國六GPF應用方案及控制策略研究

汪杰強，劉志軍，黃若瓊，魏少華

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；2.德爾福（上海）動力推進系統有限公司，上海200131）

0 引 言

國六法規增加了對汽油機顆粒排放物質量和數量限制，其中CN6a中規定，WLTC排放循環中顆粒物數量限值為6.0×1011/km，顆粒物質量限值為4.5 mg/km，CN6b則進一步增加了限制，上限為3 mg/km。目前絕大多數車型的原始排放都無法達到這一要求，需要借助汽油機顆粒捕集器（GPF, Gas Particular Filter）對尾氣進行過濾。在GPF的使用過程中碳載量將不斷變化，將改變GPF的溫度和壓差。需要發動機控制系統預估GPF載體內的碳載，并有效控制其溫度和壓差，實現持續高效和安全的工作。

1 GPF的結構和應用方案

1.1 GPF的結構及工作原理

圖1為GPF內部結構及過濾顆粒物原理示意圖，GPF內部為擠壓成型的壁流式蜂窩陶瓷結構，具有許多平行的軸向蜂窩孔道，相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵塞。當尾氣流經顆粒捕集器上的多孔介質載體壁面時，尾氣中的顆粒物將被捕集在載體壁面內及載體壁面，而其它氣體成分則通過孔壁流出，從而實現過濾尾氣的目的。

1.2 兩種整車GPF主流布置方案

GPF在應用過程中主要考慮的因素有三個方面：1）GPF的過濾效率；2）GPF的再生能力；3）整車GPF的布置空間。這三者的相互平衡最終決定了一個車型的GPF布置形式。在當前GPF過濾效率基本能滿足排放要求的前提下，GPF的布置主要考慮的因素是再生能力。GPF布置方案可分為緊耦合和底盤式兩種，如圖2所示。

圖1 GPF內部結構及顆粒物過濾尾氣示意圖

圖2 兩種GPF整車布置方案

2 GPF控制策略

GPF控制策略的總體方案包括5個控制模塊：碳載量預估模型、再生控制模塊、轉矩及減速斷油（DFCO）時長限制、儀表GPF燈提示方案，以及售后市場解決方案（駐車再生）。

2.1 GPF再生過程控制

GPF在車輛運行過程中碳量累積和碳量再生是同時存在的。把這種主動施加的控制稱為主動再生控制。GPF進入主動再生需要滿足2個條件：1）預估碳載量超過設定的再生限值（一般為3～5 g/L）；2）滿足規定的運行工況（包括兩大類：一類是需要持續滿足的條件；另一類是再生開始時需要滿足的條件）。

GPF再生速率的主要影響因素是溫度和氧濃度，因此主動再生的途徑就是通過減稀空燃比來增加尾氣中的氧含量，通過施加發動機儲備轉矩即推遲點火來提升排氣溫度，從而加速GPF的再生速率[1]。圖3為某車型測試中GPF載體溫度在減速斷油過程中的超溫情況。

圖3 GPF載體因DFCO過長導致超溫

2.2 GPF再生過程儀表亮燈提示方案

GPF控制策略中包含了儀表提示燈的控制方案，用于提示3種情況：1）碳載量已經超過再生限值且駕駛工況滿足主動再生的條件，處于主動再生中；2）碳載量已經超過再生限值但駕駛工況不滿足主動再生的條件，需要改變工況來滿足再生條件；3）碳載量已經超過再生極限值，通過道路再生已經無法進行有效再生，提示駕駛員需要進行4S店駐車再生?？刂七壿嬦槍ι鲜?種狀態設計了不同的狀態標志位。

2.3 GPF售后市場解決方案

GPF實際應用中如果有累碳過多導致道路再生困難，需要在維修店進行駐車再生。駐車再生分4個階段：1)階段1。從診斷儀發出再生指令到怠速再生開始，中間設定延遲，提供發動機預熱時間。2)階段2。發動機怠速轉速提升到目標轉速，基于實際GPF入口溫度和目標溫度的差值施加儲備轉矩退點火角，同時施加偏稀的空燃比。3)階段3。當GPF入口溫度達到預設溫度，系統認為已具備再生能力，將施加更稀的再生空燃比，以加速再生的進程。4)階段4。再生過程在沒有其他邊界因素不滿足的情況下會在碳載量低于預設的限值以后自動退出，退出后進入常規怠速狀態。

3 GPF碳載量預估模型

GPF控制邏輯提供了兩種碳載量預估方式：一種是基于壓差傳感器讀值結合發動機排氣特性參數進行的碳載預估，簡稱DP（Delta Pressure）模型；另一種是基于GPF入口溫度及發動機運行工況（如空燃比、轉速、負荷等）信息進行的碳載量預估模型，簡稱EO（Engine Out）模型。

3.1 基于壓差的GPF碳載量預估模型

圖4為某車型無碳載狀態及累積一定碳載量后GPF前后端壓差與排氣體積流量的關系。建立無碳載狀態下GPF壓差和排氣體積流量的關系，公式如下：

其中：Δpclean為干凈GPF壓差，kPa；μ為動態黏度系數，Pa·s；ρ為氣體密度，kg/m3；Q為排氣體積流量，L/s；A和B為擬合系數。

圖4 GPF累碳前后壓差與排氣流量的關系

當GPF累碳后，相同排氣流量下的壓差值會增加，壓差增加量轉換為不隨流量變化的指示壓差：

其中：SootIndex為指示壓差，kPa；μ為動態黏度系數，Pa·s；Q為排氣體積流量，L/s；R為常量。

SootIndex經過濾波后可以穩定地反映GPF內碳載量的變化，圖5為某車型實測固定碳載下的指示壓差對應的SootIndex變化。

圖5 固定累碳量下的指示壓差

3.2 基于發動機原排的碳載累積模型

GPF內累積的碳載量是發動機顆粒物產生速率和GPF內部顆粒物燃燒速率的結合。圖6所示為發動機臺架萬有特性數據中實測的Soot產生速率與燃油噴射量及空燃比的關系?？紤]碳量過量預估的原則，預估模型首先基于燃油流量乘以一個穩態修正系數，獲得Soot產生速率的第1部分ItemA，再乘以空燃比的修正系數ItemB。

模型首先對單缸噴油量進行濾波并計算出濾波前后噴油量的差值，再基于差值大小對穩態soot產生速率進行修正（ItemC）；起燃階段由于點火角等控制參數的明顯變化，相同工況的Soot產生量也會受到影響，因此邏輯按照早燃階段的進度百分比對穩態產生速率進行了修正（ItemD），最終的Soot產生速率（g/s）如下式所示：

圖6 Soot產生與燃油噴射速率之間的關系

4 結 論

本文對GPF在實際國六項目中的應用形式進行了詳細的論述，并分別從碳載預估、再生模式控制、儀表提示及售后市場解決方案等方面論述了汽油機顆粒捕集系統的控制策略。本文所論述的GPF控制系統已經在多個車型上進行實際應用，并完成整車常規測試及耐久測試。測試結果顯示，該系統可以準確預估碳載、有效控制再生溫度并提高再生速率，具有較高的實際應用價值。