缸内直喷汽油机颗粒捕集器低温冰堵问题试验研究
冯海涛 李光磊 曲函师 姜思君 陈俊杰
（中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春 130011）
【摘要】为解决中国北方地区冬季低温条件下汽油机颗粒捕集器（ GPF）吸水导致结冰堵塞的问题，针对低地板和紧耦合两种布置形式，通过设定不同的发动机起动温度、起动运行时间及起动运转次数对GPF结冰堵塞进行定性判断，对水分累计量和吸水效率进行定量分析，并对GPF内部温度场模型的建立进行了试验研究，结果表明，优化标定数据可缓解冰堵风险，紧耦合布置形式是GPF冰堵的最终解决方案。 主题词：汽油机颗粒捕集器 低温 结冰堵塞 低地板 紧耦合U464；TK411+.5 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20181055中图分类号： 文献标识码： DOI:
Experimental Research of Low Temperature Ice Blocking in GPF for GDI Engine
Feng Haitao, Li Guanglei, Qu Hanshi, Jiang Sijun, Chen Junjie General R&D Institute of China FAW Group Co., Ltd., Changchun 130011） （ Abstract Gasoline Particulate Filter (GPF), if absorbs water, will be frozen and blocked under low temperatures in【 】winter in north China. To solve this problem, qualitative judgment to frozen and blocked GPF, and quantitative analysis to accumulated water content and water absorption efficiency by setting different engine start temperature, were made，via setup of starting duration and quantity of starting operation based on arrangement of underfloor and close coupling, experimental study on the establishment of temperature field model inside GPF were also made. The research shows that the optimization of dataset can be used to reduce the risk of ice blocking, and the close coupling arrangement is the final solution of GPF ice blocking. Key words: GPF, Low temperature, Ice blocking, Underfloor, Close coupling
1 前言
GB 18352.6—2016
《轻型汽车污染物排放限值及测
2020 7 1
量方法（中国第六阶段）》将于 年 月 日起实施，
HC CO NOx 50%，
除对气体排放物如 、 、 的排放限值降低约
Particulate Matter，PM） Particle
颗粒物（ 和粒子数量（
Numbers，PN）
的限值更是对汽油发动机提出了更大的
Gasoline Direct Injection，GDI）
挑战。汽油缸内直喷（ 发动机已成为市场主导产品，但其相比于进气道喷射
Port Fuel Injection，PFI）
（ 发动机会产生更多颗粒物，因
PN
此降低 成为应对中国第六阶段排放标准所面临的最大技术挑战[1-2]。
PN
中国第六阶段排放标准过渡阶段的 限值尚能通过升级发动机软、硬件系统及优化标定控制参数进行应
Gasoline对[3]，但过渡阶段结束后，汽油机颗粒捕集器（ Particulate Filter，GPF） PN
作为降低 的有力手段必将被
2023
引入发动机系统。此外，针对 年即将实施的对实
Real Driving Emission，RDE） PFI
际行驶排放（ 的监控， 发
GPF PN
动机存在巨大的风险，因此 被视为降低 的主要技术手段而被逐步应用到所有满足第六阶段排放标准的车辆[3-4]。
