汪杰强，刘志军，黄若琼，魏少华

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007；2.德尔福（上海）动力推进系统有限公司，上海200131）

0 引 言

国六法规增加了对汽油机颗粒排放物质量和数量限制，其中CN6a中规定，WLTC排放循环中颗粒物数量限值为6.0×1011/km，颗粒物质量限值为4.5 mg/km，CN6b则进一步增加了限制，上限为3 mg/km。目前绝大多数车型的原始排放都无法达到这一要求，需要借助汽油机颗粒捕集器（GPF, Gas Particular Filter）对尾气进行过滤。在GPF的使用过程中碳载量将不断变化，将改变GPF的温度和压差。需要发动机控制系统预估GPF载体内的碳载，并有效控制其温度和压差，实现持续高效和安全的工作。

1 GPF的结构和应用方案

1.1 GPF的结构及工作原理

图1为GPF内部结构及过滤颗粒物原理示意图，GPF内部为挤压成型的壁流式蜂窝陶瓷结构，具有许多平行的轴向蜂窝孔道，相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞。当尾气流经颗粒捕集器上的多孔介质载体壁面时，尾气中的颗粒物将被捕集在载体壁面内及载体壁面，而其它气体成分则通过孔壁流出，从而实现过滤尾气的目的。

1.2 两种整车GPF主流布置方案

GPF在应用过程中主要考虑的因素有三个方面：1）GPF的过滤效率；2）GPF的再生能力；3）整车GPF的布置空间。这三者的相互平衡最终决定了一个车型的GPF布置形式。在当前GPF过滤效率基本能满足排放要求的前提下，GPF的布置主要考虑的因素是再生能力。GPF布置方案可分为紧耦合和底盘式两种，如图2所示。

图1 GPF内部结构及颗粒物过滤尾气示意图

图2 两种GPF整车布置方案

2 GPF控制策略

GPF控制策略的总体方案包括5个控制模块：碳载量预估模型、再生控制模块、转矩及减速断油（DFCO）时长限制、仪表GPF灯提示方案，以及售后市场解决方案（驻车再生）。

2.1 GPF再生过程控制

GPF在车辆运行过程中碳量累积和碳量再生是同时存在的。把这种主动施加的控制称为主动再生控制。GPF进入主动再生需要满足2个条件：1）预估碳载量超过设定的再生限值（一般为3～5 g/L）；2）满足规定的运行工况（包括两大类：一类是需要持续满足的条件；另一类是再生开始时需要满足的条件）。

GPF再生速率的主要影响因素是温度和氧浓度，因此主动再生的途径就是通过减稀空燃比来增加尾气中的氧含量，通过施加发动机储备转矩即推迟点火来提升排气温度，从而加速GPF的再生速率[1]。图3为某车型测试中GPF载体温度在减速断油过程中的超温情况。

图3 GPF载体因DFCO过长导致超温

2.2 GPF再生过程仪表亮灯提示方案

GPF控制策略中包含了仪表提示灯的控制方案，用于提示3种情况：1）碳载量已经超过再生限值且驾驶工况满足主动再生的条件，处于主动再生中；2）碳载量已经超过再生限值但驾驶工况不满足主动再生的条件，需要改变工况来满足再生条件；3）碳载量已经超过再生极限值，通过道路再生已经无法进行有效再生，提示驾驶员需要进行4S店驻车再生。控制逻辑针对上述3种状态设计了不同的状态标志位。

2.3 GPF售后市场解决方案

GPF实际应用中如果有累碳过多导致道路再生困难，需要在维修店进行驻车再生。驻车再生分4个阶段：1)阶段1。从诊断仪发出再生指令到怠速再生开始，中间设定延迟，提供发动机预热时间。2)阶段2。发动机怠速转速提升到目标转速，基于实际GPF入口温度和目标温度的差值施加储备转矩退点火角，同时施加偏稀的空燃比。3)阶段3。当GPF入口温度达到预设温度，系统认为已具备再生能力，将施加更稀的再生空燃比，以加速再生的进程。4)阶段4。再生过程在没有其他边界因素不满足的情况下会在碳载量低于预设的限值以后自动退出，退出后进入常规怠速状态。

3 GPF碳载量预估模型

GPF控制逻辑提供了两种碳载量预估方式：一种是基于压差传感器读值结合发动机排气特性参数进行的碳载预估，简称DP（Delta Pressure）模型；另一种是基于GPF入口温度及发动机运行工况（如空燃比、转速、负荷等）信息进行的碳载量预估模型，简称EO（Engine Out）模型。

3.1 基于压差的GPF碳载量预估模型

图4为某车型无碳载状态及累积一定碳载量后GPF前后端压差与排气体积流量的关系。建立无碳载状态下GPF压差和排气体积流量的关系，公式如下：

其中：Δpclean为干净GPF压差，kPa；μ为动态黏度系数，Pa·s；ρ为气体密度，kg/m3；Q为排气体积流量，L/s；A和B为拟合系数。

图4 GPF累碳前后压差与排气流量的关系

当GPF累碳后，相同排气流量下的压差值会增加，压差增加量转换为不随流量变化的指示压差：

其中：SootIndex为指示压差，kPa；μ为动态黏度系数，Pa·s；Q为排气体积流量，L/s；R为常量。

SootIndex经过滤波后可以稳定地反映GPF内碳载量的变化，图5为某车型实测固定碳载下的指示压差对应的SootIndex变化。

图5 固定累碳量下的指示压差

3.2 基于发动机原排的碳载累积模型

GPF内累积的碳载量是发动机颗粒物产生速率和GPF内部颗粒物燃烧速率的结合。图6所示为发动机台架万有特性数据中实测的Soot产生速率与燃油喷射量及空燃比的关系。考虑碳量过量预估的原则，预估模型首先基于燃油流量乘以一个稳态修正系数，获得Soot产生速率的第1部分ItemA，再乘以空燃比的修正系数ItemB。

模型首先对单缸喷油量进行滤波并计算出滤波前后喷油量的差值，再基于差值大小对稳态soot产生速率进行修正（ItemC）；起燃阶段由于点火角等控制参数的明显变化，相同工况的Soot产生量也会受到影响，因此逻辑按照早燃阶段的进度百分比对稳态产生速率进行了修正（ItemD），最终的Soot产生速率（g/s）如下式所示：

图6 Soot产生与燃油喷射速率之间的关系

4 结 论

本文对GPF在实际国六项目中的应用形式进行了详细的论述，并分别从碳载预估、再生模式控制、仪表提示及售后市场解决方案等方面论述了汽油机颗粒捕集系统的控制策略。本文所论述的GPF控制系统已经在多个车型上进行实际应用，并完成整车常规测试及耐久测试。测试结果显示，该系统可以准确预估碳载、有效控制再生温度并提高再生速率，具有较高的实际应用价值。