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. PENG Meichun, LI Junping, YE Weibin, et al. GPF regeneration characteristics of PFI gasoline vehicle[J]. China Measurement & Test, 2023, 49(9): 161-166. DOI
: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021110150
PFI 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)T in T in T in T in 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λ、GPF 入口排气温度与车辆运行工况的关系，研究再生时CO 2和PM 排放特性。发现在40~100 km/h 中高车速、1 400~2 200 r/min 中等转速区，加速或减速运行，易满足λ≥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–2.45 m/s 2，初始约700 ℃，λ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1.0 m/s 2，λ增大到1.35，增加到750 ℃。再生期间PM 排放浓度均增大，CO 2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: 1674–5124(2023)09–0161–06
GPF regeneration characteristics of PFI gasoline vehicle
PENG Meichun 1, LI Junping 1, YE Weibin 1, CHEN Yue 1, HUANG Wenwei 2
(1. School of Electro-mechanic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;2. School of Automotive and Transportation Engineering, Shenzhen Polytechnic College, Shenzhen 518055, China)
T in T in T in T in Abstract : This paper studied the characteristics of GPF regeneration operating modes of PFI light duty gasoline vehicle on road, analyzed the relationship among vehicle operating modes and GPF's regeneration parameters λ, inlet temperature of GPF , and CO 2 and PM emission characteristics during regeneration. It is concluded that it can easily met the regeneration conditions of λ≥1.05, ≥450 ℃ when vehicle runs at 40 km/h to 100 km/h, 1 400 r/min to 2 200 r/min, and acceleration or deceleration operation. It is found the proportion of operation time to meet the regeneration conditions can reach 19.18% in highway, 8.56% in suburban, and 3.26% in urban. This test explores two typical regeneration modes, one is the rapid deceleration regeneration at the medium and high vehicle speed, the deceleration reaches –2.45 m/s 2, the initial is about 700 ℃, and the λ increases from 1.01 to 1.30. The other situation is rapid acceleration regeneration at medium vehicle speed, acceleration reaches 1.0 m/s 2, λ increases to 1.35, and increases above 750 ℃. The PM emission concentration increases during regeneration, the CO 2 emission increases during the accelerated regeneration, but keeps relatively stable during deceleration regeneration.
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.49 No.92023 年 9 月
CHINA MEASUREMENT & TEST September, 2023
Keywords : vehicle engineering; GPF; regeneration conditions; regeneration operating modes; real road driving
0 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（port fuel injection ，PFI ）汽油机需装配颗粒物捕集器（gasoline particulate filter, 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。
T in PFI 汽油机一般采用化学当量燃烧，过量空气系数λ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λ≥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CO 2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(λ)、GPF 入口温度(T in )的关系，探究再生工况区域与工况特点，研究再生期间CO 2、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（catalyzed gasoline particulate filter, CGPF ）及TWC 。
表 1 测试车辆主要信息
参数
值
长×宽×高/(mm×mm×mm)5 990×1 780×2 125整车最大总质量/kg 3 470发动机排量/L 1.8最大功率/kW 92最大功率转速/(r∙min –1)
3 600最大扭矩/(N∙m)180排放标准国VI 累计行驶里程/km
4 697
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89 km ，车辆行驶时长125 min ，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ECOSTAR PLUS 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。
GPS 模块与温湿度计图 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 、CO 2、O 2等分析仪，其采用NDIR 方法测量CO 、
162中国测试2023 年 9 月
CO 2体积浓度，电化学方法测量O 2体积浓度。基
于测得的CO 2、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GB 18352.6—2016《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λ计算式，计算得出λ [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23 nm 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T in 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 >¯T
