秦 琨，黃月婷，潘錦雙，黃國海

（東風(fēng)柳州汽車有限公司 東風(fēng)柳汽乘用車技術(shù)中心，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，環(huán)境保護觀念的提升，國際和國內(nèi)對汽車排放的要求都逐漸提高。在全國范圍內(nèi)，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(jīng)濟發(fā)達地區(qū)已提前實施最新的排放標(biāo)準(zhǔn)，中國汽車工業(yè)面臨進一步挑戰(zhàn)。國六排放法規(guī)對排放顆粒物實施了強制要求，由于汽油在發(fā)動機氣缸內(nèi)不完全燃燒，會產(chǎn)生大量的固態(tài)碳煙顆粒。這些固態(tài)碳煙顆粒會對環(huán)境造成污染，國六排放法規(guī)I 型試驗對固態(tài)碳煙顆粒的質(zhì)量和數(shù)量提出了更低的限值，目前行業(yè)主流的技術(shù)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(tǒng)中，可以捕捉發(fā)動機排放廢氣中的固態(tài)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(tài)的監(jiān)控、診斷和控制，需要軟件和標(biāo)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(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 設(shè)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(tǒng)中的布局結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GPF 在整車排氣系統(tǒng)中的布局結(jié)構(gòu)

汽油機顆粒捕集器行業(yè)主流集成結(jié)構(gòu)分為地板式和緊耦合式，區(qū)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(jié)構(gòu)

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

圖3 GPF 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 顆粒捕集器的控制方法

現(xiàn)階段乘用車行業(yè)對顆粒捕集器的主流控制技術(shù)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(xiàn)監(jiān)控顆粒捕集器中顆粒排放物累積、再生的狀態(tài)。第二類為燃燒速率模型，建立此模型的目的是實時監(jiān)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(tǒng)的高溫環(huán)境中，需確保車輛零部件安全，GPF 功能有效的同時，滿足法規(guī)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(fā)動機在萬有的各個工況點，得到發(fā)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(zhì)量流量，作為后續(xù)模型計算碳累積量。因發(fā)動機的原始排放受到運行環(huán)境、運行參數(shù)等多重因素的影響，測量理想狀態(tài)下的發(fā)動機碳煙質(zhì)量流量是工況法碳量累積模型的基礎(chǔ)。

考慮到運行環(huán)境、運行參數(shù)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(fā)動機水溫修正、催化器加熱工況修正、發(fā)動機過渡工況修正以及AVL483 設(shè)備測量精準(zhǔn)度修正。最終的碳量累積模型即對考慮了運行環(huán)境、運行參數(shù)等因素后的碳煙質(zhì)量流量隨時間的積分值[1]。

空燃比修正在不同的轉(zhuǎn)速、負荷和過量空氣系數(shù)下，使用AVL483 測量GPF 入口的碳煙質(zhì)量流量值。過量空氣系數(shù)需覆蓋0.7～ 1.2。高轉(zhuǎn)速高負荷及發(fā)動機發(fā)生掃氣的區(qū)域，為保證排氣系統(tǒng)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(fā)動機有失火或爆震的工況可不測。

發(fā)動機水溫修正需調(diào)節(jié)臺架試驗室的環(huán)境溫度至20 ℃以下，冷機至發(fā)動機水溫＝機油溫度＝試驗室環(huán)境溫度，采集發(fā)動機起動直至發(fā)動機水溫和機油溫度達到90 ℃過程中的碳煙質(zhì)量流量。此試驗關(guān)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(chǔ)上開催化器加熱功能。

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

AVL483 設(shè)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(zhì)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(jīng)ECU 信號處理和計算，經(jīng)模型處理轉(zhuǎn)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(biāo)定的兩個常數(shù)，可通過標(biāo)定對車輛模型壓差進行校準(zhǔn)。

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(guān)因子模型

建立實測壓差和模型壓差的交叉相關(guān)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(shù)量，一般設(shè)置為10，計算10個采數(shù)樣本的移動平均值，可使壓差值更穩(wěn)定，避免瞬態(tài)工況對壓差值的較大影響。

當(dāng)GPF 空載時，理論上模型壓差＝實測壓差，此時交叉相關(guān)因子＝1。

當(dāng)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(guān)因子>1。

（3）建立GPF 累積的交叉相關(guān)因子-GPF 累積碳量關(guān)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(guān)因子，記錄碳量-交叉相關(guān)因子對應(yīng)關(guān)系；之后分別測試4，6，8，10，12 g碳量時的交叉相關(guān)因子。

