析GPF再生策略對(duì)混動(dòng)車輛GPF再生效率的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)排量為1.5 L的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，搭載35 MPa高壓燃油系統(tǒng)、LP-EGR系統(tǒng)，壓縮比為12.9±0.1，最大功率和最大轉(zhuǎn)矩分別為113 kW、230 N·m。

1.2 試驗(yàn)車輛

圖1 FHEV整車架構(gòu)

試驗(yàn)用混合動(dòng)力車輛（full hybrid electric vehicle，F(xiàn)HEV）整體架構(gòu)如圖1所示。該車輛動(dòng)力總成主要由排量為1.5 L的增壓直噴高效內(nèi)燃機(jī)和兩擋專用混合動(dòng)力變速器 （dedicated hybrid transmission，DHT）（P1+P3電機(jī)）組成，車輛配備容量為3 kW·h的電池包和底盤式GPF，可實(shí)現(xiàn)純電、串聯(lián)和并聯(lián)3種能量模式，兼顧車輛的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

1.3 整車GPF再生控制策略試驗(yàn)方案

由于混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)在混合動(dòng)力車輛運(yùn)行過程中不需要全時(shí)直接驅(qū)動(dòng)車輛，GPF再生控制較傳統(tǒng)車輛更加靈活。GPF再生控制策略對(duì)GPF再生效率影響的試驗(yàn)方案如表1所示，其中，城市工況為車速低于45 km/h且在城市內(nèi)部道路行駛的工況；城郊工況為車速為60～80 km/h且行駛道路為郊區(qū)道路的工況。試驗(yàn)中使用ETAS582設(shè)備及INCA軟件與整車電子控制單元（engine control unit，ECU）通信并實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、氧氣質(zhì)量流量、GPF中心溫度等關(guān)鍵參數(shù)。

2 整車GPF再生控制策略優(yōu)化及結(jié)果分析

2.1 整車GPF再生控制策略優(yōu)化

混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)汽油車的GPF再生控制策略大體相同，ECU作為GPF再生的主控制器控制GPF再生過程。為了提高混動(dòng)專用發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率，其排氣溫度較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)偏低，導(dǎo)致GPF再生溫度較低，GPF再生效率低^[14-15]。

傳統(tǒng)車輛GPF再生控制策略為：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)（engine management system，EMS）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況實(shí)時(shí)計(jì)算GPF捕集的碳載量，當(dāng)EMS計(jì)算的碳載量超過再生閾值時(shí)，EMS觸發(fā)GPF再生請(qǐng)求，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣流量、GPF載體中心溫度等均滿足再生工況要求時(shí)，通過增大過量空氣系數(shù)，推遲點(diǎn)火角，使排氣溫度達(dá)到再生目標(biāo)溫度，觸發(fā)主動(dòng)再生^[16-17]；GPF載體溫度大于500 ℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，觸發(fā)被動(dòng)再生。

優(yōu)化GPF再生策略，將混合動(dòng)力控制單元（hybrid control unit，HCU）作為GPF再生的關(guān)聯(lián)控制器，再生策略如圖2所示。圖2a）中主動(dòng)再生方式1為傳統(tǒng)主動(dòng)再生策略，主動(dòng)再生方式2為優(yōu)化后的主動(dòng)再生策略：在GPF碳載量超過閾值時(shí)，HCU將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷向有利于GPF主動(dòng)再生的高排氣溫度工況控制，快速滿足GPF主動(dòng)再生條件且主動(dòng)控制GPF載體中心溫度處于較高溫度，從而提高再生效率。優(yōu)化后的被動(dòng)再生策略如圖2b）所示，HCU在EMS有被動(dòng)再生請(qǐng)求且條件允許的情況下，可以執(zhí)行斷油且維持發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，增加被動(dòng)再生時(shí)間，從而達(dá)到提高GPF再生效率的目的。設(shè)計(jì)的GPF再生策略基于混動(dòng)車輛自身特點(diǎn)，可靈活調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)荷至高排氣溫度工況，相比傳統(tǒng)車輛在城市及城郊工況需大幅度推遲點(diǎn)火角提高排氣溫度，油耗增加較少。

