直噴汽油機高效顆粒捕集器技術及控制策略研究

摘要： 為了適應國家排放法規對汽油直噴發動機顆粒物監測粒徑逐漸減小的要求，根據汽油直噴發動機排放開發目標，設計不同的汽油機顆粒捕集器（GPF）技術方案，通過發動機臺架試驗、轉轂試驗的測試選型確定捕集效率高、背壓小的最優方案。建立了基于發動機原排和壓差的GPF控制策略，結合GPF測試選型數據標定GPF碳載量模型、再生效率模型等，實現再生工況識別并協調再生控制。通過WLTC排放循環驗證GPF控制策略，最優方案的捕集效率滿足排放開發目標，有效降低了汽油直噴汽油機的顆粒物排放。

關鍵詞： 直噴式汽油機；顆粒捕集器；控制策略；再生效率；過濾效率

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.04.008

中圖分類號：TK411.5文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０4-００54-０7

汽車發動機節能減排技術的重要性已經被提到前所未有的高度，隨著GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測試方法（中國第六階段）》［1］的實施，所采用的世界輕型車測試循環工況（WLTC）、隨機駕駛排放（RDE）測試循環使汽油機減排面臨嚴峻的挑戰。由于具有較好的動力性、燃油經濟性等優點，汽油直噴渦輪增壓（TGDI）發動機得到越來越廣泛的使用。據估計，歐洲40%～60%的汽油機是TGDI發動機［2］，而國內各大主機廠也都量產了TGDI發動機，高效率TGDI發動機也在同步開發過程中。TGDI發動機在冷起動、加速時產生大量的顆粒物，而在穩態催化劑加熱過程中，為了使催化劑盡快達到起燃溫度，采取了增加噴油量及推遲點火等措施，使得混合氣過濃，燃燒質量惡化［3］，也造成顆粒物排放增加。因此，降低TGDI發動機的顆粒物排放一直是重要的研究課題。針對TGDI發動機顆粒物排放產生的機理和特點，目前的機內凈化技術主要采用提高噴射壓力、優化調整點火及噴油正時等措施，但仍然無法滿足法規對顆粒物排放的要求，因此必須采用有效的后處理裝置。

汽油機顆粒捕集器（GPF）被認為是應對TGDI發動機顆粒物排放最有效、最可靠的技術［4］，通過捕集汽油機燃燒產生的炭煙顆粒物并使其再生，以達到減少尾氣中顆粒物的目的。目前在用的GPF技術主要針對粒徑23 nm以上的顆粒物，緊耦式GPF空載時捕集效率為50%～60%，底盤式GPF空載時捕集效率為60%～80%，雖然可以滿足國6b WLTC循環試驗限值要求，但難以滿足RDE循環試驗限值和即將實施的歐7排放法規（顆粒物粒徑的定義由23 nm降低到10 nm）的要求。因此，研究高效的GPF技術勢在必行。

本研究結合某TGDI發動機排放的特點，設計GPF后處理系統，對氣流分布均勻性進行仿真，通過比較不同的GPF技術方案，確定最優方案；構建GPF控制策略，基于測試數據對碳載量模型、效率模型等進行標定，通過WLTC排放循環驗證控制策略，使GPF的捕集效率滿足了排放開發目標。

1GPF后處理系統及設計

某款TGDI發動機匹配車型的開發目標，排放限值及劣化系數如表1所示。

該機型采用直列4缸、缸內直噴、增壓中冷等技術，技術參數如表2所示。

1.1GPF后處理系統設計

為了應對國家排放法規、歐7排放法規以及耐久性監管要求，需對產品留出適當工程裕度。參考成熟產品的經驗裕度取30%，該車型TGDI發動機的顆粒物數量原排為3.526×1012 個/km，不滿足法規要求，故采用三元催化劑與GPF的組合方案。根據布置空間和滿足高效率、低背壓的要求，選擇堇青石后置方案［5］，總體布置方案如圖1所示。其中，三元催化劑載體前端面距離增壓器后法蘭面150 mm，GPF載體前端面距離增壓器后法蘭面1 030 mm。GPF兩端加裝壓差傳感器，監測GPF兩端壓差，傳感器接插件固定在車體底部橫梁上。在GPF入口25.4 mm位置布置溫度傳感器，監測GPF入口溫度。壓差信號和溫度信號反饋給發動機控制單元，作為GPF主動再生控制觸發因子。

