汪杰強(qiáng)，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(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有限公司，上海200131）

0 引 言

國六法規(guī)增加了對(duì)汽油機(jī)顆粒排放物質(zhì)量和數(shù)量限制，其中CN6a中規(guī)定，WLTC排放循環(huán)中顆粒物數(shù)量限值為6.0×1011/km，顆粒物質(zhì)量限值為4.5 mg/km，CN6b則進(jìn)一步增加了限制，上限為3 mg/km。目前絕大多數(shù)車型的原始排放都無法達(dá)到這一要求，需要借助汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF, Gas Particular Filter）對(duì)尾氣進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)預(yù)估GPF載體內(nèi)的碳載，并有效控制其溫度和壓差，實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效和安全的工作。

1 GPF的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方案

1.1 GPF的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為GPF內(nèi)部結(jié)構(gòu)及過濾顆粒物原理示意圖，GPF內(nèi)部為擠壓成型的壁流式蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)，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(dāng)尾氣流經(jīng)顆粒捕集器上的多孔介質(zhì)載體壁面時(shí)，尾氣中的顆粒物將被捕集在載體壁面內(nèi)及載體壁面，而其它氣體成分則通過孔壁流出，從而實(shí)現(xiàn)過濾尾氣的目的。

1.2 兩種整車GPF主流布置方案

GPF在應(yīng)用過程中主要考慮的因素有三個(gè)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(gè)車型的GPF布置形式。在當(dāng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gè)控制模塊：碳載量預(yù)估模型、再生控制模塊、轉(zhuǎn)矩及減速斷油（DFCO）時(shí)長(zhǎng)限制、儀表GPF燈提示方案，以及售后市場(chǎng)解決方案（駐車再生）。

2.1 GPF再生過程控制

GPF在車輛運(yùn)行過程中碳量累積和碳量再生是同時(shí)存在的。把這種主動(dòng)施加的控制稱為主動(dòng)再生控制。GPF進(jìn)入主動(dòng)再生需要滿足2個(gè)條件：1）預(yù)估碳載量超過設(shè)定的再生限值（一般為3～5 g/L）；2）滿足規(guī)定的運(yùn)行工況（包括兩大類：一類是需要持續(xù)滿足的條件；另一類是再生開始時(shí)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(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩即推遲點(diǎn)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(cè)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(zhǎng)導(dǎo)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(jīng)超過再生限值且駕駛工況滿足主動(dòng)再生的條件，處于主動(dòng)再生中；2）碳載量已經(jīng)超過再生限值但駕駛工況不滿足主動(dòng)再生的條件，需要改變工況來滿足再生條件；3）碳載量已經(jīng)超過再生極限值，通過道路再生已經(jīng)無法進(jìn)行有效再生，提示駕駛員需要進(jìn)行4S店駐車再生?？刂七壿嬦槍?duì)上述3種狀態(tài)設(shè)計(jì)了不同的狀態(tài)標(biāo)志位。

2.3 GPF售后市場(chǎng)解決方案

GPF實(shí)際應(yīng)用中如果有累碳過多導(dǎo)致道路再生困難，需要在維修店進(jìn)行駐車再生。駐車再生分4個(gè)階段：1)階段1。從診斷儀發(fā)出再生指令到怠速再生開始，中間設(shè)定延遲，提供發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)間。2)階段2。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速提升到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，基于實(shí)際GPF入口溫度和目標(biāo)溫度的差值施加儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩退點(diǎn)火角，同時(shí)施加偏稀的空燃比。3)階段3。當(dāng)GPF入口溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，系統(tǒng)認(rèn)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(jìn)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(huì)在碳載量低于預(yù)設(shè)的限值以后自動(dòng)退出，退出后進(jìn)入常規(guī)怠速狀態(tài)。

3 GPF碳載量預(yù)估模型

GPF控制邏輯提供了兩種碳載量預(yù)估方式：一種是基于壓差傳感器讀值結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)排氣特性參數(shù)進(jìn)行的碳載預(yù)估，簡(jiǎn)稱DP（Delta Pressure）模型；另一種是基于GPF入口溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況（如空燃比、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等）信息進(jìn)行的碳載量預(yù)估模型，簡(jiǎn)稱EO（Engine Out）模型。

3.1 基于壓差的GPF碳載量預(yù)估模型

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

其中：Δpclean為干凈GPF壓差，kPa；μ為動(dòng)態(tài)黏度系數(shù)，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(shù)。

圖4 GPF累碳前后壓差與排氣流量的關(guān)系

當(dāng)GPF累碳后，相同排氣流量下的壓差值會(huì)增加，壓差增加量轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)黏度系數(shù)，Pa·s；Q為排氣體積流量，L/s；R為常量。

SootIndex經(jīng)過濾波后可以穩(wěn)定地反映GPF內(nèi)碳載量的變化，圖5為某車型實(shí)測(cè)固定碳載下的指示壓差對(duì)應(yīng)的SootIndex變化。

圖5 固定累碳量下的指示壓差

3.2 基于發(fā)動(dòng)機(jī)原排的碳載累積模型

GPF內(nèi)累積的碳載量是發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物產(chǎn)生速率和GPF內(nèi)部顆粒物燃燒速率的結(jié)合。圖6所示為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架萬有特性數(shù)據(jù)中實(shí)測(cè)的Soot產(chǎn)生速率與燃油噴射量及空燃比的關(guān)系?？紤]碳量過量預(yù)估的原則，預(yù)估模型首先基于燃油流量乘以一個(gè)穩(wěn)態(tài)修正系數(shù)，獲得Soot產(chǎn)生速率的第1部分ItemA，再乘以空燃比的修正系數(shù)ItemB。

模型首先對(duì)單缸噴油量進(jìn)行濾波并計(jì)算出濾波前后噴油量的差值，再基于差值大小對(duì)穩(wěn)態(tài)soot產(chǎn)生速率進(jìn)行修正（ItemC）；起燃階段由于點(diǎn)火角等控制參數(shù)的明顯變化，相同工況的Soot產(chǎn)生量也會(huì)受到影響，因此邏輯按照早燃階段的進(jìn)度百分比對(duì)穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生速率進(jìn)行了修正（ItemD），最終的Soot產(chǎn)生速率（g/s）如下式所示：

圖6 Soot產(chǎn)生與燃油噴射速率之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文對(duì)GPF在實(shí)際國六項(xiàng)目中的應(yīng)用形式進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并分別從碳載預(yù)估、再生模式控制、儀表提示及售后市場(chǎng)解決方案等方面論述了汽油機(jī)顆粒捕集系統(tǒng)的控制策略。本文所論述的GPF控制系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)車型上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，并完成整車常規(guī)測(cè)試及耐久測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確預(yù)估碳載、有效控制再生溫度并提高再生速率，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。