車輛汽油機顆粒捕集器控制方法

秦 琨，黃月婷，潘錦雙，黃國海

（東風柳州汽車有限公司 東風柳汽乘用車技術中心，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著社會的不斷發展，環境保護觀念的提升，國際和國內對汽車排放的要求都逐漸提高。在全國范圍內，國六a 已于2020 年7 月1 日開始實施，國六b 將于2023 年7 月1 日實施。部分經濟發達地區已提前實施最新的排放標準，中國汽車工業面臨進一步挑戰。國六排放法規對排放顆粒物實施了強制要求，由于汽油在發動機氣缸內不完全燃燒，會產生大量的固態碳煙顆粒。這些固態碳煙顆粒會對環境造成污染，國六排放法規I 型試驗對固態碳煙顆粒的質量和數量提出了更低的限值，目前行業主流的技術是在催化器后安裝汽油機顆粒捕集器。汽油機顆粒捕集器，集成在車輛排氣系統中，可以捕捉發動機排放廢氣中的固態碳煙顆粒。

裝備顆粒捕集器的車型，不僅是硬件上的升級，也需軟件控制上的升級。對顆粒捕集器實時狀態的監控、診斷和控制，需要軟件和標定制定出合理的控制方法，才能達到不影響車輛駕駛性能、油耗、NVH、OBD 診斷等各項要求。本研究探討汽油機顆粒捕集器控制方法，為推動汽車行業高質量發展提供參考。

1 設備簡介

汽油機顆粒捕集器（英文全稱Gasoline Particulate Filter，簡稱GPF），其在整車排氣系統中的布局結構如圖1 所示。

圖1 GPF 在整車排氣系統中的布局結構

汽油機顆粒捕集器行業主流集成結構分為地板式和緊耦合式，區別為GPF 是否緊貼三元催化器布置，如圖2 所示。

圖2 GPF 主流集成結構

汽油機顆粒捕集器內部為錯位孔濾網狀的陶瓷載體，陶瓷濾網薄膜可有效過濾車輛發動機排氣中的顆粒排放物，如圖3 所示。

圖3 GPF 內部結構

2 顆粒捕集器的控制方法

現階段乘用車行業對顆粒捕集器的主流控制技術分為兩大類。第一類為碳量累積模型，其可分為工況法碳量累積模型和壓差法碳量模型，兩種模型也可同時存在，目的是實現監控顆粒捕集器中顆粒排放物累積、再生的狀態。第二類為燃燒速率模型，建立此模型的目的是實時監控GPF 再生過程中的剩余碳量。除此之外，顆粒捕集器處于排氣系統的高溫環境中，需確保車輛零部件安全，GPF 功能有效的同時，滿足法規要求的OBD 診斷要求。

2.1 工況法碳量累積模型

工況法碳量累積模型的目的是通過AVL483 測量發動機在萬有的各個工況點，得到發動機運行時排氣中進入顆粒捕集器的原始排放中的碳煙質量流量，作為后續模型計算碳累積量。因發動機的原始排放受到運行環境、運行參數等多重因素的影響，測量理想狀態下的發動機碳煙質量流量是工況法碳量累積模型的基礎。

考慮到運行環境、運行參數等因素，工況法碳量累積模型的搭建還需測量空燃比修正、發動機水溫修正、催化器加熱工況修正、發動機過渡工況修正以及AVL483 設備測量精準度修正。最終的碳量累積模型即對考慮了運行環境、運行參數等因素后的碳煙質量流量隨時間的積分值[1]。

空燃比修正在不同的轉速、負荷和過量空氣系數下，使用AVL483 測量GPF 入口的碳煙質量流量值。過量空氣系數需覆蓋0.7～ 1.2。高轉速高負荷及發動機發生掃氣的區域，為保證排氣系統零部件的安全，催中溫度≥930 ℃、渦前溫度≥930 ℃、排氣溫度≥870 ℃的工況可不測量。發動機有失火或爆震的工況可不測。