in ¯λ
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v ≤60 km/h 行驶路段划分为市区路段；第一次60 km/h 至第一次90 km/h 划为市郊路段；第一次90 km/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450 ℃[3]，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 /(r·min –1)1 3581 6112048¯v /(km·h –1)214366¯T in /℃439536596¯λ
1.03
1.03
1.05
假设以T in ≥450 ℃、λ≥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
v a v a 基于测试数据做出车速、加速度、λ三维散点图，如图3所示。可知，主要分布在[0,105] km/h ，主要分布在[–1.5,1.5] m/s 2，λ主要分布在[1.0,1.5]。
以10 km/h 间隔将测试速度范围划分为11个
|a |<0.01v a a 为0、v <10|a |<0.5区间，按0.5 m/s 2间隔将加速、减速区间划分为7个区间，将 m/s 2视为0.0 m/s 2，绘制出与的时间占比如图4所示。发现， km/h 的工况时间占比最多，为15%，其次是 m/s 2的加、减速工况。除怠速外，车速主要集中在30~90 km/h 区间。
a /(
m ·s −2)
v /
(k m ·
h −1)1.5
3691216 1.00.5
0−0.5−1.0−1.50
20406080
1001100时间占比/%
246810121416时间占比/%
图 4 速度与加速度时间占比
λT in v >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λ值一般高于加速工况；v ≥30 km/h ，减速工况下出现λ>1.1情形；车速越高、减速度越大，λ值越大。v >40 km/h 中高速、加速工况和匀速工况下，也会出现λ>1.1；v <30 km/h 低速行驶时，λ<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，λ≥1.1为GPF 再生创造了条件。40 km/h 、加速工况下λ≥1.1，同样满足再生条件。
v v 从图6看出，大部分工况下T in ≥450 ℃，约一半工况点T in ≥550°。速度越高、加速度越大，T in 越高，最高可达770 ℃。T in < 450 ℃主要出现在<30 km/h 的减速工况中，当≥30 km/h 时，T in ≥ 450 ℃；
120100
8060v /(k m
·h −1)4020
03
2
10−1−2−3−4−51.01.52.02.5λ
3.03.5
4.04.5
a /(m ·s
−2)图 3 速度、加速度、λ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T in 普遍高于减速工况。
综上，40~100 km/h 中高车速、减速或加速运行，易满足T in ≥450 ℃、λ≥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200 r/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λ、T in 基于发动机n 、load 的分布，分别如图7、8所示。
λ
n /(1
00 r
·m i n −1)
32
2824
201612
8L o
a d /%
10
20304050607080900.95
1.00
1.051.10
1.101.051.000.95
λ
图 7 λ与发动机转速、负荷关系
n /(10
0 r
·m i n −1)
32L o a d /%28
24201612810
20T i n /℃T in /℃850750650550450350
30
40
5060708090100400500
600
700800图 8 T in 与发动机转速、负荷关系
分析数据得知除了在n ≥2 600 r/min 、大负荷下
出现有λ<1.0的情况，其他工况均λ≥1.0，说明大多数工况下发动机混合气是偏稀的，λ≥1.05出现在
1 400~
2 200 r/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1 400 r/min 时出现T in <450 ℃的工况，其他工况均高于450 ℃。
综上，1 400~2 200 r/min 中等转速区，易满足T in ≥450 ℃、λ≥1.05的再生条件。
2.4 GPF 典型再生工况与再生排放特性分析
φCO 2φPM φPM v v φCO 2φPM 图9示出了一段车辆中高速运行时，v 、λ、T in 、CO 2排放浓度、PM 排放浓度随测试时间连续变化的曲线，可知，、T in 随变化跟随性较好，λ随的变化趋势与基本相反。图9中示出的2个虚线框框注的片段1-1、2-2出现了λ>1.0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。
φCO 2φPM φCO 2φPM φCO 分析该两片段内λ、T in 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1-1
φCO 2φPM φCO 2φPM φCO 2由
图10可知，节气门开度从100%迅速降至接近于0，车速从80 km/h 急速降至0，时长约30 s ，减速度为–2.45 m/s 2，明显高于2.2节车辆正常行驶减速度主要分布范围[–1.5,0] m/s 2。根据λ、的变化再分成a-a 和b-b 两小段。a-a 阶段约20 s ，T in 从700 ℃降低至450 ℃，λ值保持在1.01左右，上升，基本保持在14.5%附近；b-b 阶段约10 s ，T in 从450 ℃降低至380 ℃，λ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%。
λ
a /(m ·s −2)
1.5
1.0
0.50−0.5−1.0−1.5v /(k m ·h −1)0
204060801001.00
1.051.101.151.201.251.30
1.35λ
1.251.151.05
0.95
λ图 5 与速度、加速度关系
a /(m ·s −2
)
1.5
1.0
0.5
0−0.5
−1.0−1.5v /(k m
·h −1)0
20406080100400
高速公路免费时间表2023500600700800T i n /℃
T in /℃850750650550450350
图 6 T in 与速度、加速度关系
164中国测试2023 年 9 月
T i n /℃v /(k m ·h −1)
φC O ₂/%
φC O /%
λ
节气门开度/%
t /s
350450550650
750020406080100
246810φP M /(100 μg ·m −3)
图 10 片段1-1参数随时间变化φPM φPM φCO 2φPM φPM φCO φCO 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λ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–2.45 m/s 2。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60 km/h 加速到100 km/h ，节气门开度由25%急速增加至100%，时长约40 s ，加速度为1 m/s 2，属于中高车速、加速工况。λ由1.25增加到最大1.35，然后下降至1.04，T in 从
约
200
400600800T i n /℃
t /s
020*********v /(k m ·h −1)
0102030401234λ
φC O ₂/%
φP M /(100 μg ·m −3)
图 9
参数随测试时间变化
t /s
T i n /℃v /(k m ·h −1)
φC O ₂/%
φC O /%
λ
节气门开度/%
4005006007008000204060801001200
2468φP M /(100 μg ·m −3)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
165
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