GPF
在推广使用过程中也暴露出一些问题，某早期开发车型的试验车在寒区进行低温标定测试（该车辆主要进行低速低负荷相关试验）过程中，车辆起动怠速或低速行驶若干次后出现发动机无法起动现象，分段拆解
GPF
分析后确认 存在结冰问题。考虑到中国北方大部分城市冬季漫长，部分用户用车工况与此类似，本文以
GPF V GDI GPF
一台带有 的 型 发动机为基础，对 结冰堵
GPF
塞问题进行试验研究，提出了 冰堵判断依据，并利用高原高低温环境模拟系统通过试验、分析给出了解决
方案，同时缩短了开发周期。
2 GPF工作原理及吸水性分析2.1 GPF工作原理
GPF汽油机颗粒物主要由不同粒径的碳烟组成， 通过壁流式过滤，应用拦截和扩散为主导的颗粒补集机
90%~制，通过各性能参数间优化组合，过滤效率到达
98%[ 1
5-8]，壁流式过滤器如图 所示。 壁流式过滤器以其极高的过滤效率而被广泛应用，
GPF
但同时也应注意到， 在过滤颗粒的同时也能拦截水分，尤其是低温环境下排气系统后端温度低，水蒸气冷
GPF
凝析出被 拦截并吸附储存于组织内部，发动机运行一段时间后，随温度升高，冷凝水被再次气化并随高速
GPF
尾气气流排出，而温升速率与发动机运行工况及 布置形式强相关。
2.2 GPF吸水性能分析
GPF
目前， 载体材料主要是堇青石蜂窝陶瓷，该材料以其独特的多孔结构而具有热膨胀系数低、密度小、比表面积大、吸附能力强、耐火温度高、化学稳定性好等特点而广泛应用于尾气后处理系统[11- 12]。但堇青石作为硅酸盐矿物的一种，吸水率、孔隙率是其结构特征的重要指标，研究表明，通过陶瓷吸水率测定仪测得堇青
ZrO2 2
石的吸水率和孔隙率（加入 添加剂）如图 所示。
3 试验方案设计 3.1 试验对象及设备
Three Way
试验选用一台带有三元催化转换器（
Catalyst，TWC） GPF V GDI
及 的型 发动机作为研究对
1
象，发动机参数如表 所示，排气后处理系统布置方式
3 GPF
如图 所示， 采用低地板布置形式。利用高原高低 HQC- 500（
温环境模拟系统 环境舱）进行低温冷冻试
GPF
验；为建立 内部温度场模型，安装若干温度、压力传
4 HORIBA FQ-2100DP
感器，如图 所示；同时，安装 油耗
METTLER TOLEDO
仪用于燃油消耗量记录，配备
XK3123 GPF
电子天平用于 样件称重，配备纳博热马弗
N500/85HA GPF
炉 进行 样件烘烤。 4图 排气系统温度及压力传感器布置 GPF
针对该 样件，通过进气量及燃油消耗量计算得
GPF
到尾气中的含水量，通过称重得到 内水分的增量，
GPF
进而估算出 的吸水率，并建立与其他参变量间的关
2 GPF
系，表 所示为该 样件的性能参数。
3.2 试验方案
主要应用环境舱进行低温冷机怠速试验，控制环境
-30℃ -25℃ -20℃ -10℃，
舱内目标温度分别为 、、和 发动机充分热机并静置后，根据不同的冷机怠速运转时间
120 s 300 s 600 s）
（ 、、 进行试验测试，试验前、后分别对
GPF GPF
在目标温度下称重，得到 的基准质量及每次试
GPF
验后的质量增量，每组试验重复进行直到出现 冰堵
ETAS
而无法起动发动机，同时应用 软、硬件系统对发动机低温冷机怠速的各处温升进行实时数据监控，建立
GPF GPF
前、后及内部的温度场模型。试验后对 样件应
World
用马弗炉烘烤或运行世界统一轻型车测试循环（
wide harmonized Light duty Test Cycle，WLTC）
进行处理。针对上述工况，本文应用低地板和紧耦合两种方案，并通过优化标定参数进行对比试验。
4 试验及数据分析 4.1 GPF冰堵问题定性判断
北方地区部分用户单位与住宅距离近，冬季每天早、晚高峰时段低速行驶，车辆运行时间过短而无法热机，到达目的地后停机静置时间长，以相近温度下运转
10
次作为北方地区部分用户的用车习惯。考虑到低速行驶区域广泛而不易规范化，且低速行驶相比于冷机怠速运转由于排气流量大且具有温升速率快等优势，并非最苛刻的用车环境，从扩展边界条件考虑极端用户体
10
验，应用低温冷机怠速工况进行摸底，因此以 次冷机
GPF
起动是否产生冰堵作为 冰堵的判断依据。
-25 ℃ -30 ℃）
首先在目标温度（ 和 下冷机起动发动
300 s， 4 h， GPF
机怠速运行 停机静置 重复多次直至 出
GPF
现冰堵。 布置方案为低地板和紧耦合两种，低地板方案使用原标定数据和特殊优化后的标定数据（提升怠速转速和延长催化器加热时间等），结合用户实际使用
10
工况，低温起动 次以内产生冰堵现象，定为存在冰堵
