整車(chē)上的GPF標(biāo)定

摘 要：標(biāo)定車(chē)輛是為滿(mǎn)足國(guó)六B階段法規(guī)而開(kāi)發(fā)的一款帶GPF的越野車(chē)，現(xiàn)介紹整車(chē)上GPF的標(biāo)定內(nèi)容，主要包括碳煙質(zhì)量的標(biāo)定，主動(dòng)、被動(dòng)、4S店再生的標(biāo)定。碳煙質(zhì)量的標(biāo)定包括基于發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放模型和基于壓差傳感器模型的碳煙質(zhì)量標(biāo)定，標(biāo)定車(chē)輛的兩種碳煙質(zhì)量模型的偏差都小于30%，滿(mǎn)足標(biāo)定要求。標(biāo)定車(chē)輛的被動(dòng)再生實(shí)現(xiàn)了GPF的安全可控;主動(dòng)再生僅在必要時(shí)發(fā)生，且給被動(dòng)再生提供了充分的溫度條件;4S店再生時(shí)，GPF溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫都在允許范圍內(nèi)，且碳煙能消除干凈，滿(mǎn)足標(biāo)定要求。

關(guān)鍵詞：GPF;碳煙質(zhì)量;再生

0? ? 引言

缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（GDI）面臨顆粒物的排放特別是顆粒數(shù)量（PN）的增加問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)顆粒物排放總量達(dá)到50.9萬(wàn)t，汽油車(chē)排放在顆粒物中貢獻(xiàn)比例接近10%，已成為大氣污染的重要源頭之一。所以，解決汽油車(chē)污染物排放尤其是GDI汽油車(chē)顆粒物排放問(wèn)題已迫在眉睫。

2016年底發(fā)布的中國(guó)六階段輕型汽車(chē)污染物排放限值和測(cè)量方法，對(duì)顆粒排放物提出了實(shí)際行駛工況排放要求，且國(guó)六B階段車(chē)輛耐久里程從160 000 km提高到200 000 km。綜合考慮以上因素，依靠傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)凈化和三元催化轉(zhuǎn)化技術(shù)已不能滿(mǎn)足未來(lái)更加嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，尤其是顆粒物（PM與PN）的排放限值要求，而搭載汽油機(jī)顆粒捕集器（簡(jiǎn)稱(chēng)GPF）被認(rèn)為是有效降低GDI發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放的一種技術(shù)手段。

標(biāo)定車(chē)輛是為滿(mǎn)足國(guó)六B而開(kāi)發(fā)的一款帶GPF的車(chē)輛，因此需要在整車(chē)上對(duì)GPF的匹配進(jìn)行標(biāo)定，包括碳煙質(zhì)量的標(biāo)定，被動(dòng)、主動(dòng)及4S店再生的標(biāo)定。

1? ? 試驗(yàn)車(chē)輛與方法

1.1? ? 試驗(yàn)車(chē)輛

車(chē)輛是一款緊湊型越野車(chē)，配置1.3 L增壓、缸內(nèi)直噴的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，搭載緊耦合式帶涂層的GPF，容積是1.39 L，GPF內(nèi)部最高溫不允許超過(guò)850 ℃，使用雙離合變速箱。

整車(chē)標(biāo)定開(kāi)始前，需將GPF從車(chē)上拆下來(lái)，安裝熱偶，具體位置如圖1所示。

1.2? ? 碳煙質(zhì)量試驗(yàn)方法

標(biāo)定碳煙質(zhì)量時(shí)，需要對(duì)GPF累碳前、后的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重，以便驗(yàn)證模型質(zhì)量與實(shí)際質(zhì)量的偏差。稱(chēng)重使用的電子秤如圖2所示，精度是0.1 g。

