一文解析GPF控制攻略

前言

汽油机的颗粒物排放是汽车排放物中需要控制的污染物之一，尤其对于缸内直喷式汽油机（GDI），其循环颗粒物排放量是进气道喷射汽油机（PFI）的十倍。就颗粒物控制而言，国六a排放法规阶段新增了对颗粒物数量的控制，而当进一步加严至国六b阶段时，颗粒物质量浓度排放限值降低33%，同时增加实际道路试验循环测试（RDE，Real Driving Emission），因此颗粒物排放控制之路任重道远。当前，为有效降低颗粒物排放，市场上出现了高轨压、改良的多孔喷油器等诸多技术，但该技术主要通过改善原始排放的方式来降低颗粒物质量，其效果视发动机基础、匹配水平而异；而汽油机颗粒捕集器（GPF，Gasoline Particle Filter）是从排放后处理的角度来降低颗粒物排放的技术，其过滤效率高达90%，同时也能有效控制颗粒物数目。据国六预研阶段市场调查数据统计，PFI和GDI型发动机均对GPF存在不同程度的配置需求，考虑到未来排放法规的不断加严，可以预知GPF将成为大多数汽油车排放控制技术的主流方案，并具有广阔的市场应用前景。

GPF结构及工作原理

颗粒捕集器顾名思义，就是通过捕集尾气中的颗粒物来降低排气中的颗粒物质量和数量。其捕集机理主要基于GPF载体的结构和材料，结构示意图如图1所示，外型一般为圆柱体，主要以壁流式蜂窝陶瓷为载体，该结构较为特殊，在载体的出入口端面均布满许多沿轴向相互平行的窄小孔道，每相邻的两个孔道，一个在进口处被堵住，另一个在出口处被堵住，形成一个蜂窝状结构，排气从一个孔道进入后，必须穿过陶瓷的多孔性壁面从相邻孔道流出，因此颗粒物会在颗粒捕集器内部通过拦截、碰撞、扩散、重力沉降等方式不断积聚，从而达到积累颗粒物的目的，见图2。这种设计结构综合性能较好，且流动阻力小，耐高温，机械强度高，也易操作。

图1. GPF载体结构

图2. GPF结构及捕集原理

随着颗粒物累积量越来越大，排气背压会升高，燃油油耗增加，发动机性能下降，因此GPF需要适时将捕集的颗粒氧化燃烧掉，即进行再生。GPF内部的再生原理可以用以下两个化学方程式表达：

1）在GPF内部温度高于580℃，且氧浓度大于0.5%或缸内过量空气系数大于1.022时，发生如下化学放热反应

2）在GPF内部温度高于800℃，且没有氧气时，发生如下化学吸热反应

3）对于存在催化涂覆的GPF（cGPF），当250℃

当前，为有效满足国六排放法规，整车排气系统采用的GPF布置方案主要有4种，如表1所示。考虑到成本、底盘布置空间以及GPF再生效率等问题，(TWC+cGPF)cc的布置方案再生时TWC至GPF段散热损失小，GPF内部温度较高，便于颗粒物的氧化燃烧；此外GPF载体中贵金属涂覆也有利于降低颗粒物燃点，有利于被动再生，同时也提高了再生效率，因此其综合性能最好，推荐采用该方案。

表1. GPF布置方案

GPF的控制策略

从GPF内部再生过程来看，温度和排气中氧含量是决定再生效率的重要因素。由于汽油车实际行驶工况下排气温度普遍较高（车速40km/h排温就能达到580℃），因此氧含量是影响再生质量的关键因素，但考虑到整车主要运行于过量空气系数λ=1的工况下（保证TWC的高效催化），无法提供充足的氧含量供碳氧化燃烧，因此需要发动机创造条件使其再生，并且GPF材料本身也存在着最大热应力，这又使得并非任何工况下都适合再生；此外GPF何时进行再生即判定再生时机是GPF再生的基础，因此都需要EMS控制系统对GPF的状态加以了解，并对再生过程实施精确控制。

GPF再生过程中的控制难点可概括为再生监控和再生控制两方面。如图3所示，车辆运行过程中首先判断GPF中碳载量的状态，即判断GPF是否满载，或者是否达到碳载量再生的需求值，一旦满足再生触发需求，系统会进入再生过程，即判断整车运行工况，并基于闭环控制来进一步管理空气及燃油喷射系统，来满足GPF再生条件，从而确保GPF的安全有效再生。

对于碳载量的状态监测一般采用压差法来进行判定，但考虑到压差在低排气流量下偏差较大以及瞬态工况下测量精度无法保证等问题，因此联电以碳载量计算法为主，压差计算法为辅来进行判定，其控制逻辑详见图4。一方面是建立soot累碳和soot燃烧模型。其中，前者需要基于soot原排、水温、催化器加热、过渡工况以及冷起动等方面来不断修正优化该模型，而后者需要通过定温定氧、碳载量燃烧等方式来模拟碳载量实际的燃烧过程，两者的共同作用确保碳载量模型值的准确输出，当然后续也需要WLTC等循环对模型的不断验证；另一方面，采用碳载量压差法则需要依据碳载量系数CCF值来进一步确定，但这其中需要剔除灰分（Ash）对GPF压差的影响。总之，两者的互相验证确保碳载量监测的准确性。

图3. GPF再生控制策略示意图

图4. 碳载量计算控制逻辑

GPF再生控制主要围绕再生协调展开，详见图5。当碳载量的状态达到再生需求，或者整车行驶距离、发动机运行时间等其他需求达到条件时，系统会进行再生协调，即判断车辆的运行状态是否满足再生工况要求，如若不满足，比如档位过低、发动机启动时间较短或者转速过低时便不激活主动再生，否则会进行再生过程，比如混合气减稀、推迟点火等来进一步满足GPF再生过程对GPF入口温度和排气氧含量的需求；此外，再生过程中也需要根据当前运行工况来输出目标空燃比和目标再生温度，确保GPF的安全有效再生；另一方面，当再生时间过长或者GPF再生温度过高时系统则会退出再生过程。总之，GPF的再生协调过程是个闭环控制的循环过程，共同确保GPF再生的准确性和合理性。

图5. GPF再生控制逻辑图

GPF展望

汽油机颗粒捕集器（GPF）是当前国六形势下的热点话题，也是未来满足越来越严格排放法规的首选后处理系统，应用及研究前景广阔，考虑到GPF主动再生时机判定和再生过程控制策略的标定工作，是一项系统性、复杂性、耗时且试验成本巨大的研究工作，而文中仅对部分框架内容进行简要叙述，并未详细展开，后续还需对其他相关内容展开讨论，比如GPF中灰分的计算和修正、GPF断油安全性检查、GPF的故障诊断等。总之，GPF的研究与应用之路任重道远，需要整车路试后续的不断检验和修正。