汽油機顆粒物捕捉器(GPF)的碳載模型計算介紹

馮觀華

摘 要：汽油機顆粒物捕捉器（GPF）能有效地捕集汽車排氣中的顆粒物，其過濾效果可接近90%。EMS通過對車輛運行過程中碳顆粒（soot）的生成速率以及系統控制再生過程的碳顆粒（soot）的燃燒速率積分計算，進而計算出GPF中累積的顆粒物的質量。因此對碳顆粒的累積質量及再生質量的計算極其重要。

關鍵詞：汽油機顆粒物捕捉器 顆粒物 累積 再生

1 引言

隨著我國汽車的普及率不斷提高，以及人民群眾對高質量環境的日益重視，我國在2016年底發布了《輕型汽車污染物排放限值及其測量方法（第六階段）》[1]。國六標準規定了自2020年7月1日起輕型汽車的汽油機顆粒物的數量限值為6.0×1011個/km，顆粒物的質量限值為4.5mg/km，自2020年7月1日起則進一步加嚴，顆粒物的質量上限為3mg/km。因此各汽車主機廠通過改善原始排放的方式改善顆粒物排放，例如高軌壓等機內技術，然而單純依靠機內技術很難滿足嚴苛的國六法規，因此從排放后處理的角度降低顆粒物排放的手段，即增加汽油機顆粒捕集器（GPF），是輕型汽車應對顆粒物排放限值較為有效的手段。

2 GPF的結構及工作原理

圖1為GPF的結構以及過濾尾氣中的顆粒物的工作原理圖，其蜂窩孔道相鄰兩端交替堵塞。由于汽車在實際運轉過程中，油氣不可能混合完全導致燃燒不充分，所以尾氣中存在未燃燒完全的顆粒物。尾氣從垂直于軸向的GPF入口端面的所有開口通道流入，在壓差的作用下，尾氣穿越蜂窩孔道載體壁面，尾氣中的顆粒物將被過濾在孔道載體壁面內及載體壁面上，而尾氣中其它氣態物則通過壁面從GPF出口端面的開口通道流出，達到過濾尾氣的作用[2]。

3 GPF碳載模型計算策略

如圖1所示，GPF內部結構為壁流式結構。通過把尾氣中的顆粒物過濾在壁面上達到清除尾氣中的顆粒物從而達到國六排放法規要求的顆粒物數量限值及質量限值。然而不斷累積在GPF中的顆粒物會引起排氣背壓的升高，從而影響汽車的動力性及燃油經濟性等。因此需要適時地進行再生以燒掉GPF中的碳顆粒物。為了進行再生，需要給GPF創造一個高溫富氧的條件以發生化學放熱反應C+O2=CO2。通過改變汽車的運行參數如推遲點火等以提高GPF中的溫度，通過減稀空燃比增加尾氣中的氧含量，從而清除GPF中累積的碳顆粒物。因此需要對正常運轉時累積的碳量及再生過程中燒掉的碳量進行精確判斷，從而算出GPF中存在的碳顆粒物。

在GPF的實際使用過程中，無法直接測量GPF內的碳載量。目前有兩種碳載模型計算策略來預估GPF中的模型碳載量。一種是通過壓差傳感器測量GPF前后端的壓差并結合發動機排氣特性參數進行碳載量預估，一種是根據汽車的各種運行參數如發動機轉速、負荷、空燃比等來預估GPF中的模型碳載量。

3.1 基于壓差傳感器的模型碳載量

由于汽車在實際行駛中尾氣溫度處于動態變化中，氣體的溫度對氣體粘度有一定影響，由圖1知，尾氣在壓差作用下穿越載體壁面排出，尾氣氣體在穿越過程中會存在先壓縮通過載體壁面，通過后又會膨脹開來，因此需要對這些因素進行校正。由文獻[3]可知，干凈狀態下的GPF的壓降模型為：

其中C0和C1為需要標定的修正系數，μ為排氣動力粘度，ρg為排氣密度，Qv為排氣體積流量。GPF上的壓差傳感器實時測量GPF前后端的壓差，然后將此壓差值經過濾波處理并與壓差模型經過一系列公式計算得到一個互相關系數CCF。此CCF值由兩部分引起，一是可以被氧化的碳顆粒物（soot），一是不可以被氧化的灰分（ash），所以再經過公式計算修正后得到單純由soot引起的CCF_soot值。

為了得到CCF_soot值與GPF中實際碳載量的一一對應關系，需要標定這一對應關系，目前標定步驟如下：

①在臺架上把GPF裝上發動機，然后進行燒碳步驟清除GPF中的碳顆粒物，確保GPF為空載狀態，然后在臺架上跑自動程序WLTC（全球清輕型車輛測試循環）兩次，從而得出空載狀態時對應的CCF_soot值。

②與①步驟一樣，再分別給GPF快速累碳并實際稱重得碳載量為4g、8g、12g、14g時，跑WLTC循環測出對應碳載量時的CCF_soot值。

③由于累積的碳與再生后的碳在結構上存在差異，此差異對測量的CCF_soot值有一定影響，為了減少誤差，將②步驟中累有的14g碳再分別燒剩余12g、8g、4g，再跑WLTC循環測出對應碳載量時的CCF_soot值。

