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。

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 ${T}_{\rm in}$ ≥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(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（catalyzed gasoline particulate filter, CGPF）及TWC。

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 ℃。

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。

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、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

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 $ v\text{ > } $ 60 km/h至第一次 $ v\text{ > } $ 90 km/h划为市郊路段；第一次 $ v\text{ > } $ 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 ${\bar{T}}_{\rm in}$ 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 $ \bar{\lambda } $ 均大于1，说明整个测试行程混合气偏稀。

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

基于测试数据做出车速 $ v $ 、加速度 $ a $ 、λ三维散点图，如图3所示。可知， $ v $ 主要分布在[0,105] km/h， $ a $ 主要分布在[–1.5,1.5] m/s²，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个区间，按0.5 m/s²间隔将加速、减速区间划分为7个区间，将 $ \left|a\right| < 0.01 $ m/s²视为0.0 m/s²，绘制出 $ v $ 与 $ a $ 的时间占比如图4所示。发现， $ a\mathrm{为}0、v < 10 $ km/h的工况时间占比最多，为15%，其次是 $ \left|a\right| < 0.5 $ m/s²的加、减速工况。除怠速外，车速主要集中在30~90 km/h区间。

图5、图6分别为 $ \lambda $ 、 ${T}_{\rm in}$ 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。 $ v\text{ > } $ 40 km/h、加速工况下λ≥1.1，同样满足再生条件。

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 $ v $ <30 km/h的减速工况中，当 $ v $ ≥30 km/h时，T_in≥ 450 ℃；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。

分析数据得知除了在n≥2600 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1400~2200 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1400 r/min时出现T_in<450 ℃的工况，其他工况均高于450 ℃。

综上，1400~2200 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

图9示出了一段车辆中高速运行时，v、λ、T_in、CO₂排放浓度 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 、PM排放浓度 ${\varphi }_{\rm PM}$ 随测试时间连续变化的曲线，可知， ${\varphi }_{\rm PM}$ 、T_in随 $ v $ 变化跟随性较好，λ随 $ v $ 的变化趋势与 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 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 ${\varphi }_{\rm PM}$ 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。

分析该两片段内λ、T_in两个再生条件参数变化规律，以及 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 、 ${\varphi }_{\rm PM}$ 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 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 、 ${\varphi }_{\rm PM}$ 、 ${\varphi }_{\rm CO}$ 排放特性，如下：

1）急减速工况1-1

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/s²，明显高于2.2节车辆正常行驶减速度主要分布范围[–1.5,0] m/s²。根据λ、 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 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， ${\varphi }_{\rm PM}$ 上升， ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 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， ${\varphi }_{\rm PM}$ 相比减速前依然保持较高值， ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 从14.8%降低至11%。

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 ${\varphi }_{\rm PM}$ 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 ${\varphi }_{\rm PM}$ 保持在较高位，而因断油影响， ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 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/s²。再生阶段 ${\varphi }_{\rm PM}$ 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 ${\varphi }_{\rm PM}$ 增大，该结果与参考文献[15]的研究结论相同。 ${\varphi }_{\rm CO}$ 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 ${\varphi }_{\rm CO}$ 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/s²，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560 ℃增加到750 ℃。 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 、 ${\varphi }_{\rm PM}$ 增大幅度分别为33.3%、700%。诸现象表明GPF发生了再生。

急加速一般设置偏浓的混合气，但图11中λ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 ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 增大，颗粒物不完全燃烧呈细微颗粒排出导致 ${\varphi }_{\rm PM}$ 增大。图11中2-2片段再生期间 ${\varphi }_{\rm CO}$ 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。

综上，40~100 km/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， $ a $ 为–2.45 m/s²，T_in初始值700 ℃，断油后λ值升高到1.3， ${\varphi }_{\rm PM}$ 出现峰值， ${\varphi }_{{\rm CO}_{2}}$ 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λ值到1.35，T_in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λ、T_in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）40~100 km/h中高速、减速或加速运行易满足T_in≥450 ℃、λ≥1.05的再生条件。

如，高速100 km/h、初始T_in约700 ℃，节气门开度从100%急降到0，减速度达–2.45 m/s²，λ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100 km/h，节气门开度迅速增大到100%，加速度为1 m/s²，期间T_in增大到750 ℃，λ增大到1.35左右，可使GPF发生急加速主动再生。

3）再生期间 ${\varphi }_{\rm PM}$ 增大。