颗粒捕集器压差传感器位置的试验研究

2019-06-21马崇银

装备制造技术 2019年4期

马崇银，黄维，阳灿

（柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司，广西柳州545005）

0 引言

国六排放法规对汽油车颗粒物排放提出了更严格的要求，跟国五法规相比，关于颗粒物质量（PM）的限值下降了33%，同时又新增对颗粒物数量（PN）的要求[1]。怎样能降低汽油机的颗粒排放质量以及数量开发出满足国六标准车辆成为整车厂面临的新问题。针对这个问题，越来越多的汽车装上了汽油颗粒捕集器（GPF）。在进行GPF对排放影响的研究时，GPF上的压差传感器可以对排气流经GPF时所产生的压力降进行实时监测。GPF上压差传感器安装的位置的选择影响了碳载量压差模型的建立，在一些特殊工况下部分碳可能被累积，如果累积量达到一定的程度，需要发动机管理系统采取一些措施让这些累积碳燃烧掉（主动再生）。因此发动机管理系统需要能够准确地预估碳载量以便在碳载量达到限值时来采取主动再生控制，保证GPF能够正常工作。本文研究了不同压差传感器位置对GPF压差模型的影响，为各种带GPF的发动机项目提供参考。

1 试验背景原理

1.1 GPF的工作原理

GPF是汽车用来过滤排气中的碳烟颗粒，改善尾气排放的装置。GPF为挤压成型的壁流式蜂窝陶瓷结构形式，具有许多平行的轴向蜂窝孔道，而且相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞。GPF的过滤机理为让尾气流经多孔介质载体壁面，通过交替的封堵蜂窝状的多空陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道及壁面通过，尾气中的微粒通过扩散，拦截，重力，惯性等方式被捕集在载体壁面内及载体壁面上[2]。如图1所示。

图1 GPF内部结构

1.2 碳载量预估原理

随着碳在GPF内不断的积累，引起发动机的排气背压不断增加，进一步地将会引起发动机内的残余废气增加，造成燃油经济性的恶化。因此我们在GPF的两端安装压差传感器，利用压差预估GPF内部的碳载量。当碳载量达到预估值时系统开启主动再生将碳清除使GPF能够继续正常工作。

其中ΔPtotal为压差传感器所测得的压差。

ΔPclean由压差计算公式：

获得。

其中a1为标定的摩擦系数，a2为标定的惯性系数，μ为粘性系数，ρ为排气密度，Qvol为排气体积流量。

ΔPsoot为累积了颗粒物后的GPF压差。

颗粒物质量msoot由不同工况下的ΔPsoot与msoot的试验数据拟合而得。假设碳在GPF中均匀分布，排温和气量决定了碳累积速度，碳累积质量是基于里程的函数。

为了根据GPF压差直接查到相应的碳载量，消除排气流量的影响，引入名义压差soot index，soot index=0.0018*ΔPsoot/（μ*Q），最终得到名义压差soot index与碳载量的关系。

1.3 G PF再生原理

GPF先捕集废气中的微粒物，然后再对捕集的微粒进行氧化，使GPF再生。所谓过滤器的再生是指在长期工作中，GPF里的颗粒物逐渐增加会引起发动机背压升高，导致发动机性能下降，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复GPF的过滤性能。当通过碳载量预估的颗粒物质量及其他主动再生条件达到要求时，GPF便开始进行主动再生防止其不发生碳粒阻塞。其主动再生的主要反应为：

2 实验装置布置

2.1 G PF布置

GPF的布置方式分为两种：后置式与紧耦合式[3]。紧耦合式布置：和三元催化器集成到一块安装，距离排气歧管较近；后置式布置：直接安装在三元催化器下游位置。在本实验中，采用紧耦合式的GPF布置方式。如图2所示。

图2 GPF后置式和紧耦合式布置

2.2 G PF压差传感器布置

在某直喷增压发动机上进行GPF标定试验，在发动机及其他部件不做任何调整的情况下分别在GPF的直管和锥面上安装压差传感器下游端对压差进行测量。如图3所示。

图3 压差传感器下游端装在直管

如图4所示，在对压差传感器进行安装时保持：

（1）压差传感器测量管按垂直方向安装且需要获得尽量大的压差即压差传感器安装在尽量高的位置。

（2）连接压差传感器测量管方向单调不出现U型的结构。

（3）保证压差传感器的安装位置温度在其工作温度的范围内。

（4）确认压差传感器内不存在水汽等杂质。

图4 压差传感器下游端安装在锥面

3 压差试验研究

在发动机其他的条件不做改变的情况下，用相同的压差传感器，在下游端分别安装在直管与锥面上进行测量，通过控制发动机的负荷来控制发动机的排气流量。

测试数据结果如表1、表2。

表1 压差传感器下游端在直面上

表2 压差传感器下游端在锥面上

根据压差数据得到图5的压差对比。

图5 压差数据对比

压差标准化计算得到名义压差与碳载量的关系如图6所示。

图6 sootindex对比

通过数据对比可以分析出，压差传感器如果安装在锥面上，气流流速变化的时候，相应的压差变化不大，特别是在气体流速在62 g/s~80 g/s的变化区间时，压差传感器所测得的压差基本无变化，且整个测量过程中最大压差仅为7 kPa，这对于标定摩擦系数与标定惯性系数的拟合的精确度造成很大影响，进而影响碳载量预估模型的建立，而当压差传感器安装在直面上时，当气流的流速变化时，所测的压差变化较大，且最大压差达到23 kPa，这对于发动机管理系统建立碳载量预估模型的精度的提升，开启GPF主动再生，保证GPF能够正常工作具有重大意义。