秦 琨，黃月婷，潘錦雙，黃國(guó)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(huì)的不斷發(fā)展，環(huán)境保護(hù)觀念的提升，國(guó)際和國(guó)內(nèi)對(duì)汽車排放的要求都逐漸提高。在全國(guó)范圍內(nèi)，國(guó)六a 已于2020 年7 月1 日開(kāi)始實(shí)施，國(guó)六b 將于2023 年7 月1 日實(shí)施。部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已提前實(shí)施最新的排放標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)汽車工業(yè)面臨進(jìn)一步挑戰(zhàn)。國(guó)六排放法規(guī)對(duì)排放顆粒物實(shí)施了強(qiáng)制要求，由于汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)不完全燃燒，會(huì)產(chǎn)生大量的固態(tài)碳煙顆粒。這些固態(tài)碳煙顆粒會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，國(guó)六排放法規(guī)I 型試驗(yàn)對(duì)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(jī)顆粒捕集器。汽油機(jī)顆粒捕集器，集成在車輛排氣系統(tǒng)中，可以捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)，也需軟件控制上的升級(jí)。對(duì)顆粒捕集器實(shí)時(shí)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(dá)到不影響車輛駕駛性能、油耗、NVH、OBD 診斷等各項(xiàng)要求。本研究探討汽油機(jī)顆粒捕集器控制方法，為推動(dòng)汽車行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

汽油機(jī)顆粒捕集器（英文全稱Gasoline Particulate Filter，簡(jiǎn)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(jī)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(jī)顆粒捕集器內(nèi)部為錯(cuò)位孔濾網(wǎng)狀的陶瓷載體，陶瓷濾網(wǎng)薄膜可有效過(guò)濾車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(shí)存在，目的是實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控GPF 再生過(guò)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(shí)，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(guò)AVL483 測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在萬(wàn)有的各個(gè)工況點(diǎn)，得到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)排氣中進(jìn)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(jì)算碳累積量。因發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放受到運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)等多重因素的影響，測(cè)量理想狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)等因素，工況法碳量累積模型的搭建還需測(cè)量空燃比修正、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫修正、催化器加熱工況修正、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡工況修正以及AVL483 設(shè)備測(cè)量精準(zhǔn)度修正。最終的碳量累積模型即對(duì)考慮了運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)等因素后的碳煙質(zhì)量流量隨時(shí)間的積分值[1]。

空燃比修正在不同的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和過(guò)量空氣系數(shù)下，使用AVL483 測(cè)量GPF 入口的碳煙質(zhì)量流量值。過(guò)量空氣系數(shù)需覆蓋0.7～ 1.2。高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷及發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)有失火或爆震的工況可不測(cè)。

發(fā)動(dòng)機(jī)水溫修正需調(diào)節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)室的環(huán)境溫度至20 ℃以下，冷機(jī)至發(fā)動(dòng)機(jī)水溫＝機(jī)油溫度＝試驗(yàn)室環(huán)境溫度，采集發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)直至發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和機(jī)油溫度達(dá)到90 ℃過(guò)程中的碳煙質(zhì)量流量。此試驗(yàn)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(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)催化器加熱功能。

發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)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(dòng)機(jī)從低負(fù)荷迅速上升至高負(fù)荷過(guò)程的碳煙質(zhì)量流量。

AVL483 設(shè)備測(cè)量會(huì)有一點(diǎn)的偏差，可通過(guò)對(duì)顆粒捕集器累碳前后的實(shí)際稱重值，與工況法碳量累積模型積分值比較，得出測(cè)量偏差并作校正。

通過(guò)策略原始碳.煙質(zhì)量流量和各項(xiàng)修正，通過(guò)對(duì)時(shí)間積分計(jì)算，累碳模型與實(shí)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(hào)來(lái)建立模型，壓差傳感器同時(shí)測(cè)量GPF 入口和出口兩端的壓力，經(jīng)ECU 信號(hào)處理和計(jì)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(lái)源于5 個(gè)方面，如圖4 所示。其中，ΔP6為氣體流入GPF 時(shí)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(shí)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(shí)的膨脹損失。其中：