10
问题；低温起动 次以上出现冰堵现象，认为不影响实
5
际使用，可以接受。试验结果如图 所示。 5
由图 可知，对于低地板布置方案，无论标定数据
GPF
优化与否，在不同的目标温度下都会出现 结冰堵塞情况，区别在于起动次数的差异，而紧耦合方案则不存
GPF 6
在该问题， 冰堵样件及局部如图 所示。
4.2 GPF水份累积定量分析
4.2.1 GPF
起动次数对 水分累积量的影响 -25 ℃， 300 s，
设定起动温度为 起动运转时间为 研究
GPF
起动次数对 内水分累积量、吸水效率及排气系统各
7 V
处温升的影响，结果如图 所示。由于试验以 型发动机
GPF
作为研究对象，对 左、右两侧分支分别称重，对比两侧一致性，选取运转条件相对较差的一侧作为研究对象。 7
由图 可知，在相同运转条件下，燃烧产生等量水，
GPF
内水分增重随着起动次数的增加而上升，吸水率也
GPF
同时增长，为了解释其原因，给出排气系统和 内各
8 9
处温升曲线如图 、图 所示。
8 9 GPF
由图 、图 可知，每次起动排气出口和 入口处
GPF
的温升一致，说明起动及运转状态基本相同，而 内
GPF
部温升随起动次数的增加而逐渐降低，源于 内吸热时间增加，水分蒸发和冷凝相变历程变长，而排气温度低导致水的冷凝多于蒸发排出，更多水分聚集而产生冰
8
堵问题。由图 可知，排气系统左侧分支温升速率较右侧分支缓慢，水分累积量较多，运行条件更恶劣，故后续试验只针对左侧分支进行分析。
4.2.2 GPF
起动温度对 水分累积量的影响
7
根据上述试验结果，选取第 次作为基准起动温度
-30 ℃ -25 ℃ -20 ℃ -10 ℃研究温升速率，主要包括 、 、 和
（- 10 ℃ 10~ 12验证未完成），试验结果如图 图 所示。 12 GPF
由图 可知， 水分累计量和吸水效率随起动温度的升高而降低，而各处温升趋势随温度的升高而加
GPF
快，主要源于温度的上升使得 内水分冷凝结冰程度下降，蒸发速度变快，相变历程缩短，更多水分转化成水蒸气随尾气排出而带来吸水率降低。
4.2.3
起动运转时间对水分累积量的影响
- 30℃ 7
根据上述试验结果，选取 起动温度和第 次起动作为起动运转时间研究的基准，起动运转时间模拟 120 s 300 s 600 s 3
近距离低速行驶工况，主要包括 、和
13~ 15
种时长，试验结果如图 图 所示。
图13 GPF水分累计量、吸水率与运转时间的关系
15 300 s GPF
由图 可知，起动并运转 时 水分累计量120 s）
多于其他两种工况，主要因为运行时间短（ 未产 生足够多的水分，而随着时间的延长，温度的攀升使水分部分被气化，吸水率随运行时间的延长而逐渐降低，
300 s
分析得出起动并运转 时水分累积量最多，工况最恶劣。
4.3 优化标定数据对水分累积量的影响
- 30℃ 7
根据上述试验结果，选取 第 次起动并运转
300 s
作为优化标定数据的基准，研究优化怠速转速对
GPF
内水分累积量、吸水效率及排气系统各处温升情况
16~ 18
的影响，结果图 图 所示。
18 GPF
由图 可知， 水分累计量和吸水效率随怠速转速的升高而降低，各处温升趋势随优化后怠速转速的升高而加快，主要源于提升怠速转速使得排气温度升高，更多水分转化成水蒸气随尾气排出而带来吸水率降
GPF
低。虽然 内水分累积量有所下降，起动次数增加同
GPF
样会带来 冰堵问题，且提高怠速转速会带来燃油经济性变差等问题，不能根本解决冰堵问题。
4.4 GPF布置方式对冰堵的影响
GPF
完成 冰堵情况的定性判断和定量分析后，针对
GPF
低地板和紧耦合两种布置方式进行研究，试验布置
19 20 - 30 ℃
方式及样件如图 、图 所示，选取测试温度
-25 ℃， 300 s，
和 起动运转时间 应用原标定数据作为基
GPF
准，研究 布置方式对水分累积量、吸水效率、排气
21~
系统各处温升情况及气流均匀性的影响，结果如图
23
图 所示。
23 GPF GPF
由图 可知， 布置方式的差异带来 水分累计量和吸水效率的显著变化，紧耦合方案明显优于目前整车使用的低地板方案，其原因主要是紧耦合方案
GPF GPF
距离排气出口近，排气温度高， 内部温升速率极快，导致水分几乎全部随尾气排出，吸水率极低，多次 GPF起动也未出现水分凝结，可彻底解决 冰堵问题。
5 结束语
GDI GPF
发动机安装 后处理系统，在中国北方地区
GPF
冬季存在低温 吸水导致结冰堵塞的风险。通过对
V GDI
型 发动机的试验研究表明：随着起动温度的降
GPF
低、运转时间的减少、起动次数的增加会加剧 结冰堵塞的风险，通过优化标定数据可缓解冰堵风险；紧耦合布置形式可彻底消除冰堵风险。
