PFI汽油车GPF再生特性研究.pdf

引用格式：引用格式：彭美春,李君平,叶伟斌,等.PFI 汽油车 GPF 再生特性研究J.中国测试，2023,49(9):161-166.PENGMeichun,LIJunping,YEWeibin,etal.GPFregenerationcharacteristicsofPFIgasolinevehicleJ.ChinaMeasurement&Test,2023,49(9):161-166.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2021110150PFI 汽油车 GPF 再生特性研究彭美春1，李君平1，叶伟斌1，陈越1，黄文伟2(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006;2.深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东深圳518055)TinTinTinTin摘要:研究 PFI 轻型汽油车实际道路行驶 GPF 再生工况特点，分析再生参数，如过量空气系数、GPF 入口排气温度与车辆运行工况的关系，研究再生时 CO2和 PM 排放特性。发现在 40100km/h 中高车速、14002200r/min中等转速区，加速或减速运行，易满足 1.05、450 的再生条件，高速路段满足再生条件的运行时间占比可达 19.18%，市郊路段 8.56%，市区路段 3.26%。分析了两种典型再生工况，一种为减速断油被动再生，为从中高车速急减速到低速，减速度2.45m/s2，初始约 700，值从 1.01 急速增大到 1.30；另一种为急加速主动再生，为从中等车速急加速到高速，加速度达 1.0m/s2，增大到 1.35，增加到 750。再生期间 PM 排放浓度均增大，CO2排放在加速再生期间增大、减速再生期间保持平稳。关键词:车辆工程;GPF;再生条件;再生工况;实际道路行驶中图分类号:X51文献标志码:A文章编号:16745124(2023)09016106GPF regeneration characteristics of PFI gasoline vehiclePENGMeichun1,LIJunping1,YEWeibin1,CHENYue1,HUANGWenwei2(1.SchoolofElectro-mechanicEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2.SchoolofAutomotiveandTransportationEngineering,ShenzhenPolytechnicCollege,Shenzhen518055,China)TinTinTinTinAbstract:This paper studied the characteristics of GPF regeneration operating modes of PFI light dutygasolinevehicleonroad,analyzedtherelationshipamongvehicleoperatingmodesandGPFsregenerationparameters,inlettemperatureofGPF,andCO2andPMemissioncharacteristicsduringregeneration.Itisconcludedthatitcaneasilymettheregenerationconditionsof1.05,450whenvehiclerunsat40km/hto100km/h,1400r/minto2200r/min,andaccelerationordecelerationoperation.Itisfoundtheproportionofoperationtimetomeettheregenerationconditionscanreach19.18%inhighway,8.56%insuburban,and3.26%inurban.Thistestexplorestwotypicalregenerationmodes,oneistherapiddecelerationregenerationatthemediumandhighvehiclespeed,thedecelerationreaches2.45m/s2,theinitialisabout700,andtheincreasesfrom1.01to1.30.Theothersituationisrapidaccelerationregenerationatmediumvehiclespeed,accelerationreaches1.0m/s2,increasesto1.35,andincreasesabove750.ThePMemission concentration increases during regeneration,the CO2 emission increases during the acceleratedregeneration,butkeepsrelativelystableduringdecelerationregeneration.