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引言

随着我国汽车保有量的不断增加以及对环境保护问题的日益重视，各汽车排放法规日益严苛。我国已发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]法规，国六气体有害物排放相对于国五降幅非常大，气体有害物通过优化三元催化器可以进行有效的控制，国六法规同时增加了PN（Particle Number）颗粒数量排放要求。基于目前现有的技术，PN 发动机原始soot 排放均在百万级别以上，部分加浓区域甚至超过千万级别。在排放后处理方面通过增加颗粒捕集器GPF（Gasoline Particle Filter）可以达到降低PN 的目的，颗粒捕集器GPF 的过滤效率可以达到90%以上。但GPF 在捕集了一定量的颗粒物之后，需要使其高温再生，GPF 本身有一个最大温度承受范围。这就需要EMS 控制系统对GPF 的状态加以了解，对再生过程施以精确的控制。本文是以1 台1.2T 的3 缸增压直喷发动机为研究对象，对GPF 标定过程进行分析研究。

1 颗粒分布及形成

颗粒物是排气中固相（碳颗粒、灰分）及液相（除水之外）的总称。直喷发动机的颗粒排放物主要是称之为碳烟的固态碳颗粒。这些碳颗粒会被氧化硫及硫酸盐等无机物包裹，同时会吸附氧化及未氧化的碳氢等有机物。

天津大学潘锁柱[2]进行的研究表明可以将颗粒依其直径的大小分为以下2 种状态。

核态颗粒物：直径小于30 nm，核态颗粒物主要是发动机在燃烧过程中产生的易挥发有机成分、固态碳粒、金属灰烬及硫酸盐等通过成核作用形成的。核态颗粒物颗粒数量占比最大，但是总质量占比最小。

积聚态颗粒物：直径介于30～500 nm 之间。聚态颗粒物主要是发动机燃烧过程中燃烧不完全生成的初级碳颗粒通过团聚并吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质形成的。聚集态颗粒物一般由核态颗粒物聚集而成，数量占比居中，但总质量占比最大。

清华大学帅石金等[3]研究表明，GDI 汽油机碳烟排放主要来源于附壁油膜的池火燃烧和缸内局部浓区的燃烧，燃油喷射策略和混合气组织方式对缸内碳烟生成有重要影响；直喷汽油机颗粒物在冷启动、加速及稳态催化剂加热时产生最多[4]。

2 颗粒捕集器的作用及工作原理

GPF 过滤机理与DPF 基本相同。排气以一定的流速通过多孔性的壁面，这个过程称为壁流，壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成，通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔壁面通过，颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性4 种方式被捕集过滤[5]，大量研究表明，壁流式过滤器是目前减少颗粒排放最有效的手段[6]。颗粒捕集器是对发动机的颗粒排放物进行捕集，进而达到降低颗粒物质量和数量的效果。

发动机燃烧的颗粒产物中含有碳颗粒（汽油燃烧）和灰分（机油燃烧）。这些碳颗粒和灰分被GPF 捕集，在GPF 中累积。但当累积量过大时，发动机的排气背压会上升，油耗增加。所以要适时对GPF 再生。

GPF 的再生主要包含如下2 个化学方程式：

1）在GPF 内部温度高于580℃，且氧浓度大于0.5%时，发生如下化学放热反应：

C+O2=CO2

2）在GPF 内部温度高于800℃，且没有氧气时，发生如下化学吸热反应：

C+H2O=CO+H2

由于GPF 有最大温度限值，GPF 再生过程需要进行有效控制，所以GPF 的标定需要对累碳、烧碳的过程进行精确的标定。

3 GPF 标定过程

GPF 的标定过程示意框图如图1 所示。

图1 GPF 标定过程示意框图

3.1 原始soot 排放标定

在进行GPF 标定的过程中，测量发动机的原始soot 排放的目的是为了标定GPF 在发动机运行过程中的累碳量，确定发动机在不同工况下的原始soot排放数据，通过积分计算的方法，可以精确地确定发动机运行过程中产生的soot 质量。

3.1.1 AVL483 偏差系数确定

发动机原始soot 排放的测量需要使用AVL483设备，但是由于AVL483 测量soot 质量与实际称重存在差异，为了保证soot 原排标定的准确，在开始试验前需要确定AVL483 测量值与实际称重的偏差系数k 用于原始soot 排放的测定，选择GPF 温度小于800℃的工况点：