稱(chēng)重步驟如圖3所示，累積的碳煙質(zhì)量為（m1-m0）-（m2-m0），其中，累積的灰分質(zhì)量為m2-m0。

軟件中碳煙質(zhì)量計(jì)算邏輯包括兩部分：使用壓差傳感器或使用發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)排氣量較小或環(huán)境溫度太低時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放邏輯來(lái)計(jì)算碳煙質(zhì)量。當(dāng)排氣流量大于一定值且滿(mǎn)足穩(wěn)定條件時(shí)，使用壓差傳感器測(cè)量值來(lái)計(jì)算碳煙質(zhì)量。

發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放產(chǎn)生的碳煙質(zhì)量模型主要在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上完成，整車(chē)上選取幾個(gè)不同的碳煙質(zhì)量點(diǎn)（1 g、2 g、3 g）進(jìn)行驗(yàn)證。考慮到真實(shí)客戶(hù)用車(chē)環(huán)境下，車(chē)輛低溫冷啟動(dòng)和低速行駛可產(chǎn)生相對(duì)較多的碳煙，因此試驗(yàn)借助低溫冷庫(kù)進(jìn)行。將車(chē)輛浸置在冷庫(kù)中，使其凍至不同的溫度（-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃），然后進(jìn)行啟動(dòng)和低速行駛測(cè)試，試驗(yàn)計(jì)劃如表1所示。

壓差傳感器的碳煙質(zhì)量模型主要在臺(tái)架上完成，整車(chē)上選取幾個(gè)不同的碳煙質(zhì)量點(diǎn)（2 g、4 g、6 g）進(jìn)行標(biāo)定和驗(yàn)證。正常工況下，整車(chē)實(shí)際碳煙累積速度較慢，為提高標(biāo)定效率，采用人為加濃空燃比和禁止發(fā)動(dòng)機(jī)斷油的方式來(lái)快速累積碳煙。將空燃比加濃至0.8，駕駛車(chē)輛在4個(gè)固定車(chē)速120 km/h、90 km/h、60 km/h、30 km/h分別運(yùn)行約0.5 h或1 h或1.5 h，并實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)ECU的碳煙質(zhì)量預(yù)估值，當(dāng)其大概等于測(cè)試值（2 g、4 g、6 g）時(shí)，逐漸減速至停止，拆下GPF稱(chēng)重。稱(chēng)重結(jié)束后，將GPF裝回車(chē)子，然后使用正常空燃比和斷油控制的標(biāo)定，駕駛車(chē)子進(jìn)行再生，完全再生后，重新拆下GPF，進(jìn)行稱(chēng)重。

1.3? ? 被動(dòng)再生試驗(yàn)方法

被動(dòng)再生是利用車(chē)輛進(jìn)入斷油工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)未參與燃燒的多余氧氣在GPF里燃燒，降低碳煙質(zhì)量，最終達(dá)到消除碳煙的目的。碳煙和氧氣在GPF里燃燒是放熱反應(yīng)，GPF內(nèi)部溫度快速升高，如果標(biāo)定不合理，極易導(dǎo)致GPF超過(guò)最高耐受溫度而損壞。因此，被動(dòng)再生的最終標(biāo)定目標(biāo)是確保GPF在不超溫的情況下進(jìn)行安全可控的再生。

當(dāng)碳煙質(zhì)量與再生前的GPF溫度都很低時(shí)，再生是安全的，此時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油沒(méi)有限制。當(dāng)碳煙質(zhì)量很大且再生前的GPF溫度超過(guò)850 ℃時(shí)，進(jìn)入再生，GPF很容易燒壞，所以此時(shí)必須禁止斷油。當(dāng)碳煙質(zhì)量和再生前的GPF溫度都不是很高時(shí)，可以允許一定時(shí)間的斷油;當(dāng)GPF溫度超過(guò)850 ℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停止斷油;當(dāng)GPF溫度下降到820 ℃時(shí)，又可以允許一定時(shí)間的斷油。因此，整車(chē)GPF被動(dòng)再生，就是對(duì)不同碳煙質(zhì)量和不同GPF溫度情況下的最大允許斷油時(shí)間以及兩次斷油之間的時(shí)間間隔進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。