收稿日期:2021-11-20；收到修改稿日期:2022-02-24基金项目:深圳市环境科研课题资助项目（2019XY1368STZF）作者简介:彭美春（1963-），女，湖南衡阳市人，教授，博士，从事机动车排放污染控制研究。第49卷第9期中国测试Vol.49No.92023年9月CHINAMEASUREMENT&TESTSeptember,2023Keywords:vehicleengineering;GPF;regenerationconditions;regenerationoperatingmodes;realroaddriving0 引言为应对国家第 VI 阶段轻型汽车严格的颗粒物排放标准，大多轻型汽油车，包括进气道喷射（portfuelinjection，PFI）汽油机需装配颗粒物捕集器（gasolineparticulatefilter,GPF）以过滤排气中的碳颗粒物。GPF 中累积的碳颗粒需要不时燃烧，使GPF 获得再生。如何有效安全地再生是 GPF 技术关键。TinPFI 汽油机一般采用化学当量燃烧，过量空气系数 值为 1.0 附近，排气温度较高，导致 GPF 再生难点主要是排气中氧气不足1。一些学者发现 1.05、GPF 入口排气温度450，GPF 可发生较明显的燃烧再生，排气温度越高，对再生氧气浓度要求越低2-5。减速断油可以提高汽油车排气中氧气含量，促进 GPF 再生6-8，是常采用的 GPF 再生策略之一。但减速断油不是时时都适用的再生工况。主动调稀空燃比以提高排气中氧气含量、推迟点火角以提高排气温度等也是常用的 GPF 主动再生策略9-11，采用该策略时需要综合考虑车辆的使用性能。车辆实际道路行驶中工况变化频繁，加速工况是否适合 GPF 再生，以及怎样保证再生，少有人研究。怎样实现可靠经济地再生，关系到再生效果也影响车辆使用性能。Adam等12研究发现欧洲 RTS95 激烈驾驶循环工况下，GPF 可再生工况时间占比为 11.5%26.7%。前人对实际道路运行工况下 GPF 再生可能性、再生工况特点研究较少，对 GPF 再生期间 PM和 CO2排放特点研究也较少。本文以 PFI 轻型汽油货车为对象，采用车载试验方式研究车辆实际道路运行工况与再生条件参数，如过量空气系数()、GPF 入口温度(Tin)的关系，探究再生工况区域与工况特点，研究再生期间 CO2、PM 排放特性。研究成果可为开发 GPF 再生策略提供参考。1 车载试验方案1.1 试验车辆与路线试验的 PFI 轻型汽油货运车辆主要参数如表 1所示，装配覆有催化剂的汽油机颗粒捕集器（catalyzedgasolineparticulatefilter,CGPF）及 TWC。表 1 测试车辆主要信息参数值长宽高/(mmmmmm)599017802125整车最大总质量/kg3470发动机排量/L1.8最大功率/kW92最大功率转速/(rmin1)3600最大扭矩/(Nm)180排放标准国VI累计行驶里程/km4697试验路线位于深圳，如图 1 所示，包括市区同沙路与蛇口港之间的市区道路、西丽与松岗之间的南光高速公路，行驶次序如图中箭头所示。测试线路往返里程 89km，车辆行驶时长 125min，测试时环境大气温度 31。图 1 测试路线图1.2 测试设备与安装采用美国 Sensors 公司生产的 ECOSTARPLUS车载测试设备，设备构成与联接如图 2 所示，包括FEM 测量系统、MPS 排气稀释系统、CPM 颗粒物测量系统、OBD 读取器、GPS 和温湿度计、PDCM供电和数据传输中心等。MPSCPMPDCMFEMNOxOBDGPS 模块与温湿度计计算机流量管排气排气信号传输图 2 车载测试设备安装示意图FEM 测量系统中集成了排气流量计与 CO、CO2、O2等分析仪，其采用 NDIR 方法测量 CO、162中国测试2023年9月CO2体积浓度，电化学方法测量 O2体积浓度。基于测得的 CO2、CO 等排气成分的体积浓度及汽油组分中的氢碳摩尔比、氧碳摩尔比等参数值，代入GB18352.62016轻型车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）附件 DD 中规定的过量空气系数 计算式，计算得出 13。排气经 MPS 稀释后输入 CPM，应用高压电离捕集方法对粒径大于 23nm 的颗粒物进行连续质量浓度测量。OBD 读取器从车辆 OBD 接口中读取实时的发动机转速、负荷、节气门开度、GPF 入口温度 Tin等数据。GPS 测试车速与车辆物理位置，温湿度计测试环境温湿度。2 试验结果与分析2.1 满足 GPF 再生条件的工况统计v v v Tin按轻型汽车国 VI 标准规定的 RDE 测试规范，将测试路段划分为三种：车速 v60km/h 行驶路段划分为市区路段；第一次60km/h 至第一次90km/h 划为市郊路段；第一次90km/h 至试验结束为高速路段。表 2 为三类测试路段车辆运行参数平均值。可知市郊、高速路段均高于 GPF 再生所需温度 4503，三种路况下过量空气系数平均值 均大于 1，说明整个测试行程混合气偏稀。表 2 测试路段车辆运行参数均值路段市区市郊高速时间占比/%36.731.431.9平均负荷率/%405056 n/(rmin1)135816112048 v/(kmh1)214366Tin/4395365961.031.031.05假设以 Tin450、1.05 作为 GPF 再生条件，计算出市区、市郊、高速路段满足再生条件的运行时间占比分别为 3.26%、8.56%、19.18%，可见，高速路段发生再生可能性远大于市郊和市区，市区的再生可能性很低。