AVL483积分量为IntegralSoot，GPF碳载量为ΔM，则：

以本次标定的3 缸机为例：k=3.07g/2.18g=1.41，此偏差系数用于后续的原始soot 排放标定。

3.1.2 原始soot 排放测定

原始soot 排放需要标定热机、冷机工况下的单次喷射模式（HOM）和2 次喷射模式（HSP）的原始soot 排放，发动机不同工况下soot 的生成速率不同，按照发动机的万有测量工况，将平均值乘以AVL483偏差系数k 填入map 即可。

图2 为通过测量发动机万有数据后处理的原始soot 排放数据，将此数据填入map，由于发动机工作稳定，不同发动机原始soot 排放差异小，当发动机在相应工况运行时，通过查map 的方法确定相应工况的原始soot 排放，通过积分计算，可以计算出一段时间内发动机产生的soot 质量，通过GPF 的捕集效率可以计算GPF 内积累碳的质量。

图2 发动机原始soot 排放测量数据

3.1.3 空燃比对原始soot 排放修正

由于空燃比加浓会造成soot 浓度的增加，因此需要测定不同空燃比下soot 的值，确定不同空燃比对空燃比为1 情况下的修正。

图3 为空燃比加浓对soot 的修正曲线。由于空燃比加浓，发动机燃烧会变差，会增加soot 的排放量。由图可以看出随着空燃比的加浓，soot 浓度变大，加浓系数也在变大。通过加浓系数的修正可以精确计算发动机运行在加浓工况中soot 排放的生成量。

图3 空燃比对soot 排放的修正曲线

3.2 燃烧速率标定

3.2.1 定氧流量标定

定氧流量标定指保持GPF 中的氧流量不变，变化GPF 中的温度，计算soot 的燃烧速率。

按照800℃以下温度断点（450℃，600℃，650℃，750℃，800℃），找到600 mg/s 的氧流量时的转速、负荷及空燃比的工况，GPF 温度通过转速、负荷来调整，氧流量通过空燃比调整。

氧流量的计算公式：

O2_MF=64.361*空气质量*（1-1/φat）（mg/s）（2）

每一个测量点都要先快速累碳4～5 g。

1）按照工况做稳态燃烧再生，温度越高再生时间要逐步缩短。

2）燃烧后称重，得到剩余碳载量，剩余碳量小于2 g。

3）计算各温度点下的燃烧速率。

图4 为某3 缸机定氧流量燃烧速率随温度的变化曲线。

图4 600 mg/s 氧流量不同温度时碳的燃烧速率

碳的燃烧需要具备2 个条件：氧气和温度。由图4 可以看出，相同氧流量下，随着温度的增加，燃烧速率也在增加。在确定GPF 内氧流量、温度以及载碳量后可以精确地确定GPF 内碳的燃烧速率，达到计算GPF 剩余碳量的目的。

3.2.2 定温标定

定温标定指保持GPF 内温度不变，变化氧流量，计算GPF 内soot 的燃烧速率。

按照氧流量断点（200 mg/s、600 mg/s、1 000 mg/s、6 600 mg/s）找到GPF 温度在650℃的转速、负荷及空燃比的工况。GPF 内温度通过转速和负荷调整；氧流量通过空燃比调整。