参考文献
[1] .中华人民共和国环境保护部轻型汽车污染物排放限值及 : GB 18352.6—2016[S]. :测量方法（中国第六阶段） 北京, 2017.中国环境出版社[2] Miao S, Luo L, Liu Y, et al. Development of a Gasoline Particulate Filter for China 6(b) Emission Standards[J]. SAE Technical Paper 2017- 24- 0135, 2017. DOI: 10.4271/201724-0135. [3] Ito Y, Shimoda T, Aoki T, et al. Next Generation of Ceramic Wall Flow Gasoline Particulate Filter with Integrated Three Way Catalyst[J]. SAE Technical Paper 2015- 01- 1073, 2015. DOI: 10.4271/2015-01-1073. [4] Demuynck J, Favre C, Bosteels D, et al. Real- World Emissions Measurements of a Gasoline Direct Injection Vehicle without and with a Gasoline Particulate Filter[J]. SAE Technical Paper 2017- 01- 0985, 2017. DOI: 10.4271/ 2017-01-0985. [5] United States Environmental Protection Agency. EPA Staff Technical Report: Cost and Effectiveness Estimates of Technologies Used to Reduce Light- duty Vehicle Carbon Dioxide Emissions[R]. 2008. [6] Rose D, Boger P, Ingram- Ogunwumi R, et al. Filter Technologies for Gasoline Direction Injection Engine PN Emission Reduction[C]. SAE International Light Duty Symposium, 2014. [7] Yue H, Lehmen A, van Nieuwstadt M, et al. Impacts of Drive Cycle and Ambient Temperature on Modelled Gasoline Particulate Filter Soot Accumulation and Regeneration[J]. SAE Technical Paper 2018- 01- 0949, 2018. DOI: 10.4271/ 2018-01-0949. [8] Inoda S, Nomura Y, Ori H, et al. Development of New Coating Technology Optimized for Each Function of Coated GPF[J]. SAE Technical Paper 2017- 01- 0929, 2017. DOI: 10.4271/2017-01-0929. [9] Brezny R. Particulate Control Experience with GDI and GPFs [J]. MECA, 2016. [10] Görgen M, Nijs M, Lehn H, et al. Current and Future Trends of Gasoline Particulate Filter Technologies, Calibration Strategies and Aging Methods[C]. 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology, 2017. [11] , , , . [J].汪潇 杨留栓 刘祎冉 等 堇青石陶瓷的现状研究 耐, 2009, 43(4): 297-299.火材料[12] , . ZrO2向芸 徐小勇 对堇青石多孔陶瓷吸水率和显气孔[J]. , 2009, 26(3): 83率的影响 萍乡高等专科学校学报86. （责任编辑 斛畔） 2018 9 10修改稿收到日期为 年 月 日。