被動(dòng)再生試驗(yàn)前，GPF中累積一定量的碳煙，找一段空曠的馬路，加速車(chē)輛使GPF內(nèi)溫度超過(guò)550 ℃，然后松開(kāi)油門(mén)，使車(chē)輛進(jìn)入減速斷油工況，觸發(fā)被動(dòng)再生，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定分析。

1.4? ? 主動(dòng)再生試驗(yàn)方法

當(dāng)GPF中的碳煙質(zhì)量超過(guò)3.5 g/L，進(jìn)行主動(dòng)再生，即給GPF加熱，此時(shí)并沒(méi)有真正地再生，只是給后續(xù)可能的再生提供充分的溫度條件。為滿(mǎn)足國(guó)六B的NOx排放要求，主動(dòng)再生時(shí)的過(guò)量空氣系數(shù)保持在理論空燃比不變，通過(guò)增加儲(chǔ)備扭矩、推遲點(diǎn)火角的方式來(lái)加熱GPF，使其能夠達(dá)到再生時(shí)的溫度，這樣當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入斷油工況時(shí)，就會(huì)進(jìn)行被動(dòng)再生。

在不明顯影響駕駛性的情況下，對(duì)比不同儲(chǔ)備扭矩時(shí)的GPF內(nèi)部溫度變化，并監(jiān)測(cè)失火發(fā)生率小于失火報(bào)故障率（4%），同時(shí)監(jiān)測(cè)排氣溫度模型值與實(shí)際值，從而找到GPF加熱的最佳儲(chǔ)備扭矩。

當(dāng)碳煙質(zhì)量為0 g且環(huán)境溫度足夠低時(shí)，主動(dòng)再生時(shí)的GPF內(nèi)部溫度最低，可將此視為主動(dòng)再生的最?lèi)毫庸r，文中測(cè)試了此工況的主動(dòng)再生。

1.5? ? 4S店再生試驗(yàn)方法

當(dāng)GPF中的碳煙質(zhì)量超過(guò)5 g/L時(shí)，車(chē)輛儀表盤(pán)上的GPF強(qiáng)制再生燈會(huì)點(diǎn)亮，駕駛員需要把車(chē)開(kāi)到4S店進(jìn)行強(qiáng)制再生，簡(jiǎn)稱(chēng)“4S店再生”。

強(qiáng)制再生時(shí)，使用原地高怠速模式，以提供足夠的排氣流量，同時(shí)將Lambda控制到偏稀狀態(tài)，保留一定的儲(chǔ)備扭矩，推遲點(diǎn)火角將GPF加熱到再生溫度以上。

再生時(shí)，有一些條件會(huì)觸發(fā)再生的結(jié)束，譬如壓差傳感器數(shù)值低于標(biāo)定限值，或碳煙質(zhì)量低于標(biāo)定限值，或再生時(shí)間超出標(biāo)定限值。標(biāo)定過(guò)程中，需要判斷以上限值是否合理并進(jìn)行修改和驗(yàn)證。為保護(hù)催化器，標(biāo)定失火發(fā)生率高于一定值時(shí)，中斷再生。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高于一定值時(shí)，需優(yōu)化PWM冷卻風(fēng)扇工作特性，以防水溫太高損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。文中測(cè)試了碳煙質(zhì)量為5 g時(shí)的4S店再生。

2? ? 標(biāo)定結(jié)果及討論

2.1? ? 碳煙質(zhì)量的標(biāo)定

2.1.1? ? 基于發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放模型的碳煙質(zhì)量標(biāo)定

表2是基于發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放模型的碳煙質(zhì)量實(shí)際稱(chēng)重值與ECU預(yù)估值的對(duì)比，從表中可以看出，ECU預(yù)估值略大于實(shí)際稱(chēng)重值，且當(dāng)碳煙質(zhì)量小于1 g時(shí)，偏差小于50%;當(dāng)碳煙質(zhì)量大于1 g時(shí)，偏差小于30%，滿(mǎn)足標(biāo)定要求。