1）每一个测量点都要先快速累碳4～5 g。

2）按照工况序列做稳态燃烧再生。空燃比较浓时，再生时间要长些（例如30 min），随着空燃比的渐稀，再生时间逐步缩短。

3）燃烧后称重，得到剩余碳载量，剩余碳量小于2 g。

4）计算各工况点燃烧速率。

图5 为3 缸机650℃时不同氧流量碳的燃烧速率曲线。

图5 GPF 内650℃时不同氧流量碳的燃烧速率曲线

由图5 可以看出，相同温度下，燃烧速率随着氧流量的增加也在增加。

通过以上定温、定氧工况下燃烧速率的确定，可以通过插值计算的方法确定在不同温度、不同氧流量下GPF 内碳的燃烧速率。

3.3 最大燃烧速率标定

3.3.1 满载最大燃烧速率标定

标定最大燃烧速率需要首先定义GPF 的最大碳载量（定义最大碳载量的标准是影响到发动机的性能）。图6 为GPF 内不同碳载量时碳的燃烧速率。

图6 GPF 内不同碳载量时碳的燃烧速率

本次标定的3 缸发动机定义GPF 最大碳载量为24 g。

满载碳量最大燃烧速率标定需要在相同工况再生7 次，最后一次再生剩余碳量大于0 g，同时小于1 g，每次再生后称重同时计算燃烧速率。

从图6 可以看出，GPF 内碳载量不同，燃烧碳的速率不同，碳载量越高，燃烧速率越快，

3.3.2 半载碳量最大燃烧速率标定

1）重新快速累碳至最大碳载量的一半左右12.57 g。半载碳量最大燃烧速率标定需要在相同工况再生3 次，最后一次再生剩余碳量大于0 g，同时小于1 g，每次再生后称重同时计算燃烧速率。图7为GPF 内不同碳载量时碳的燃烧速率。

图7 GPF 内不同碳载量时碳的燃烧速率

从图7 可以看出，GPF 内碳载量不同，燃烧碳的速率不同，碳载量越高，燃烧速率越快。

通过满载和半载碳量燃烧速率的测定，确定不同碳载量下GPF 内碳的燃烧速率，并结合定温、定氧情况下测定的燃烧速率，用于烧碳模型的建立。

3.4 累碳模型验证

累碳模型的建立主要是根据原始soot 排放数据的测量，通过标定发动机不同运行工况的soot 流量，通过积分计算的方法确定发动机在运行一段时间后GPF 内的累积碳量。通过AVL483 设备可以进行校正模型的偏差。

模型检查循环方式为WLTC 循环，基于GPF 在循环中的温度高低，循环需要跑多次。而且测试结束时，GPF 中也要有碳的存留，至少在1g 以上，所以这里的热起动循环次数为n，需要依项目情况而定。

在该测试中，可以依照模拟通道采集的实时数据更正累碳模型值，最终模型计算累碳量要大于实际碳载量30%以内。

通过发动机实际运行WLTC 循环进行累碳试验。图8 为累碳过程，累碳模型值与AVL483 积分值对比，两者偏差在30%以内，满足模型精度的要求。

图8 累碳模型检查数据

3.5 烧碳模型检查

烧碳模型的建立主要是在确定GPF 内的累碳量后通过确定GPF 内的温度、氧流量等参数，以及标定的不同温度、氧流量及碳载量下的燃烧速率，确定在一定时间内的烧碳量，通过称重法确定GPF 内的剩余碳量，可以检查烧碳模型的精度。

模型检查循环方式为WLTC 循环，基于GPF 在循环中的温度高低，循环需要跑多次，而且测试结束时，GPF 中也要有碳的存留，至少在1 g 以上，所以这里的热起动循环次数为n，需要依项目情况而定。在该测试中，可以依照模拟通道采集的实时数据更正累碳模型，最终模型计算累碳量要大于实际碳载量30%以内，图9 为烧碳模型检查数据。

图9 烧碳模型检查数据

模型再生碳量4.505 g，实际再生碳量4.41 g，实际小于模型烧碳速率2.1%，烧碳过程主要集中的高转速区域，烧碳模型最后剩余碳量与实际称重的碳量偏差在30%以内，满足烧碳模型精度要求。

4 结论

1）通过测量发动机各转速和工况的原始soot 排放数据，可以进行GPF 累碳模型的建立，通过积分确定GPF 在运行一定时间后的累碳量。

2）定氧和定温情况下，GPF 内的燃烧速率会随着氧流量增加以及温度增加，燃烧速率也跟着增加。在最大氧流量以及最大温度条件下，GPF 内的碳的燃烧速率随着碳载量的减小而减小；通过测定不同温度及不同氧流量下的碳的燃烧速率，可以精确计算GPF 在烧碳模型中烧的碳量。

3）通过运行WLTC 工况，发动机运行到相应的工况，通过原始soot 排放模型的标定，模型可以根据发动机运行工况及时间计算GPF 的累碳量，通过实际测量GPF 累碳模型与AVL483 积分值接近，能满足模型的要求。

4）通过运行WLTC 工况，根据发动机的再生运行工况确定GPF 内碳的燃烧速率模型和累碳模型，再生完成后可以确定GPF 内剩余的碳量，通过试验GPF 烧碳模型与称重值接近，能满足模型的要求。

通过以上参数及模型的标定及验证，可以很好地对GPF 的碳载量模型进行控制，防止GPF 损坏或者堵塞对发动机性能的影响。