汽油机颗粒物捕集器(GPF)的应用匹配解析

汽油机颗粒物捕集器(GPF)的应用匹配解析

刘发明

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心整车设计院  安徽合肥  230601

摘要:将 GPF用于轻质汽油车辆，可显著减少 PM、 PN颗粒物的排放量。文章主要讨论了 GPF中的匹配内容以及算法。通过对实车道路试验的对比分析，得出城市工况下、郊区工况和高速工况下的累积累碳量与实际累碳量之比分别为1.192和1.169。当车辆进行有源再生过程时，模型再生量为60公里/小时和80公里/小时的实际 soot再生量比率为1.128和1.120。soot模型累积量、 soot模型再生量、实际 soot累积量、实际 soot再生量与实际 soot再生量的比率都为30%。

关键词：汽油机；颗粒捕集器；研究分析

颗粒物捕集器(GPF)是一种用于捕集燃烧产生有害气体的部件。对于汽油机来说，颗粒物捕集器(GPF)除排气中燃烧不完全产生的碳颗粒和未氧化的碳氢（CH）有机物等。GPF最大的特点是高效率，并且没有传统催化剂产生的额外燃料消耗。由于采用低颗粒密度（例如使用空气）、低粘度（约为100×100)和低转速而使汽车能够达到低排放水平并避免重堵塞、提高燃油经济性和降低噪音。

1.GPF 及其工作原理

1.1汽油机颗粒物捕捉器（GPF）

GPF的功能是通过捕获汽车尾气中的微粒，从而减少颗粒物的质量和数量。GPF对颗粒物的捕获效率在80~90%以上，是有效降低 PN和 PN数量的技术措施。GPF按其是否包含涂料可划分为白色载体 GPF和涂敷 GPF。白色载体 GPF仅起到捕捉微粒的作用。而包覆型 GPF则因其内壁镀有贵金属、氧化铈等材料，在废气通过沟槽之间的壁面时，会被氧化铈所吸附或释放，并借助于贵金属催化剂进行反应，生成二氧化碳、氮气和水。因此，涂层 GPF有吸附颗粒物、催化转化等作用

1.2 GPF的工作原理与应用

引擎的废气从一个与轴向方向垂直的开放通道进入。在压力差的作用下，空气通过 GPF内的通道壁，在这个时候，废气中的微粒被捕获，然后通过与轴向方向相反的开放通道排出。微粒在穿过 GPF内部时，首先在壁面孔道中发生布朗运动，随后由壁面孔道拦截粒子，粒子与毛细壁接触，并在壁面孔道中被吸附并稳定下来。

2.GPF 匹配目标和内容

2.1 GPF 再生原理

在 GPF中，碳粒子和灰分被吸附在 GPF中，在 GPF中积累，在早期阶段，碳粒子与灰分的积累可以增加 GPF的过滤系数。但若累积量太大，则会造成废气背压升高、油耗增加、动力下降等不良现象，故应及时更新 GPF。GPF的再生过程中，主要进行了两种化学反应：① GPF的内部温度超过550℃，氧含量超过0.5%，或气缸中的过剩空气系数超过1.022，则会产生化学放热反应： C+O2=CO2 （1）② GPF内的温度超过800℃，无氧时，会产生下列化学吸热反应（又称为水气反应） C+H2O= CO+H2 （2）通过上述两种 GPF的再生化学反应，可以发现：① GPF的再生是在高温下将碳粒子 soot氧化成气态排放量CO2或 CO排出 GPF的工艺。②因为微粒产品中的主要灰分是盐（CaO,P2O5, ZnO,SO3,FeNO3，等等），因此 GPF中的灰分无法被清除，将会被储存在 GPF中。当引擎工作时间延长，灰分累积，直至因废气压力上升而对引擎性能有明显影响时，应更换新的 GPF。

2.2GPF 的主要匹配内容

GPF中的 soot和 Ash积累的精确程度直接影响到 GPF中 soot的精确再生和 Ash积累引起的失败。GPF的匹配包括5个模块：① soot模型：根据 soot的初始排放和 soot消耗，计算出 GPF的碳含量。② ash模式：根据发动机在不同工作条件下的累计工作时间，计算出其积累量。③再生要求：按碳载量、压差、行驶里程、行驶时间、耗油量等来计算再生要求。④ GPF再生协调：控制启动、恢复、恢复过程中断等。⑤ GPF诊断，主要包含 GPF去除诊断， Ash满负荷监测。

3.GPF 各功能的匹配

3.1soot 模型匹配

GPF的 soot模式匹配的目的是得到一个实时的 soot积累，在 soot积累到一定的阈值后，就会启动 soot恢复。其中，主要的匹配内容是苏特的积累率匹配和再生率匹配。Soot累积速度的匹配包含了在稳定状态下的 soot初始排放和在不同状态下的 soot排放的校正系数。在稳定状态下， soot的排放是由碳黑测试仪（AVL483）进行的。具体的测试方法是：选择一个工作条件，在发动机经过一段稳定的运转之后，将AVL483碳黑测试仪的 Soot积分质量与 GPF内实际捕获的 Soot质量进行比较，将其比作偏离系数 K。通过测量发动机的万有特征值，用偏离系数 K计算出发动机在稳定状态下的初始排气速度。当发动机处于一定的稳定状态时，这个状态下的 soot原始排放速率、时间和过虑效率的乘积就是 soot的累积。