影響GPF捕集效率的因素主要包括涂覆工藝和涂層上載量。涂覆工藝有in-wall技術和on-wall技術兩種，前者是將催化劑涂覆在過濾壁內孔的晶粒表面，后者是將催化劑涂覆在過濾孔道壁面。兩種技術均可提高GPF的捕集效率，且都會導致GPF背壓增加，但背壓增加的幅度不同。目前有廠家研究出新的涂覆工藝，既能提高GPF的捕集效率，同時GPF累碳后背壓也不會偏大，但由于這種技術的專利限制，具體涂覆工藝的原理并未公開。設計的GPF上載量為75 g/L，100 g/L兩種規格，不同的GPF涂覆方案如表3所示。

1.2GPF后處理系統均勻性仿真

進入后處理系統的氣流分布越均勻，則轉化效率越高，但GPF過濾機理決定了會產生較大的背壓，因此，應使GPF具有較低的背壓，滿足排放和油耗的要求。評價氣流分布均勻的指標是速度均勻性系數，定義為

γ=1-u′2=1-∑Ai（ui-）22∑Aiui=

1-∑Ai（ui-）22A。（1）

式中：Ai 為單元面積；A為整個出口的面積；ui 為分析單元的速度；為平均速度。

γ 值通常在0～1 之間，越大表示均勻性越好，一般要求其不小于0.85。入口邊界條件為入口流量560 kg/h，溫度1 120 K；出口邊界條件為壓力0.1 MPa。 GPF后處理系統仿真結果如圖2和圖3所示。氣流速度均勻性系數為2D圖形，在云圖中無法直接顯示，為了直觀了解催化器前截面的速度均勻性，故通用速度云圖來表示。速度大小越接近，表明速度均勻性越好。圖中TWC入口氣流速度均勻性系數為0.935，大于設計標準0.9。GPF入口氣流速度均勻性系數為0.959，大于設計標準0.9。

2GPF測試選型

GPF載體結構示意圖如圖4所示。

排氣通過GPF產生的壓差包括入口壓損、出口壓損、過濾壁的壓差及通過壁面的壓差，即

ΔP=ΔPwall+ΔPsoot+ΔPin+ΔPout，（2）

ΔPin=μQ2Vfil（α+ωs）24FL23α-2ω2，（3）

ΔPout=μQ2Vfil（α+ωs）24FL23α2，（4）

ΔPwall=μQ2Vfil（α+ωs）2ωsk0α，（5）

ΔPsoot=μQLπD2κsoot（α+ωs）2lnαα-2ω。（6）

式中：ΔP為總壓差；ΔPwall為通過過濾壁的壓差，可忽略不計；ΔPsoot為通過壁面的壓差；ΔPin為通過入口的壓差；ΔPout為通過出口的壓差；α為通道寬度；L為通道長度；ωs為壁厚度；ω為碳灰層厚度。

隨著車輛運行時間的不斷增加，累積的炭煙顆粒也不斷增加，如果不能及時進行顆粒物再生，將導致 GPF 通道堵塞，帶來排氣系統背壓升高、整車燃油經濟性降低等一系列問題。因此，碳載產生的背壓、捕集效率是評價GPF的關鍵指標。通過測試不同GPF后處理技術方案，評價在不同邊界條件下的背壓特性和捕集效率，從而確定最優方案。

為了保證測試的準確性，試驗采用AVL Dnyo Road 202/12.5 L電力測功機以及AVL735S油耗儀，測功機額定功率為220 kW，額定扭矩為525 N·m。利用發動機數據采集箱采集試驗過程中發動機各種工況下的轉速、 扭矩、負荷等參數。通過標定工具INCA V7.2記錄發動機運行參數和GPF背壓。機油和冷卻液恒溫裝置用于保證機油和冷卻液恒溫。為了驗證后處理裝置對發動機尾氣的處理效果，利用HORIBA MEXA-ONE-RS直采系統、HORIBA MEXA-ONE-C1稀采分析儀以及SPCS2100 PN計數器分別測量原排和后處理后廢氣組分，PN計數器還用于監測GPF涂覆工藝和上載量對氣態污染物和顆粒物數量的影響。

2.1空載條件下GPF特性

圖5示出在空載條件下，相同涂覆量（75 g/L）情況下不同涂覆技術的壓差變化。

由圖5可以看出，在空載情況下，相同涂覆量條件下，隨著氣體流量的升高，GPF背壓不斷上升，但in-wall技術背壓增加幅度小于on-wall技術。

2.2碳加載條件下GPF特性

碳載量引起的背壓是GPF選型的關鍵指標，直接影響車輛動力性、經濟性，因此需要在碳加載條件下測試不同涂覆工藝、不同上載量及涂覆長度下的背壓特性。

從圖6至圖8可以看出：在相同涂覆量的碳加載情況下，in-wall技術背壓增加幅度小于on-wall技術；相同涂覆技術下，背壓隨涂覆量的減小而降低；在相同涂覆量條件下，采用on-wall涂覆技術時隨著涂覆載體長度縮短，背壓降低。

