前言

汽油機(jī)的顆粒物排放是汽車排放物中需要控制的污染物之一，尤其對(duì)于缸內(nèi)直噴式汽油機(jī)（GDI），其循環(huán)顆粒物排放量是進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)（PFI）的十倍。就顆粒物控制而言，國六a排放法規(guī)階段新增了對(duì)顆粒物數(shù)量的控制，而當(dāng)進(jìn)一步加嚴(yán)至國六b階段時(shí)，顆粒物質(zhì)量濃度排放限值降低33%，同時(shí)增加實(shí)際道路試驗(yàn)循環(huán)測(cè)試（RDE，Real Driving Emission），因此顆粒物排放控制之路任重道遠(yuǎn)。當(dāng)前，為有效降低顆粒物排放，市場(chǎng)上出現(xiàn)了高軌壓、改良的多孔噴油器等諸多技術(shù)，但該技術(shù)主要通過改善原始排放的方式來降低顆粒物質(zhì)量，其效果視發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)、匹配水平而異；而汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF，Gasoline Particle Filter）是從排放后處理的角度來降低顆粒物排放的技術(shù)，其過濾效率高達(dá)90%，同時(shí)也能有效控制顆粒物數(shù)目。據(jù)國六預(yù)研階段市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，PFI和GDI型發(fā)動(dòng)機(jī)均對(duì)GPF存在不同程度的配置需求，考慮到未來排放法規(guī)的不斷加嚴(yán)，可以預(yù)知GPF將成為大多數(shù)汽油車排放控制技術(shù)的主流方案，并具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

GPF結(jié)構(gòu)及工作原理

顆粒捕集器顧名思義，就是通過捕集尾氣中的顆粒物來降低排氣中的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量。其捕集機(jī)理主要基于GPF載體的結(jié)構(gòu)和材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，外型一般為圓柱體，主要以壁流式蜂窩陶瓷為載體，該結(jié)構(gòu)較為特殊，在載體的出入口端面均布滿許多沿軸向相互平行的窄小孔道，每相鄰的兩個(gè)孔道，一個(gè)在進(jìn)口處被堵住，另一個(gè)在出口處被堵住，形成一個(gè)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，排氣從一個(gè)孔道進(jìn)入后，必須穿過陶瓷的多孔性壁面從相鄰孔道流出，因此顆粒物會(huì)在顆粒捕集器內(nèi)部通過攔截、碰撞、擴(kuò)散、重力沉降等方式不斷積聚，從而達(dá)到積累顆粒物的目的，見圖2。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)綜合性能較好，且流動(dòng)阻力小，耐高溫，機(jī)械強(qiáng)度高，也易操作。

圖1. GPF載體結(jié)構(gòu)

圖2. GPF結(jié)構(gòu)及捕集原理

隨著顆粒物累積量越來越大，排氣背壓會(huì)升高，燃油油耗增加，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，因此GPF需要適時(shí)將捕集的顆粒氧化燃燒掉，即進(jìn)行再生。GPF內(nèi)部的再生原理可以用以下兩個(gè)化學(xué)方程式表達(dá)：

1）在GPF內(nèi)部溫度高于580℃，且氧濃度大于0.5%或缸內(nèi)過量空氣系數(shù)大于1.022時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)放熱反應(yīng)

2）在GPF內(nèi)部溫度高于800℃，且沒有氧氣時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)吸熱反應(yīng)

3）對(duì)于存在催化涂覆的GPF（cGPF），當(dāng)250℃

當(dāng)前，為有效滿足國六排放法規(guī)，整車排氣系統(tǒng)采用的GPF布置方案主要有4種，如表1所示。考慮到成本、底盤布置空間以及GPF再生效率等問題，(TWC+cGPF)cc的布置方案再生時(shí)TWC至GPF段散熱損失小，GPF內(nèi)部溫度較高，便于顆粒物的氧化燃燒；此外GPF載體中貴金屬涂覆也有利于降低顆粒物燃點(diǎn)，有利于被動(dòng)再生，同時(shí)也提高了再生效率，因此其綜合性能最好，推薦采用該方案。