3.2Ash 模型匹配

Ash是 GPF捕捉到的两种主要污染物，其中以 CaO、P2O5、 ZnO、SO3、Fe2O3为主要污染物。在 GPF再生过程中， Ash是不能被氧化的，并且会随汽车行驶里程的增长而增大。在 GPF中积累的初始阶段， Ash可以增加 GPF的捕获效率，但是当 Ash积累到一定数量时，对 GPF的捕获效果没有明显的影响。当 Ash积累量增大时，会使汽车的排气背压增大，从而对车辆的油耗、驾驶性、尾气排放等产生不利的影响。目前还没有一种方法可以有效地去除 GPF中的 Ash，在 Ash积累超过 GPF的设计极限时，必须进行 GPF的替换。因此，精确地确定 Ash模型中 Ash的累积是 Ash模型匹配的一个重要问题。

3.3GPF 压差模型

GPF入口与出口之间的压差（GPF压差）是 GPF匹配的一个重要参数，它能对 GPF的 Soot进行满载、 Ash满载的监测以及 GPF的损坏、移除等功能进行诊断。影响 GPF压力差的因素有很多，而压力差分模型匹配则主要考虑 GPF内部压力和 Ash累积质量。该算法是：选择 N个 Ash累积质量中断点，并在 GPF的 Ash全负荷和无负载之间选择 N个 Ash累积质量，将 GPF的 Ash累加到对应的值。然后，利用加浓比，使 GPF迅速积碳，并在 GPF负载和无负载状态下作 M个断点，测量了不同负载状态下的压差与无负荷状态下的增量P1。在满碳条件下，将 GPF的碳进行再生，得到了不同负载状态下的压差比P2。在同样的碳负荷下，积炭上的压力差和再生后的压力差的P2值都会出现偏差，这是因为碳含量的差异造成的。但是，在汽车的实际应用中，由于汽车工况的复杂性，还没有一个精确的模型可以对P1与P2的误差进行精确的匹配，只有通过测量两者的误差值，才能对其进行匹配。测量了不同 soot积累量与 soot再生残留量的 GPF压力差值曲线。当匹配结束时，该模型依据压力差来判断 GPF中的积聚质量和积聚质量是否超出了阀值，或者是去除了 GPF。

3.4再生功能匹配

由于 GPF所捕捉到的微粒排放量增加，则会增加废气的反压值，从而导致油耗增加，动力减弱，以及排放总量增加。因此，必须适时地进行 GPF的再生。由于 GPF捕捉到的微粒中的 Ash不能再生，因此，再生能力的匹配是指苏oot的主动再生。在轻型燃油汽车动力系统中，最重要的一个问题就是找到一个符合 soot再生条件的区间，并在此区间内进行 soot再生。汽车 GPF的再生能力匹配的主要目的是在 GPF的主动再生需求下，及时地进行主动再生。在高温、高原、高寒、常温路面测试了 GPF在不同速度条件下的再生性能。通过对数据的处理，得到了汽车在行驶过程中可以进入的最大速度和最小速度。在 GPF中，最小的速度是衡量一辆带有 GPF的轻型汽油汽车恢复力的一个重要指标。当汽车最低速度较低时，可供 GPF的主动再生工作范围更宽，更有利于 GPF的主动再生。应该指出， GPF在进行主动再生匹配时，要兼顾汽车的动力性、舒适性和经济性，并尽可能地实现 GPF的主动再生过程，使其在使用者感觉不到显著的改变。

3.5GPF再生需求匹配

再生要求的匹配比较简单，与汽车制造商的设计输入相匹配。需要的再生等级是按照再生需要来确定的，等级越高，需要的就越多。再生要求的来源包括：①总能量回收量，再生等级最高；②汽车行驶里程；③引擎运转时间；④燃料消耗；⑤启动水温作为加权值；⑥ GPF两端的压差，可帮助判断 soot的积累；⑦考虑到汽车的平均速度和启动次数；⑧诊断设备要求。上述第2~⑦项与 GPF中的 soot积累量呈正相关关系，且再生优先顺序为递减。第⑧项涉及 OBD的诊断，当 GPF中的 soot累积量达到再生要求的阈值时，进行再生。

3.6 GPF监控功能匹配

GPF的监测功能主要包含 GPF去除诊断、 Soot积累和 Ash积累，主要通过压力传感器进行监测。GPF去除诊断很简单，通过 GPF上的压力差就可以判定 GPF的去除。压力差传感器监测 Soot积累和 Ash积累，是指在 GPF中，如果 GPF中的 soot和 Ash累计量达到或超过了所允许的满载量阈值，则 GPF的压力差值超过满和满 Ash匹配时的一个阀值。

结束语：

综上所述，颗粒物捕集器(GPF)对动力性能具有重要影响它可以与发动机动力相匹配。对动力需求的评估可以为发动机提出一些最具挑战性的问题。在一些情况下可以通过设计和对空气质量进行控制从而降低整车排放以及发动机重量。对排放控制的挑战包括：①降低温度/空气间隙：降低温度可能导致颗粒物浓度增加而 NOx浓度增加。②在使用寿命内延长维护费用：减少维护费用可能导致颗粒物和 NOx排放的增加而降低成本可能导致增加 NOx负荷。③增加对车辆进行维护的难度：增加维护成本可能导致降低车辆性能而且维护成本会随着车辆性能、油耗、寿命等因素而变化。

参考文献：
[1] 李树宇. 汽油机颗粒捕集器(GPF)应用匹配参数研究[J]. 汽油机设计与制造, 2020, 26(2):4.

[2] 李配楠, 程晓章, 骆洪燕,等. 基于国六标准的汽油机颗粒捕集器(GPF)的试验研究[J]. 内燃机与动力装置, 2017, 34(1):5.