發動機水溫修正需調節臺架試驗室的環境溫度至20 ℃以下，冷機至發動機水溫＝機油溫度＝試驗室環境溫度，采集發動機起動直至發動機水溫和機油溫度達到90 ℃過程中的碳煙質量流量。此試驗關閉催化器加熱功能。

催化器加熱工況修正即在水溫修正試驗基礎上開催化器加熱功能。

發動機過渡工況修正需選取出車輛常用轉速范圍，在各轉速下策略發動機從低負荷迅速上升至高負荷過程的碳煙質量流量。

AVL483 設備測量會有一點的偏差，可通過對顆粒捕集器累碳前后的實際稱重值，與工況法碳量累積模型積分值比較，得出測量偏差并作校正。

通過策略原始碳.煙質量流量和各項修正，通過對時間積分計算，累碳模型與實際載碳量之間的偏差值[2]可精確至0%～ 10%。

2.2 壓差法碳量模型

壓差法碳量模型是依靠GPF 壓差傳感器信號來建立模型，壓差傳感器同時測量GPF 入口和出口兩端的壓力，經ECU 信號處理和計算，經模型處理轉換為累積碳量。

（1）建立GPF 模型壓差

GPF 兩端壓差P7-P1來源于5 個方面，如圖4 所示。其中，ΔP6為氣體流入GPF 時的壓縮損失；ΔP5為氣體穿越壁面前面的延程損失；ΔP4為氣體穿越壁面時的損失；ΔP3為氣體穿越壁面后的延程損失；ΔP2為氣體流出GPF 時的膨脹損失。其中：

圖4 壓力損失

（ΔP5+ΔP4+ΔP3）與通過黏度校正的排氣體積流量成正比；（ΔP6+ΔP2）與通過密度校正的排氣體積流量的平方成正比。

GPF 兩端的模型壓差計算式：

式中，（T/T0）v為實際排氣溫度與參考溫度20 ℃下的流動阻力比值；dVol為顆粒過濾器中的廢氣體積流量；（T/T0）v·dVol為通過黏度校正的排氣體積流量；dVol2為通過密度校正的排氣體積流量的平方；A0和B 是需要標定的兩個常數，可通過標定對車輛模型壓差進行校準。

通過進行整車GPF 的壓差特性測試，得到排氣體積流量和GPF 實測壓差的散點圖，并以二項式曲線擬合，如圖5 所示。

圖5 GPF 壓差特性

（2）建立交叉相關因子模型

建立實測壓差和模型壓差的交叉相關因子：

其中：ΔPm為模型壓差，ΔPa為GPF 壓差傳感器測量的實測壓差。n為采樣數量，一般設置為10，計算10個采數樣本的移動平均值，可使壓差值更穩定，避免瞬態工況對壓差值的較大影響。

當GPF 空載時，理論上模型壓差＝實測壓差，此時交叉相關因子＝1。

當GPF 中累積了碳煙顆粒時，實測壓差升高，但模型壓差是通過排氣流量、溫度等計算得到，不會因碳煙顆粒累積而升高，此時交叉相關因子>1。

（3）建立GPF 累積的交叉相關因子-GPF 累積碳量關系表

在GPF 中累碳2 g，將GPF 裝上車輛測試在2 g碳量時ECU 計算得到的交叉相關因子，記錄碳量-交叉相關因子對應關系；之后分別測試4，6，8，10，12 g碳量時的交叉相關因子。

最終得到交叉相關因子-GPF 累積碳量關系表，見表1。

表1 交叉相關因子-GPF 累積碳量關系

（4）診斷功能實現

基于上述交叉相關因子和壓差法碳量模型即可實現以下GPF 狀態診斷：

GPF 載體碎裂丟失診斷方法：當GPF 載體丟失，GPF 兩端實測壓差接近0，交叉相關因子也就非常接近于0。在整車上安裝GPF 空殼樣件，讀取ECU 計算得到的交叉相關因子。比如測得GPF 空殼樣件的交叉相關因子為0.1，則可以設置GPF 載體碎裂丟失的診斷閾值為0.2。當市場上車輛ECU 測得0＜交叉相關因子＜0.2 時，則診斷為GPF 載體碎裂丟失故障。