2.2 GPF 再生条件与整车工况关系分析vava基于测试数据做出车速、加速度、三维散点图，如图 3 所示。可知，主要分布在 0,105km/h，主要分布在 1.5,1.5m/s2，主要分布在 1.0,1.5。以 10km/h 间隔将测试速度范围划分为 11 个|a|0.01vaa为0、v 10|a|图 5、图 6 分别为、基于车速与加速度的分布。由图 5 可知，减速工况下 值一般高于加速工况；v30km/h，减速工况下出现 1.1 情形；车速越高、减速度越大，值越大。v40km/h 中高速、加速工况和匀速工况下，也会出现 1.1；v30km/h低速行驶时，1.05。减速工况为节能减排目的，一般将混合气设置偏稀14。中高车速、减速工况下，1.1 为 GPF 再生创造了条件。40km/h、加速工况下 1.1，同样满足再生条件。vv从图 6 看出，大部分工况下 Tin450，约一半工况点 Tin550。速度越高、加速度越大，Tin越高，最高可达 770。Tin450 主要出现在 30km/h 的减速工况中，当 30km/h 时，Tin450；1201008060v/(kmh1)40200 3210123451.01.52.02.53.03.54.04.5a/(ms2)图 3 速度、加速度、分布第49卷第9期彭美春，等：PFI 汽油车 GPF 再生特性研究163另外，相同车速时，加速工况 Tin普遍高于减速工况。综上，40100km/h 中高车速、减速或加速运行，易满足 Tin450、1.05 的再生条件。2.3 GPF 再生条件与发动机工况关系分析基于转速 n 和负荷 load 逐秒数据，以 200r/min间隔将测试 n 数据划分为 12 个区间，以 10%的间隔将负荷范围划分为 10 个区间，得出、Tin基于发动机 n、load 的分布，分别如图 7、8 所示。n/(100 rmin1)3228242016128Load/%1020304050607080900.951.001.051.101.101.051.000.95图 7 与发动机转速、负荷关系n/(100 rmin1)32Load/%282420161281020Tin/Tin/85075065055045035030405060708090100400500600700800图 8 Tin与发动机转速、负荷关系分析数据得知除了在 n2600r/min、大负荷下出现有 1.0 的情况，其他工况均 1.0，说明大多数工况下发动机混合气是偏稀的，1.05 出现在14002200r/min 中等发动机转速下。由图 8 可知，转速越高、负荷越大，温度越高。低于 1400r/min时出现 Tin1.0 的峰值，PM 排放浓度也有所增大，这表明有再生发生可能，片段 1-1 对应急减速工况，2-2 对应加速工况。CO2PMCO2PMCO分析该两片段内、Tin两个再生条件参数变化规律，以及、与车速、节气门开度间的关系，以判断 GPF 再生可能性，总结工况特点与、排放特性，如下：1）急减速工况 1-1CO2PMCO2PMCO2由图 10 可知，节气门开度从 100%迅速降至接近于 0，车速从 80km/h 急速降至 0，时长约 30s，减速度为2.45m/s2，明显高于 2.2 节车辆正常行驶减速度主要分布范围 1.5,0m/s2。根据、的变化再分成 a-a 和 b-b 两小段。a-a 阶段约 20s，Tin从 700 降低至 450，值保持在 1.01 左右，上升，基本保持在 14.5%附近；b-b 阶段约 10s，Tin从 450 降低至 380，值由 1.0 增大至 1.3，相比减速前依然保持较高值，从 14.8%降低至 11%。a/(ms2)1.51.00.500.51.01.5v/(kmh1)0204060801001.001.051.101.151.201.251.301.351.251.151.050.95图 5 与速度、加速度关系a/(ms2)1.51.00.500.51.01.5v/(kmh1)020406080100400500600700800Tin/Tin/850750650550450350图 6 Tin与速度、加速度关系164中国测试2023年9月Tin/v/(kmh1)CO/%CO/%0.91.01.11.21.31.4b-ba-a020406080100节气门开度节气门开度/%10121416CO6 410 6 420 6 430 6 440 6 450 6 460 6 470 6 48000.020.040.060.080.10COt/s350450550650750Tin020406080100v0246810PMPM/(100 gm3)图 10 片段 1-1 参数随时间变化PMPMCO2PMPMCOCO分析认为，a-a 阶段，急减速开始时高的排气温度与偏稀的混合气，促使 GPF 发生被动再生，颗粒物燃烧产生的细小颗粒物排放导致较减速前有所增大，b-b 阶段因减速断油 增加，虽然 GPF 入口排气温度下降到 380，但在 a-a 阶段碳粒的燃烧，b-b 可继续保持，导致保持在较高位，而因断油影响，下降。故认为这是一典型的中高车速下的减速被动再生工况，减速度为2.45m/s2。