2.2 整車GPF控制策略優(yōu)化前、后結(jié)果分析

2.2.1 城市工況

整車GPF再生控制策略優(yōu)化前、后的城市工況及再生試驗(yàn)結(jié)果圖3、4所示。由圖3、4可知：城市工況再生控制策略優(yōu)化前、后，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)變化不大，優(yōu)化效果不明顯。

再生20 min后，GPF再生控制策略優(yōu)化前、后城市工況的碳載量實(shí)際稱質(zhì)量結(jié)果如表2所示。由表2可知：再生控制策略優(yōu)化前、后，GPF再生碳量分別為0.90、0.99 g，優(yōu)化后的再生碳量較優(yōu)化前提高了10%。

2.2.2 城郊工況

整車GPF再生控制策略優(yōu)化前、后的城郊工況及試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5、6所示。由圖5、6可知：優(yōu)化后，因再生過程中實(shí)際轉(zhuǎn)矩較優(yōu)化前增加20 N·m，GPF中心溫度升高，表明高載碳量下HCU將運(yùn)行工況調(diào)整到了適合GPF再生的高排氣溫度區(qū)域，且由于負(fù)荷增大，氧氣質(zhì)量流量增大，GPF再生速率明顯加快。

再生20 min后，GPF再生控制策略優(yōu)化前、后城郊工況的碳載量實(shí)際稱質(zhì)量結(jié)果如表3所示。由表3可知：城郊工況再生控制策略優(yōu)化后，GPF再生碳量較優(yōu)化前提高了約15%。

3 結(jié)論

以一臺(tái)混動(dòng)汽車配備的排量為1.5 L的增壓直噴低壓廢氣再循環(huán)米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，開展了城市工況及城郊工況下的汽油機(jī)顆粒捕集器再生試驗(yàn)研究，分析汽油機(jī)顆粒捕集器再生控制策略對(duì)混動(dòng)車輛汽油機(jī)顆粒捕集器再生效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：將混合動(dòng)力控制單元作為汽油機(jī)顆粒捕集器再生的關(guān)聯(lián)控制器，由混合動(dòng)力控制單元控制再生過程，城郊工況轉(zhuǎn)矩較優(yōu)化前增加20 N·m，汽油機(jī)顆粒捕集器中心溫度升高，氧氣質(zhì)量流量增大，汽油機(jī)顆粒捕集器再生速率明顯加快；兩種工況下的再生效率均有所提高，實(shí)際再生碳量較優(yōu)化前分別提高了10%和15%。

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GPF regeneration efficiency of a turbocharged direct injection

low-pressure EGR engine

NING Chenggang1， SUN Mengxiang1， ZHANG Jiarui2， LIU Yong1，

ZHU Wenwu1， WANG Dong2， GUO Junde^2*

1.Jiangling Motors Co.， Ltd.， Nanchang 330200， China;

2. School of Mechatronic Engineering， Xi′an Technological University， Xi′an 710021， China

Abstract：In order to improve the regeneration efficiency of the gasoline particulate filter （GPF） in a turbocharged， direct injection， and low-pressure exhaust gas recirculation （LP-EGR） Miller cycle engine of a full hybrid electric vehicle， the GPF regeneration control strategy is optimized， and verified by regeneration tests under urban and suburban conditions. The experimental results show that using a hybrid control unit （HCU） as the associated controller for GPF regeneration， with the HCU controlling the regeneration process， the actual regeneration carbon content in urban and suburban conditions increases by 10% and 15% respectively compared to before optimization. The new GPF regeneration control strategy can effectively solve the problem of difficult GPF regeneration and low regeneration efficiency of GPF for full hybrid electric vehicle in these two conditions.

Keywords：full hybrid electric vehicle; supercharging direct injection; Miller cycle; HCU; LP-EGR; GPF

（責(zé)任編輯：臧發(fā)業(yè)）