碳煙顆粒累積造成嚴重堵塞診斷方法：根據GPF載體容量設計大小設定診斷閾值。比如GPF 載體容量設計最大載碳量為10 g，則設置診斷閾值為10 g。當市場上車輛ECU 測得GPF 碳載量≥10 g 時，則診斷為碳煙顆粒累積造成嚴重堵塞故障。

壓差傳感器入口和出口管路接反/入口管路脫落診斷方法：當壓差傳感器入口和出口管路接反時，GPF 壓差傳感器實測壓差將＜0，此時交叉相關因子也將＜0。整車上安裝空載GPF，將GPF 壓差管反接，自由駕駛車輛測量交叉相關因子。比如測得交叉相關因子最大值為-0.1，則可以設置壓差傳感器入口和出口管路接反的診斷閾值為0。當市場上車輛ECU 測得交叉相關因子＜0，則診斷為壓差傳感器入口和出口管路接反故障。壓差傳感器入口管路脫落與管路接反原理相同。

2.3 燃燒速率模型

建立燃燒速率模型，通過再生燃燒速率模型計算，使GPF 在碳量累積后的再生過程可控，可精準計算出再生過程中的實時剩余碳量。模型建立步驟如下：

（1）試驗準備。徹底清碳，得到空載GPF 質量。

（2）建立碳量-再生速率對應

對GPF 累碳至最大碳載量10 g（根據具體GPF規格確定其最大碳載量），進行臺架最大再生燃燒速率試驗，試驗方法為：在GPF 達到800 ℃，GPF 入口的空燃比為1.1 時，對GPF 內部累積的碳進行分段再生燃燒速率試驗，分段為10 燒到8 g，8～ 6 g，6～ 4 g，4～ 2 g，2～ 0 g，試驗前后對GPF 進行稱重，記錄再生前的實際碳量、再生后的實際碳量、GPF 溫度、GPF入口氧流量、再生時間。此試驗最終得到的分段燃燒速率可通過公式算出：分段再生速率＝（再生前的碳量-再生后的碳量）/再生時間。通過曲線擬合得到以下碳量-再生速率曲線，通過查表可得到當前碳量對應的再生速率V0。

（3）再生燃燒速率系數

對GPF 累碳至6 g，進行臺架固定GPF 溫度和GPF 入口氧流量的再生燃燒速率試驗，試驗方法為：在GPF 達到下表對應的GPF 溫度和GPF 入口氧流量時，對GPF 內部累積的碳進行再生燃燒速率試驗，使剩余的碳在4 g 停止再生，記錄再生前的碳量、再生后的碳量、GPF 溫度、GPF 入口氧流量、再生時間。此試驗最終得到的分段燃燒速率可通過公式算出：固定再生速率＝（再生前的碳量-再生后的碳量）/再生時間。選取GPF 溫度＝800 ℃、GPF 入口氧流量＝空燃比為1.1 時的氧流量試驗點填入系數1，入口氧流量為0 的試驗點均填入系數0，其余點系數＝固定再生速率/分段6～4 g 再生速率，填入以下再生燃燒速率系數表，通過查表可得到當前GPF 溫度、入口氧流量對應的再生燃燒速率系數R。