圖4 壓力損失

（ΔP5+ΔP4+ΔP3）與通過(guò)黏度校正的排氣體積流量成正比；（ΔP6+ΔP2）與通過(guò)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(jì)算式：

式中，（T/T0）v為實(shí)際排氣溫度與參考溫度20 ℃下的流動(dòng)阻力比值；dVol為顆粒過(guò)濾器中的廢氣體積流量；（T/T0）v·dVol為通過(guò)黏度校正的排氣體積流量；dVol2為通過(guò)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(gè)常數(shù)，可通過(guò)標(biāo)定對(duì)車輛模型壓差進(jìn)行校準(zhǔn)。

通過(guò)進(jìn)行整車GPF 的壓差特性測(cè)試，得到排氣體積流量和GPF 實(shí)測(cè)壓差的散點(diǎn)圖，并以二項(xiàng)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(shí)測(cè)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(cè)量的實(shí)測(cè)壓差。n為采樣數(shù)量，一般設(shè)置為10，計(jì)算10個(gè)采數(shù)樣本的移動(dòng)平均值，可使壓差值更穩(wěn)定，避免瞬態(tài)工況對(duì)壓差值的較大影響。

當(dāng)GPF 空載時(shí)，理論上模型壓差＝實(shí)測(cè)壓差，此時(shí)交叉相關(guān)因子＝1。

當(dāng)GPF 中累積了碳煙顆粒時(shí)，實(shí)測(cè)壓差升高，但模型壓差是通過(guò)排氣流量、溫度等計(jì)算得到，不會(huì)因碳煙顆粒累積而升高，此時(shí)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(cè)試在2 g碳量時(shí)ECU 計(jì)算得到的交叉相關(guān)因子，記錄碳量-交叉相關(guān)因子對(duì)應(yīng)關(guān)系；之后分別測(cè)試4，6，8，10，12 g碳量時(shí)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)

基于上述交叉相關(guān)因子和壓差法碳量模型即可實(shí)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(shí)測(cè)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(jì)算得到的交叉相關(guān)因子。比如測(cè)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(chǎng)上車輛ECU 測(cè)得0＜交叉相關(guān)因子＜0.2 時(shí)，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(jì)大小設(shè)定診斷閾值。比如GPF 載體容量設(shè)計(jì)最大載碳量為10 g，則設(shè)置診斷閾值為10 g。當(dāng)市場(chǎng)上車輛ECU 測(cè)得GPF 碳載量≥10 g 時(shí)，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(shí)，GPF 壓差傳感器實(shí)測(cè)壓差將＜0，此時(shí)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(cè)量交叉相關(guān)因子。比如測(cè)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(chǎng)上車輛ECU 測(cè)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(guò)再生燃燒速率模型計(jì)算，使GPF 在碳量累積后的再生過(guò)程可控，可精準(zhǔn)計(jì)算出再生過(guò)程中的實(shí)時(shí)剩余碳量。模型建立步驟如下：

（1）試驗(yàn)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(duì)應(yīng)

對(duì)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(jìn)行臺(tái)架最大再生燃燒速率試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為：在GPF 達(dá)到800 ℃，GPF 入口的空燃比為1.1 時(shí)，對(duì)GPF 內(nèi)部累積的碳進(jìn)行分段再生燃燒速率試驗(yàn)，分段為10 燒到8 g，8～ 6 g，6～ 4 g，4～ 2 g，2～ 0 g，試驗(yàn)前后對(duì)GPF 進(jìn)行稱重，記錄再生前的實(shí)際碳量、再生后的實(shí)際碳量、GPF 溫度、GPF入口氧流量、再生時(shí)間。此試驗(yàn)最終得到的分段燃燒速率可通過(guò)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(shí)間。通過(guò)曲線擬合得到以下碳量-再生速率曲線，通過(guò)查表可得到當(dāng)前碳量對(duì)應(yīng)的再生速率V0。

（3）再生燃燒速率系數(shù)