2.3GPF捕集效率測試

GPF的捕集效率是測試選型的關鍵指標，因此根據GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測試方法（中國第六階段）》的要求進行WLTC循環測試。試驗轉轂采用AVL 48寸四驅底盤試驗臺和WEISS環境倉，排放測試采用HORIBA MEXA-7200D稀采分析儀、MEXA-7400T定容采樣系統、DLS-2300顆粒采樣系統和SPCS2100 PN計數器。試驗車輛整備質量為1 605 kg，基準質量為1 705 kg，最大設計質量為1 998 kg，為第一類車，使用滑行法加載并匹配計算換擋線，在相同的邊界條件下測試不同方案的捕集效率，經過排放分析儀分析后得到試驗結果。

顆粒物數量捕集效率測試結果如圖9所示。

從圖9可以看出：相同涂覆量情況下，on-wall技術的GPF捕集效率較高；隨著涂覆量增大，GPF捕集效率提升；隨著GPF涂覆長度縮短，捕集效率降低。

2.4GPF選型結論

綜合以上測試結果可知，在空載和碳加載情況下，從減小排氣背壓的角度看，in-wall技術優于on-wall技術，而從提高捕集效率的角度看，on-wall技術優于in-wall技術。根據搭載TGDI發動機車型的顆粒物數量原排，選擇捕集效率較高的on-wall技術；為了避免由此帶來的背壓增大，采用部分長度涂覆，確定上載量為100 g/L、涂覆長度為60%的最優方案作為后續開發的樣件。

3控制策略制定

為了實現GPF開發樣件的控制，采用主動/被動再生控制結構，構建累碳模型、灰分學習模型和再生協調控制策略，如圖10所示。

3.1碳載量預估模型

基于設計目標，進行發動機各工況燃燒優化標定，實現動力、油耗及排放的最佳平衡，根據發動機工況（負荷、轉速、空燃比、噴油模式等）確定產生的炭煙量。炭煙累積在GPF過濾孔道內、過濾壁表面，逐漸形成蛋糕層，即顆粒物層，并產生相應的壓差，因此需要建立碳載量預估模型準確計算 GPF 碳載量。

按照壓差的測試評價試驗方法控制發動機工況，采用AVL483煙度計實時采集炭煙，累碳到一定時間后稱重。利用壓力傳感器實時測試GPF壓差，及GPF空載的壓差，從而計算出該累碳量下壓差，進而建立壓差和累碳量模型，如圖11所示。

3.2灰分學習模型

發動機活塞、缸孔、曲軸及增壓器等各系統的潤滑，不可避免地會產生大量油氣混合物，雖然在曲軸箱通風系統中進行層層過濾，但仍然有部分機油參與燃燒過程，機油添加劑產生的灰分會被GPF捕集。研究資料表明，GPF中不斷累積的灰分大部分是來自潤滑油添加劑。

灰分會在GPF整個生命周期內不斷累積，累積的灰分會提高GPF過濾效率［6-7］；再生過程無法清除灰分，因此，累積的灰分不斷擠占捕集炭煙的可用容積，隨著使用時間的增加，啟用再生的頻次逐漸增加，車輛排氣背壓增加。因此建立灰分學習模型，自適應校正空載情況下的壓差，即當一次再生結束時，根據碳載量判斷炭煙已完全燒盡，那么只剩下灰分產生的壓差。發動機控制單元進行空載壓差曲線模擬計算，并對以下方面加以考慮：

1）" 灰分累積量由發動機總運行時間決定；

2）" 發動機總運行時間要通過發動機轉速和負荷進行加權修正；

3） 灰分累積到一定程度后會報故障；

4） 灰分累積量直接影響再生需求閥值。

3.3再生控制

當 GPF 中的碳載量達到預先設定的再生限值時，ECU 將采取相應的策略，控制發動機的運行參數達到 GPF 可再生的條件，實現再生［8-9］。

3.3.1再生協調

根據碳載量模型輸出的碳載量、車輛行駛里程、發動機運行時間以及車輛累計油耗判斷是否需要再生，當滿足再生條件時進入再生狀態，并根據再生工況的劃分、發動機狀態判斷能否再生執行，再生工況劃分如表4所示。當滿足再生工況時，進行再生執行。通過過量空氣系數調節滿足目標空燃比，同時使GPF溫度滿足碳燃燒條件，之后進行再生過程及狀態的判斷，判斷再生是否完成或者中斷，并存儲狀態和記錄數據。