再生阶段呈增长趋势，原因是 GPF 氧化燃烧再生时，部分颗粒物不完全燃烧呈更细的颗粒物形态排出，导致 GPF 后排气中测得的增大，该结果与参考文献 15 的研究结论相同。在再生期间呈增长趋势，其原因是 GPF 中碳颗粒物的燃烧再生，会产生 CO，导致升高。2）急加速工况 2-2由图 11 可知，车速自 60km/h 加速到 100km/h，节气门开度由 25%急速增加至 100%，时长约 40s，加速度为 1m/s2，属于中高车速、加速工况。由1.25 增加到最大 1.35，然后下降至 1.04，Tin从约5 850 6 100 6 350 6 600 6 850 7 100 7 350 7 6000200400600800TinTin/t/s020406080100vv/(kmh1)010203040 PM1234 04812162-21-1CO/%CO2PM/(100 gm3)图 9 参数随测试时间变化t/sTin/v/(kmh1)CO/%CO/%节气门开度/%1.01.11.21.31.41.5020406080100节气门开度101112131415CO7 260 7 270 7 280 7 290 7 300 7 310 7 320 7 3300.010.020.030.040.05CO400500600700800Tin020406080100120v02468PMPM/(100 gm3)图 11 片段 2-2 参数随时间变化第49卷第9期彭美春，等：PFI 汽油车 GPF 再生特性研究165CO2PM560 增加到 750。、增大幅度分别为33.3%、700%。诸现象表明 GPF 发生了再生。CO2PMCO急加速一般设置偏浓的混合气，但图 11 中 不降反升，可知在急加速工况 2-2 中，GPF 发生了主动再生，再生过程中颗粒物燃烧产生导致增大，颗粒物不完全燃烧呈细微颗粒排出导致增大。图 11 中 2-2 片段再生期间也出现波峰。故认为这是一典型的从中等车速加速到高速的加速再生工况。aPMCO2综上，40100km/h 范围，可以有两种典型的再生工况，一是从高速急减速的减速断油工况，为2.45m/s2，Tin初始值 700，断油后 值升高到1.3，出现峰值，增大不明显。另一种加速再生工况，速度从中等车速增加到高速，采取稀混合气策略提高 值到 1.35，Tin升高到 750，其排放特点是 PM 与 CO2排放均增大。3 结束语本文开展了 PFI 汽油车 GPF 再生特性试验研究，分析了再生条件、Tin与工况关系，研究了再生工况模式及再生排放特性等，得出主要研究结果结论如下：1）高速、市郊、市区路段满足 GPF 再生条件的运行工况占比分别为 19.18%、为 8.56%、3.26%。显然中高速较易满足 GPF 再生条件。2）40100km/h 中高速、减速或加速运行易满足 Tin450、1.05 的再生条件。如，高速 100km/h、初始 Tin约 700，节气门开度从 100%急降到 0，减速度达2.45m/s2，升到约 1.3，GPF 可发生减速断油被动再生。或，从中等车速急加速到 100km/h，节气门开度迅速增大到 100%，加速度为 1m/s2，期间 Tin增大到 750，增大到 1.35 左右，可使 GPF 发生急加速主动再生。PM3）再生期间增大。参考文献THORSTENB,DOMINIKR,NICOLINP,etal.Oxidationof1soot(PrintexU)inparticulatefiltersoperatedongasolineenginesJ.EmissionControlScienceandTechnology,2015,1(1):49-63.TSOLAKISM,HERREROSJ,TSOLAKISA,etal.Gasolinedirect injection engine soot oxidation:Fundamentals anddetermination of kinetic parametersJ.Combustion andFlame,2018,190:177-187.2SHIMODA T,ITO Y,SAITO C,et al.Potential of alowpressure drop filter concept for direct injection gasolineengines to reduce particulate number emissionC/SAETechnicalPaper,2012.3MIAO S,LUO L,LIU Y,et al.Development of agasolineparticulate filter for China 6(b)emission standardsC/SAETechnicalPaper,2017.4彭乐高,王泽斌,冼国毅,等.GPF 怠速再生控制策略研究C/2020 中国汽车工程学会年会论文集(4),2020.5NICOLINP,DOMINIKR,KUNATHF,etal.Modelingofthe soot oxidation in gasoline particulate filtersJ.SAEInternationalJournalofEngines,2015,8(3):1253-1260.6范明哲,张宾.汽油机 GPF 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