GPF再生控制策略的研究

乔林炎

摘要：汽油机颗粒捕集器是应对国六法规、减少排放中颗粒物的重要手段。本文重点阐述了GPF压差预估模型，主动再生进入的条件，再生时的目标空燃比和储备扭矩标定方法。最后通过实车进行三种情况的验证。

关键词：汽油机颗粒捕集器；再生策略；主动再生

前言

汽油机的颗粒物排放是排放物中需要控制的污染物之一。我国于2016年年底，发布了轻型车国六标准法规，相对于国五排放标准，其对于颗粒物的排放限值变的更加严格，自国六阶段法规开始，颗粒物的排放的质量和数量就纳入了控制监管范围^[1-2]。

汽油机颗粒捕集器GPF是有效降低颗粒物排放的手段之一。在车辆排气系统中安装GPF之后，可过滤近90%的颗粒物排放。长时间运行发动机，GPF不断捕集颗粒物，会引起发动机排气背压升高，所以要根据实时监控对GPF进行控制，满足条件后烧除累积的碳颗粒，恢复GPF的过滤性能，即GPF的再生过程。这就需要EMS控制系统对GPF的状态加以了解，对再生过程施以精确的控制。本文针对一款使用底盘式布置方式的1.5TGDI大型SUV汽车进行研究。

GPF为相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞的壁流式蜂窝陶瓷结构形式，当尾气流经GPF时，气中的微粒被按照扩散机理、拦截机理、惯性碰撞机理和重力沉积机理捕集在载体壁面内及载体壁面上。

图1 GPF构造

一、压差预估模型

在GPF实际应用过程中，GPF内的碳载量无法直接测量，只能通过模型来进行计算预估。GPF的压差传感器有两个测量口，分别布置在GPF的前后端，并实时测量GPF前后端压力差值。当存在排气经过GPF总成时，由于GPF为一种多孔目的过滤设备，使得流体流过的断面的大小、形状、方向均沿程发生了巨大的变化，进而存在能量损失^[3]。根据流体能力损失公式分析，最终得到干净GPF的压差公式为：

_{在没有碳的情况下，将采集的实车排气流量等变量输入上面建好的模型中得到相对应的散点，建立散点图（红色散点），再将测试中INCA采集的数据导出在同一张散点图中表示（蓝色散点），通过调整模型标定，使得模型的散点曲线贴合实际曲线即可确定前面待定的a1、a2模型的参数。}

图2 GPF碳载量预估模型

图3 模型数据和实车测试数据对比

二、再生策略

2.1再生控制

再生过程需要同时满足富氧、高温两个条件，因此根据达到这两个条件的方法不同，GPF再生分为主动再生过程和被动再生过程。

2.2被动再生

对于被动再生(断油)，不需要发动机主动的控制调整运转参数。当发动机进入减速断油工况，此时排气中的氧气流量大幅度增加，且温度恰好达到再生要求时，即可发生被动再生过程。由于被动再生要求温度达到再生要求温度，因此被动再生过程多发生在郊区和高速工况。在被动再生过程中，值得注意的是，由于断油导致排气氧气流量大大增加，GPF在再生的过程中温度会迅速增加，此时要确保GPF的瞬时最大温度不要超过产品本身的限值。因此会设置相关的限制，如限制一次断油的时长或者再次进入减速断油的时间间隔，这样就不会因长时间处于富氧环境导致剧烈燃烧损坏GPF载体。

2.3主动再生

2.3.1进入再生的条件

当GPF中的相对碳载量大于限值时，GPF再生需求标志位就会置位。GPF满足进入再生的条件有两种，一种为一个上电循环只需满足一次即可；另一种为必须要一直满足，否则就进不了再生，只有车辆状态满足这种条件，才会进入再生。

2.3.2再生目标空燃比

当GPF满足再生条件时，为使得GPF中有足够的氧气以供碳颗粒燃烧，此时再生中目标空燃比使能标志位将会置位，一般根据当前碳载量、转速、缸压进行设置目标空燃比，通常为15.4，空燃比变稀，排气中氧气含量就会增加，满足燃烧条件。