對(duì)GPF 累碳至6 g，進(jìn)行臺(tái)架固定GPF 溫度和GPF 入口氧流量的再生燃燒速率試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為：在GPF 達(dá)到下表對(duì)應(yīng)的GPF 溫度和GPF 入口氧流量時(shí)，對(duì)GPF 內(nèi)部累積的碳進(jìn)行再生燃燒速率試驗(yàn)，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(shí)間。此試驗(yàn)最終得到的分段燃燒速率可通過(guò)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(shí)間。選取GPF 溫度＝800 ℃、GPF 入口氧流量＝空燃比為1.1 時(shí)的氧流量試驗(yàn)點(diǎn)填入系數(shù)1，入口氧流量為0 的試驗(yàn)點(diǎn)均填入系數(shù)0，其余點(diǎn)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(guò)查表可得到當(dāng)前GPF 溫度、入口氧流量對(duì)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(jì)算

當(dāng)車輛GPF 發(fā)生再生時(shí)，車輛控制系統(tǒng)可通過(guò)監(jiān)控的空燃比計(jì)算出的GPF 入口氧流量、GPF 溫度[3]、再生前的碳載量進(jìn)行查表，并通過(guò)下方模型公式算出。

其中，t1、t2分別為再生開(kāi)始時(shí)間、再生結(jié)束時(shí)間。

2.4 斷油安全模型

車輛工作過(guò)程中，在GPF 本身溫度較高，且內(nèi)部載有碳的情況下，若此時(shí)發(fā)生斷油，發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)將空氣中的氧氣帶入排氣系統(tǒng)中，碳會(huì)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(xiǎn)。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(hù)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(gè)GPF 溫度測(cè)點(diǎn)；在臺(tái)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(jì)算GPF 的實(shí)際碳載量；裝載累碳后的GPF，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，使得GPF 的中心溫度達(dá)到目標(biāo)工況1 所示的溫度，并保持穩(wěn)定。通過(guò)軟件控制ECU，設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，斷油的同時(shí)將油門(mén)的打開(kāi)度在2 s 內(nèi)降為0。斷油后，由于GPF 內(nèi)碳煙會(huì)劇烈燃燒，GPF 的5 個(gè)溫度會(huì)先上升再降低，查看5 個(gè)溫度上升后達(dá)到的最大值Tmax，并進(jìn)行記錄。如若斷油后5 個(gè)溫度中的最大值Tmax處于930～ 950 ℃時(shí)，則之前稱重計(jì)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(yàn)收合格；重復(fù)進(jìn)行下一個(gè)工況的試驗(yàn)。如若斷油后5 個(gè)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(jìn)行目標(biāo)工況1 的試驗(yàn)，直到斷油后溫度的最大值符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如若斷油后5 個(gè)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(jìn)行目標(biāo)工況1 的試驗(yàn)，直到斷油后溫度的最大值符合的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)以上試驗(yàn)，可以得到表4 中各個(gè)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(guò)該溫度易燒毀GPF。因此從安全角度考慮，將每個(gè)溫度下允許斷油的最大碳載量乘以安全系數(shù)0.9。見(jiàn)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(dòng)機(jī)斷油三者之間的映射關(guān)系，作為ECU 在控制發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以安全斷油時(shí)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(shí)，表示在當(dāng)前GPF 中心溫度、當(dāng)前GPF 碳載量下，禁止發(fā)動(dòng)機(jī)斷油；Z坐標(biāo)為0 時(shí)，表示當(dāng)前GPF 中心溫度、當(dāng)前GPF碳載量下，允許發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行判斷是否允許發(fā)動(dòng)機(jī)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(yǔ)

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(guò)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(guò)程碳燃燒情況，工況和壓差兩路碳量模型實(shí)現(xiàn)雙保險(xiǎn)，避免了工況法的偏差和壓差法的不連續(xù)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。同時(shí)也杜絕了現(xiàn)有技術(shù)只能在再生后，重新經(jīng)過(guò)壓差模型對(duì)剩余碳量的校準(zhǔn)，無(wú)法監(jiān)控再生過(guò)程的情況。在排放要求越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)境下，降低GPF 報(bào)故障燈、燒毀GPF的故障率。精準(zhǔn)監(jiān)控GPF 碳量累積量過(guò)程，計(jì)算再生掉的碳量，同時(shí)得到剩余碳量，對(duì)GPF 碳累積過(guò)程和再生控制、GPF 載體保護(hù)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(dòng)汽車行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。