最終得到交叉相關(guān)因子-GPF 累積碳量關(guān)系表，見表1。

表1 交叉相關(guān)因子-GPF 累積碳量關(guān)系

（4）診斷功能實現(xiàn)

基于上述交叉相關(guān)因子和壓差法碳量模型即可實現(xiàn)以下GPF 狀態(tài)診斷：

GPF 載體碎裂丟失診斷方法：當(dāng)GPF 載體丟失，GPF 兩端實測壓差接近0，交叉相關(guān)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(guān)因子。比如測得GPF 空殼樣件的交叉相關(guān)因子為0.1，則可以設(shè)置GPF 載體碎裂丟失的診斷閾值為0.2。當(dāng)市場上車輛ECU 測得0＜交叉相關(guān)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(yán)重堵塞診斷方法：根據(jù)GPF載體容量設(shè)計大小設(shè)定診斷閾值。比如GPF 載體容量設(shè)計最大載碳量為10 g，則設(shè)置診斷閾值為10 g。當(dāng)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(yán)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(dāng)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(guān)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(guān)因子。比如測得交叉相關(guān)因子最大值為-0.1，則可以設(shè)置壓差傳感器入口和出口管路接反的診斷閾值為0。當(dāng)市場上車輛ECU 測得交叉相關(guān)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(zhǔn)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(zhǔn)備。徹底清碳，得到空載GPF 質(zhì)量。

（2）建立碳量-再生速率對應(yīng)

對GPF 累碳至最大碳載量10 g（根據(jù)具體GPF規(guī)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(nèi)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(dāng)前碳量對應(yīng)的再生速率V0。

（3）再生燃燒速率系數(shù)

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(yīng)的GPF 溫度和GPF 入口氧流量時，對GPF 內(nèi)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(shù)1，入口氧流量為0 的試驗點均填入系數(shù)0，其余點系數(shù)＝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(shù)表，通過查表可得到當(dāng)前GPF 溫度、入口氧流量對應(yīng)的再生燃燒速率系數(shù)R。

表2 碳量-再生速率

（4）碳再生量的計算

當(dāng)車輛GPF 發(fā)生再生時，車輛控制系統(tǒng)可通過監(jiān)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(jié)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(nèi)部載有碳的情況下，若此時發(fā)生斷油，發(fā)動機空轉(zhuǎn)將空氣中的氧氣帶入排氣系統(tǒng)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(nèi)部溫度梯度加大，有燒毀GPF 的風(fēng)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(zhǔn)質(zhì)量?？焖倮厶贾聊繕?biāo)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(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷，使得GPF 的中心溫度達到目標(biāo)工況1 所示的溫度，并保持穩(wěn)定。通過軟件控制ECU，設(shè)置發(fā)動機斷油，斷油的同時將油門的打開度在2 s 內(nèi)降為0。斷油后，由于GPF 內(nèi)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(biāo)工況下允許斷油的最大碳載量，則該工況驗收合格；重復(fù)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(fù)進行目標(biāo)工況1 的試驗，直到斷油后溫度的最大值符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)進行目標(biāo)工況1 的試驗，直到斷油后溫度的最大值符合的驗收標(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)0.9。見表4。

（2）建立斷油映射關(guān)系

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

在表5 中，橫坐標(biāo)為表4 中的安全碳載量，縱坐標(biāo)為斷油前GPF 中心溫度，Z軸為1 時，表示在當(dāng)前GPF 中心溫度、當(dāng)前GPF 碳載量下，禁止發(fā)動機斷油；Z坐標(biāo)為0 時，表示當(dāng)前GPF 中心溫度、當(dāng)前GPF碳載量下，允許發(fā)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(biāo)中，則可以使用插值法進行判斷是否允許發(fā)動機斷油。

表3 再生燃燒速率系數(shù)

表4 GPF 耐受溫度

表5 斷油映射關(guān)系

3 結(jié)語

以上模型已經(jīng)在東風(fēng)柳州汽車有限公司多款車型上得到應(yīng)用。通過以上模型建立的控制方法，可精準(zhǔn)監(jiān)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(xiàn)雙保險，避免了工況法的偏差和壓差法的不連續(xù)，形成優(yōu)勢互補。同時也杜絕了現(xiàn)有技術(shù)只能在再生后，重新經(jīng)過壓差模型對剩余碳量的校準(zhǔn)，無法監(jiān)控再生過程的情況。在排放要求越來越嚴(yán)格的環(huán)境下，降低GPF 報故障燈、燒毀GPF的故障率。精準(zhǔn)監(jiān)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(yán)格的今天，該方法可為推動汽車行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。