將得出的數據進行處理后得出CCF_soot與GPF中碳載量的對應關系：

在汽車的實際行駛過程中，汽車控制模塊將算出實際的CCF_soot值，然后根據表1采用插值查表法從而算出GPF中的模型碳載量Msoot_CCF。

3.2 基于發動機原排累積的模型碳載量

3.2.1 GPF累碳速率

在臺架實驗室，充分熱機發動機后，使用AVL MSS 483測量設備，運行表2發動機萬有特性每個工況點，從而測出每個工況點的實際碳顆粒物生成速率。

①空燃比修正

在表2發動機萬有特性工況點中，當發動機運行在高轉速高負荷時，為了保護零部件，控制系統會加濃空燃比以降低排溫。所以需要對表2加濃的工況點進行空燃比修正。即加濃工況點在空燃比1時的碳顆粒物生成速率=加濃時該工況點的碳顆粒物生成速率/對應加濃空燃比的修正值。從而得到空燃比為1時表2中工況點的碳顆粒物生成速率，進而填入碳顆粒物生成速率標定量中。為了求出空燃比修正值，分別控制空燃比保持在0.9/0.8/0.7/1.1，測出表2萬有特性工況點的碳顆粒物生成速率，通過與空燃比為1時碳顆粒物生成速率對比，從而得出空燃比修正值如表3所示，在汽車實際運行中，當空燃比加濃保護時，系統會根據表3采用插值查表法得出加濃空燃比的修正值以修正碳顆粒物生成速率。

②水溫、起動、催化劑加熱及過渡工況修正

由于汽車在實際使用時，經常是在發動機冷機狀態時啟動，在冬天我國北方，發動機水溫甚至能達到負20度或者更低。發動機水溫低會造成汽油粘度大揮發更不充分，油氣混合也更加不完全，從而導致燃燒不充分，更多未燃燒的碳顆粒物直接排出被GPF捕集。在汽車冷啟動時，為了確保有足夠熱量轉化為功以啟動發動機，系統在發動機啟動時會增加噴油量等措施以確保發動機能在冷機狀態下啟動成功。因此需要進行水溫修正、啟動修正來修正碳顆粒物生成速率值。在臺架試驗室進行水溫20度及以上溫度點修正試驗，然后在低溫轉鼓使倉內溫度為-30、-20、-10、0度從而使汽車發動機水溫達到對應溫度點，進行水溫修正及起動修正試驗。

催化劑有一特性即起燃溫度，在這一溫度之前催化劑對氣態污染物的轉化效率特別低，當溫度到達這一溫度值之后，催化劑對氣態污染物的轉化效率迅速提高。在汽車起動后為了盡快使催化加達到起燃溫度以降低氣態污染物排放，汽車控制系統通過推遲點火角等使到達催化劑的熱量增多，直到催化劑達到起燃溫度。因此需要修正催化劑加熱階段的碳顆粒物生成速率。通過反復試驗，通過對比催化劑加熱階段及關閉催化劑加熱功能后對應階段的碳顆粒物生成速率得出催化劑加熱修正系數。

過渡工況修正系數也是通過反復試驗對比過渡階段與穩態時碳顆粒物速率之間的關系，得出過渡工況的修正系數（圖2）。

3.2.2 GPF碳顆粒物再生速率

當GPF中累積到一定碳量后，需要進行再生。因此需要標定再生速率模型以計算再生時燒掉的碳載量。再生時主要是溫度與氧流量，根據這兩個參數來計算再生速率。

如表3，橫坐標是GPF中心溫度，縱坐標是到達GPF的氧流量。找出定溫650℃時各個氧流量時發動機的工況點即發動機的轉速、負荷以及空燃比，在臺架發動機上給GPF快速累碳并實際稱重得4～5g碳，然后依次分別做定溫650℃時各個氧流量試驗，使GPF處于定溫650℃氧流量為一定值時再生一段時間然后拆下稱重得出殘余碳量，根據燒掉的碳量以及再生時間得出定溫650℃某氧流量時的再生速率。同理依次做試驗得出定氧500時各個溫度的再生速率。汽車在實際駕駛過程中，會有完全松開油門時刻，此時如果系統允許斷油，那么GPF中會有大量氧氣涌入，快速燃燒掉GPF中的碳，所以需要在臺架發動機中手動造斷油，算出各個溫度下斷油時的再生速率。由于GPF中碳載量越多其再生速率越快，因此還需要根據GPF中的碳載量進行修正其再生速率。

若按表4中所有的點全部依次做試驗以得出其再生速率，這樣項目時間會大大加長，也不理想，所以目前采用做定溫650℃、定氧500、斷油這些點，得出這些點的再生速率后，利用軟件根據已得再生速率值進行外推、擬合其它點的再生速率值，然后進行驗證，再細調，使模型燒碳量與實際燒碳量誤差控制在30%以內。

基于發動機原排得到的GPF累碳速率在經過GPF過濾效率修正后得最后的累碳速率，基于溫度、氧流量得到的GPF碳顆粒物再生速率在經過現有碳載量的修正后得到最終再生速率，兩者的差值若為正則經過積分計算后在原有碳載量數值基礎上繼續累積數值，兩者的差值若為負則經過積分計算后在原有碳載量數值基礎上減小碳載量數值。

通過CCF值得到的Msoot_CCF值會與圖3的GPF碳載模型計算策略得出的Msoot進行比較，其中的最大值會輸出作為GPF中最終的模型碳載量。這樣使計算得到的GPF模型碳載量精確度更高。

4 結論

通過基于壓差傳感器、基于發動機原排這兩種GPF模型碳載量的計算，然后取兩者中的最大值，提高了所得的模型碳載量的精確度，防止因計算的模型碳載量低于實際值時導致顆粒物的不斷累積從而造成GPF堵塞影響汽車的性能。

參考文獻：

[1]國家環保局，國家質量監督檢驗局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6—2016[S].北京：中國環境科學出版社，2016.

[2]李配楠，程曉章，駱洪燕，等.基于國Ⅵ標準的汽油機顆粒捕集器（GPF）的試驗研究[J].內燃機與動力裝置，2017，34（1）：1-5.

[3]伏軍，張續成.汽油機微粒捕集器的碳載量標定試驗研究[J].內燃機與配件，2020（11）：1-5.