2.1.2? ? 基于壓差傳感器模型的碳煙質(zhì)量標(biāo)定

表3是基于壓差傳感器模型的碳煙質(zhì)量實(shí)際稱(chēng)重值與ECU預(yù)估值的對(duì)比，從表中可以看出，兩者偏差小于10%，遠(yuǎn)低于30%的標(biāo)定偏差要求。

2.2? ? GPF再生的標(biāo)定

2.2.1? ? 被動(dòng)再生的標(biāo)定

圖4是碳煙質(zhì)量為1.8 g時(shí)的被動(dòng)再生控制。

從圖中可以看出，當(dāng)GPF溫度上升到550 ℃后，在車(chē)輛進(jìn)入減速斷油工況后，GPF發(fā)生被動(dòng)再生，GPF內(nèi)部溫度上升，此時(shí)的被動(dòng)再生時(shí)間受最大允許斷油時(shí)間限制，當(dāng)斷油時(shí)間達(dá)到最大允許斷油時(shí)間后，斷油停止;當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)間超過(guò)標(biāo)定的斷油時(shí)間間隔且發(fā)動(dòng)機(jī)又進(jìn)入減速工況時(shí)，斷油再次觸發(fā)，車(chē)輛實(shí)現(xiàn)了安全可控的被動(dòng)再生，達(dá)到標(biāo)定要求。

2.2.2? ? 主動(dòng)再生的標(biāo)定

試驗(yàn)前，實(shí)際碳煙質(zhì)量在0 g左右，為觸發(fā)主動(dòng)再生，將碳煙質(zhì)量設(shè)為4.5 g。從圖5可以看出，主動(dòng)再生時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)留一定的儲(chǔ)備扭矩，點(diǎn)火角推遲，失火率低于失火報(bào)故障率4%;隨著主動(dòng)再生的進(jìn)行，GPF內(nèi)部溫度快速上升高于650 ℃，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入斷油工況時(shí)，被動(dòng)再生如期發(fā)生，碳煙質(zhì)量快速降至0 g，主動(dòng)再生結(jié)束。

整個(gè)主動(dòng)再生過(guò)程對(duì)駕駛性沒(méi)有明顯影響，且達(dá)到GPF加熱要求，滿(mǎn)足失火率要求，達(dá)到標(biāo)定目標(biāo)。

2.2.3? ? 4S店再生的標(biāo)定

圖6是4S店再生時(shí)的控制，從圖中可以看出，再生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加至3 000 r/min，同時(shí)儲(chǔ)備扭矩也增加至17 Nm，隨著GPF溫度的提高，儲(chǔ)備扭矩逐漸下降至8.3 Nm，再生時(shí)的GPF溫度維持在650 ℃以上直到再生結(jié)束。整個(gè)再生過(guò)程的最高水溫不超過(guò)107 ℃，且碳煙清除干凈，符合標(biāo)定要求。

3? ? 結(jié)論

（1）標(biāo)定車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放模型和壓差傳感器模型計(jì)算出的碳煙質(zhì)量，與實(shí)際稱(chēng)重值的偏差都小于30%，滿(mǎn)足標(biāo)定要求。

（2）被動(dòng)再生實(shí)現(xiàn)了GPF在不超溫的情況下進(jìn)行安全可控的再生;主動(dòng)再生僅在必要時(shí)發(fā)生，且給被動(dòng)再生提供了充分的溫度條件;4S店再生時(shí)，GPF溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫都在控制范圍內(nèi)，且碳煙清除干凈，滿(mǎn)足標(biāo)定要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）：GB 18352.6—2016[S].

收稿日期：2020-03-30

作者簡(jiǎn)介：楊繼蕊（1982—），女，山東青島人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車(chē)電控。