表2 碳量-再生速率

（4）碳再生量的計算

當車輛GPF 發生再生時，車輛控制系統可通過監控的空燃比計算出的GPF 入口氧流量、GPF 溫度[3]、再生前的碳載量進行查表，并通過下方模型公式算出。

其中，t1、t2分別為再生開始時間、再生結束時間。

2.4 斷油安全模型

車輛工作過程中，在GPF 本身溫度較高，且內部載有碳的情況下，若此時發生斷油，發動機空轉將空氣中的氧氣帶入排氣系統中，碳會在高溫高氧含量的條件下劇烈燃燒，使GPF 溫度快速升高，GPF 內部溫度梯度加大，有燒毀GPF 的風險。因此建立斷油安全模型，使其在不同碳載量下，判定出不允許斷油的GPF 本體溫度，以保護GPF 載體不超耐受溫度。

（1）尋找斷油安全溫度

改制GPF，加裝5 個GPF 溫度測點；在臺架上完成GPF 激活、GPF 清碳，然后保溫稱重，得到GPF 的基準質量。快速累碳至目標工況1 的參考碳載量，然后保溫稱重，計算GPF 的實際碳載量；裝載累碳后的GPF，調整發動機轉速和負荷，使得GPF 的中心溫度達到目標工況1 所示的溫度，并保持穩定。通過軟件控制ECU，設置發動機斷油，斷油的同時將油門的打開度在2 s 內降為0。斷油后，由于GPF 內碳煙會劇烈燃燒，GPF 的5 個溫度會先上升再降低，查看5 個溫度上升后達到的最大值Tmax，并進行記錄。如若斷油后5 個溫度中的最大值Tmax處于930～ 950 ℃時，則之前稱重計算的GPF 碳載量為該目標工況下允許斷油的最大碳載量，則該工況驗收合格；重復進行下一個工況的試驗。如若斷油后5 個溫度中的最大值Tmax小于930 ℃，則需要增大GPF 的碳載量，重復進行目標工況1 的試驗，直到斷油后溫度的最大值符合驗收標準。如若斷油后5 個溫度中的最大值Tmax大于950 ℃，則需要減小GPF 的碳載量，重復進行目標工況1 的試驗，直到斷油后溫度的最大值符合的驗收標準。

通過以上試驗，可以得到表4 中各個溫度下允許斷油的最大碳載量。斷油前GPF 的中心溫度越高，允許斷油的最大碳載量越低，即a ＜b ＜c ＜d ＜e ＜f。GPF 載體的耐受溫度為950 ℃，超過該溫度易燒毀GPF。因此從安全角度考慮，將每個溫度下允許斷油的最大碳載量乘以安全系數0.9。見表4。

（2）建立斷油映射關系

建立GPF 中心溫度、GPF 碳載量、是否允許發動機斷油三者之間的映射關系，作為ECU 在控制發動機是否可以安全斷油時參考。

在表5 中，橫坐標為表4 中的安全碳載量，縱坐標為斷油前GPF 中心溫度，Z軸為1 時，表示在當前GPF 中心溫度、當前GPF 碳載量下，禁止發動機斷油；Z坐標為0 時，表示當前GPF 中心溫度、當前GPF碳載量下，允許發動機斷油。如果GPF 碳載量和GPF中心溫度不在表3 的橫縱坐標中，則可以使用插值法進行判斷是否允許發動機斷油。

表3 再生燃燒速率系數

表4 GPF 耐受溫度

表5 斷油映射關系

3 結語

以上模型已經在東風柳州汽車有限公司多款車型上得到應用。通過以上模型建立的控制方法，可精準監控GPF 碳量累積量和再生過程碳燃燒情況，工況和壓差兩路碳量模型實現雙保險，避免了工況法的偏差和壓差法的不連續，形成優勢互補。同時也杜絕了現有技術只能在再生后，重新經過壓差模型對剩余碳量的校準，無法監控再生過程的情況。在排放要求越來越嚴格的環境下，降低GPF 報故障燈、燒毀GPF的故障率。精準監控GPF 碳量累積量過程，計算再生掉的碳量，同時得到剩余碳量，對GPF 碳累積過程和再生控制、GPF 載體保護等具有極大的意義。在汽車排放日益嚴格的今天，該方法可為推動汽車行業高質量發展提供參考。