3.3.2再生過程判斷

再生是否完成的過程判斷主要有以下兩種，根據不同的需要進行標定。

1）" 基于再生有效時間計算再生完成因子（最大再生需求來源于里程/運行時間/油耗累積）。基于時間的再生完成因子為

φ=t1t。（7）

式中：t1是再生有效時間；t是再生完成需要的時間。

2） 基于碳累積量計算再生完成因子（最大再生需求來源于碳累積）。基于soot的再生完成因子為

φ=m-m2m-m3。（8）

式中：m是開始碳載量；m2是當前碳載量；m3是再生完成碳載量。

3.3.3再生效率控制

GPF碳載量預估模型不僅可以通過壓差預估碳載量，還可以根據發動機燃油輸出預估碳載量，即根據燃油量預估炭煙的產生速率，通過過量空氣系數、燃油瞬態系數、累碳修正系數、催化劑起燃系數以及起燃階段進行修正。隨著發動機的運行，不斷地產生炭煙，同時GPF中炭煙不斷地燃燒。在GPF碳載量預估模型中，碳載量根據炭煙產生速率和炭煙燃燒速率來確定，因此，需要準確地測試GPF的再生速率，包括與O2和CO2的反應速率，炭煙和O2，CO2的反應速率以及總的反應速率計算如式（9）至式（13）所示。

dmsootdt=soot_eo×ηfilter-RRsoot×msoot（t），（9）

msoot_t=msoot_0×l-RRsoot×t+soot_e0RRsoot×

ηfilter×（1-l-RRsoot×t），（10）

RRsoot=RRCO2+RRO2，（11）

RRCO2=f1（［CO2］）×A1×l-Ea1RT=

fCO2（［CO2］，T），（12）

RRO2=f2（［O2］）×A2×l-Ea2RT=fO2（［O2］，T）。（13）

式中：soot_eo為發動機碳載量；ηfilter為過濾效率；RRsoot為總速率；RRCO2為與CO2反應速率；RRO2為與O2反應速率；Ea為活化能；R為常數。

在固定過量空氣系數和轉速的情況下，增大發動機負荷，測試GPF初始質量、結束質量、發動機原排累碳量等參數。然后改變過量空氣系數，重復試驗，標定結果如圖12至圖13所示。

4控制策略驗證

根據GPF測試評價選定的方案，驗證GPF的控制策略，通過轉轂試驗驗證標定后的數據以及GPF捕集效率能否達到工程目標。采用上述的轉轂和排放試驗設備，將GPF控制策略及標定的數據利用標定軟件下載到發動機控制單元中。試驗車輛使用滑行法加載，匹配計算換擋線進行試驗驗證，經過系統分析后得到顆粒物數量模態數據和試驗結果。

顆粒物數量循環數據如圖14所示。隨著試驗的進行，累積的炭煙占據過濾壁，GPF的過濾效率逐漸提升。車輛原排顆粒物數量為3.526×1012個/km，而尾排顆粒物數量排放為3.445×1011個/km，轉化效率為90.5%，大于設定的轉化效率（85%），最終排放值低于4.2×1011個/km的工程設計目標。

5結束語

根據TGDI發動機排放開發目標，設計不同的GPF后處理技術方案，通過測試評價確定最優的技術方案，將測試數據作為控制策略基礎數據和標定邊界。

測試不同GPF技術方案發現，在空載和碳加載情況下，相比較in-wall技術，on-wall技術背壓增加較大，但是捕集效率比in-wall技術高。

建立了基于壓差和發動機原排的GPF控制策略，并對碳載量模型、再生速率模型參數化；識別再生工況進行再生控制，通過發動機臺架、轉轂驗證，結果表明，GPF捕集效率和顆粒物數量排放滿足工程目標，同時驗證了控制策略的正確性和有效性。通過高效GPF技術開發解決了直噴渦輪增壓汽油機顆粒物數量污染物的問題，為達到國6b及歐7排放奠定了基礎。參考文獻：

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High Efficiency Particulate Filter for Gasoline Direct Injection Engine and Its Control Strategy

MA Biao1，ZHONG Qiuyue1，HU Shuai1，SUN Yu2，TENG Qin2

（1.An Hui Jiang Huai Auto Mobile Co.，Ltd.，Hefei230601，China；2.School of Automotive and Transportation Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract： In order to meet the requirements of China emission regulation for reducing the particle size of gasoline direct injection engines， different gasoline particulate filter （GPF） technology schemes were designed based on emission development goals， and the optimal scheme with high capture efficiency and low back pressure was determined through test bench and hub testing. The GPF strategy was established based on engine raw emission and pressure difference， the carbon load model and regeneration efficiency model were calibrated according to GPF test data， and the identification of regeneration conditions and regeneration control were realized. The control strategy was verified through the WLTC emission cycle. The capture efficiency of the optimal GPF met the requirements of emission target， which reduced PN pollutants of gasoline direct Injection engine effectively.

Key words： gasoline direct injection engine;particulate filter;control strategy;regeneration efficiency;filtration efficiency

［編輯： 姜曉博］