2.3.3再生储备扭矩

当GPF发出再生请求时，但此时GPF的温度不能达到再生需要的温度时，需要通过增加储备扭矩来提高温度，同时又需要保证零部件的温度阈值，因此需要进行转毂储备扭矩调整。再生时的储备扭矩标定是通过转毂进行标定的。

图4 再生时储备扭矩主表

当ECU监测到GPF中的碳载量满足限值需要再生，此时车辆状态满足进入再生的条件时，ECU会控制空燃比为目标空燃比，根据当前转速和缸压增压主表中响应的储备扭矩，使得排温增加，这样GPF中的碳颗粒满足燃烧条件，达到再生的要求。

三、再生验证

针对再生模型验证，通过恶化燃烧累碳称重后进行驾驶，分为三种状况，仅减速断油被动再生；仅减稀空燃比主动再生；减速断油、减稀空燃比、增加储备扭矩综合清碳。通过试验，分别得到模型精度和再生速率。

3.1被动再生（减速断油）模型的试验验证

为完成对标定的被动再生（减速断油）模型进行验证，累碳至实际GPF中有10g，然后按照路况较好，限速80Km/h, 车速能稳定控制在60-80Km/h左右的路况进行驾驶。下图为试验过程中实际碳载量变化和模型变化，模型精度满足要求。

图5 仅DFCO模型精度

图6 仅DFCO车辆运转各变量之间的关系

上图数据当进行被动再生验证中的第一次，实际和模型开始时的碳载量为10.3g，试验后实际碳载量为8.9g。当温度达到要求后，在减速断油时，模型中的碳载量会迅速降低。

3.2主动再生模型的试验验证

屏蔽进入减速断油的条件，使得车辆在行驶中无法进入减速断油，即无法实现被动再生。为完成对标定的主动再生模型进行验证，累碳至实际GPF中有10g，然后按照路况较好，限速80Km/h, 车速能稳定控制在60-80Km/h左右的路况进行驾驶。下图为试验过程中实际碳载量变化和模型变化，模型精度满足要求。

图7 仅减稀空燃比模型精度

图8 仅减稀空燃比车辆运转各变量之间的关系

上图数据当进行主动再生验证中的第一次，实际和模型开始时的碳载量为10g，试验后实际碳载量为8.9g。当满足进入再生条件后，目标空燃比会变为15.4，模型中碳载量会迅速降低。

3.3综合清碳试验验证

为完成对标定模型进行综合验证，累碳至实际GPF中有10g，然后按照路况较好，限速80Km/h, 车速能稳定控制在60-80Km/h左右的路况进行驾驶。下图为试验过程中实际碳载量变化和模型变化，模型精度满足要求。

图9 综合清碳模型精度

图10 综合清碳车辆运转各变量之间的关系

上图数据当进行综合验证中的第一次，实际和模型开始时的碳载量为9.1g，试验后实际碳载量为7.6g。在车辆行驶中，减速断油和减稀空燃比都会存在，使得模型中的碳载量迅速降低。

四、结论

1. 通过建立压差法预估模型，精确预估GPF中碳载量。

2. 被动再生过程中，GPF入口温度越高，模型下降的越快，GPF中soot燃烧也越快，因此限值减速断油时长越严重。

3. 主动再生通过调整发动机的运行参数来实现，经实车验证，能够满足市区正常驾驶工况下的再生需求。

4. 在进行实车验证过程中，模型碳载量变化和实测碳载量变化基本保持一致。

5. 参考文献

1. 国家环保局，国家质量监督检验局．轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段) : GB 18352．6—2016［S］．北京: 中国环境科学出版社，2016．

2. 李配楠，程晓章，骆洪燕，等．基于国六标准的汽油机颗粒捕集器(GPF)的试验研究［J］．内燃机与动力装置，2017，34(1)：1-5．

3. 马晗清．柴油机微粒捕集器再生系统建模和控制策略研究[D]．北京：清华大学，2013．