表1. GPF布置方案

GPF的控制策略

從GPF內(nèi)部再生過程來看，溫度和排氣中氧含量是決定再生效率的重要因素。由于汽油車實(shí)際行駛工況下排氣溫度普遍較高（車速40km/h排溫就能達(dá)到580℃），因此氧含量是影響再生質(zhì)量的關(guān)鍵因素，但考慮到整車主要運(yùn)行于過量空氣系數(shù)λ=1的工況下（保證TWC的高效催化），無法提供充足的氧含量供碳氧化燃燒，因此需要發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造條件使其再生，并且GPF材料本身也存在著最大熱應(yīng)力，這又使得并非任何工況下都適合再生；此外GPF何時(shí)進(jìn)行再生即判定再生時(shí)機(jī)是GPF再生的基礎(chǔ)，因此都需要EMS控制系統(tǒng)對(duì)GPF的狀態(tài)加以了解，并對(duì)再生過程實(shí)施精確控制。

GPF再生過程中的控制難點(diǎn)可概括為再生監(jiān)控和再生控制兩方面。如圖3所示，車輛運(yùn)行過程中首先判斷GPF中碳載量的狀態(tài)，即判斷GPF是否滿載，或者是否達(dá)到碳載量再生的需求值，一旦滿足再生觸發(fā)需求，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入再生過程，即判斷整車運(yùn)行工況，并基于閉環(huán)控制來進(jìn)一步管理空氣及燃油噴射系統(tǒng)，來滿足GPF再生條件，從而確保GPF的安全有效再生。

對(duì)于碳載量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般采用壓差法來進(jìn)行判定，但考慮到壓差在低排氣流量下偏差較大以及瞬態(tài)工況下測(cè)量精度無法保證等問題，因此聯(lián)電以碳載量計(jì)算法為主，壓差計(jì)算法為輔來進(jìn)行判定，其控制邏輯詳見圖4。一方面是建立soot累碳和soot燃燒模型。其中，前者需要基于soot原排、水溫、催化器加熱、過渡工況以及冷起動(dòng)等方面來不斷修正優(yōu)化該模型，而后者需要通過定溫定氧、碳載量燃燒等方式來模擬碳載量實(shí)際的燃燒過程，兩者的共同作用確保碳載量模型值的準(zhǔn)確輸出，當(dāng)然后續(xù)也需要WLTC等循環(huán)對(duì)模型的不斷驗(yàn)證；另一方面，采用碳載量壓差法則需要依據(jù)碳載量系數(shù)CCF值來進(jìn)一步確定，但這其中需要剔除灰分（Ash）對(duì)GPF壓差的影響。總之，兩者的互相驗(yàn)證確保碳載量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3. GPF再生控制策略示意圖

圖4. 碳載量計(jì)算控制邏輯

GPF再生控制主要圍繞再生協(xié)調(diào)展開，詳見圖5。當(dāng)碳載量的狀態(tài)達(dá)到再生需求，或者整車行駛距離、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間等其他需求達(dá)到條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行再生協(xié)調(diào)，即判斷車輛的運(yùn)行狀態(tài)是否滿足再生工況要求，如若不滿足，比如檔位過低、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較短或者轉(zhuǎn)速過低時(shí)便不激活主動(dòng)再生，否則會(huì)進(jìn)行再生過程，比如混合氣減稀、推遲點(diǎn)火等來進(jìn)一步滿足GPF再生過程對(duì)GPF入口溫度和排氣氧含量的需求；此外，再生過程中也需要根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行工況來輸出目標(biāo)空燃比和目標(biāo)再生溫度，確保GPF的安全有效再生；另一方面，當(dāng)再生時(shí)間過長或者GPF再生溫度過高時(shí)系統(tǒng)則會(huì)退出再生過程?？傊?，GPF的再生協(xié)調(diào)過程是個(gè)閉環(huán)控制的循環(huán)過程，共同確保GPF再生的準(zhǔn)確性和合理性。

圖5. GPF再生控制邏輯圖

GPF展望

汽油機(jī)顆粒捕集器（GPF）是當(dāng)前國六形勢(shì)下的熱點(diǎn)話題，也是未來滿足越來越嚴(yán)格排放法規(guī)的首選后處理系統(tǒng)，應(yīng)用及研究前景廣闊，考慮到GPF主動(dòng)再生時(shí)機(jī)判定和再生過程控制策略的標(biāo)定工作，是一項(xiàng)系統(tǒng)性、復(fù)雜性、耗時(shí)且試驗(yàn)成本巨大的研究工作，而文中僅對(duì)部分框架內(nèi)容進(jìn)行簡要敘述，并未詳細(xì)展開，后續(xù)還需對(duì)其他相關(guān)內(nèi)容展開討論，比如GPF中灰分的計(jì)算和修正、GPF斷油安全性檢查、GPF的故障診斷等。總之，GPF的研究與應(yīng)用之路任重道遠(yuǎn)，需要整車路試后續(xù)的不斷檢驗(yàn)和修正。