浅谈GPF主动再生控制与亮灯提示方案

浅谈GPF主动再生控制与亮灯提示方案

蒋茂玎

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽，合肥，230601）

摘 要 GPF（Gasonline Particulate Filter汽油机颗粒捕集器）是国六阶段降低汽油车PN排放的关键技术之一，但GPF主动再生时会对车辆的驾驶性能造成不利影响。本文提供了一种GPF主动再生时通过亮灯和文字提示的方式与用户进行实时交互，及时告知用户车辆的状态，并阐述了亮灯提示的关键技术点和实验验证方法。

关键词  GPF 主动再生 亮灯提示 文字提示

Discussion on GPF Active Regeneration Control and Light-on Prompt Scheme

Jiang Mao-ding

(Anhui Jianghuai Automobile Group Corp.,Ltd. Anhui Hefei 230601)

Abstract GPF is one of the key technologies to reduce PN emission of gasoline vehicle in the C6 stage,however, active regeneration of GPF will adversely affect the driving performance of vehicles.This paper provides a way of real-time interaction with users through lights and text prompts in GPF active regeneration,inform users of vehicle status in time,the key technical points and experimental verification methods of the light-on prompt are also described.

Key words GPF; active regeneration; lighting tips; text prompt

轻型车国六排放法规（GB18352.6-2016）要求，所有轻型汽油车Ⅰ型试验PN排放限值为6×1011个/km。 GPF是降低汽油车PN排放的关键技术，它能够通过机外净化的方式降低汽油车70%以上的PN排放。GPF为挤压成型的壁流式蜂窝陶瓷结构，内部由许多平行的轴向蜂窝孔道组成，相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞，其中载体壁面为多孔介质。当尾气流经GPF时，尾气中大部分的颗粒物（主要为碳颗粒）会被过虑留在GPF内部。因此，以保证其循环使用，在使用过程中要及时进行再生清碳。再生需要满足特定的温度和氧含量条件。汽油车排温较高，一般情况下，不需要刻意控制就能达到再生条件，为被动再生。当条件不满足，需要通过控制发动机进行退角、偏稀等操作来实现，为主动再生。主动再生会造成车辆抖动、噪音等驾驶不适感，必要时还需要用户配合进行一些辅助操作。因此，有必要设置合理的主动再生控制方案，尽量确保车辆的动力性和驾驶性，同时，采取适当的提示方案以及时告知用户车辆的状态，实时进行人车交互。

图1 GPF结构和工作原理

1GPF主动再生控制与亮灯提示方案

以某国六汽油车为例，通过再生提示灯与文字提示的方式与用户进行交互。根据车辆使用情况，设定一种采用绿色、黄色、红色提示灯以及相应文字提示的方案如下。

表1 GPF主动再生亮灯提示方案

上述提示方案的关键在于设定触发黄灯的碳载量阀值S1和触发红灯的碳载量阀值S2。其中，S1的设定主要考虑GPF的特性， GPF一般带有三元催化剂涂层，涂层最高耐受温度在1050℃左右，GPF在碳载量小于S1时，应满足所有工况条件下GPF床温不应超过1050℃。若GPF载体为白载体可适当提高这个温度限值，但不能超过载体能够承受的最高温度。S2的设定主要考虑GPF累碳后导致压降增加对发动机性能的影响。GPF在S2的碳载量条件下， GPF压降急剧增加，导致整个排气系统背压增加，影响发动机的性能。应设定合理的S2值，确保GPF在S2的碳载量条件下，发动机缸内燃烧不会急剧恶化，发动机的功率、扭矩下降值在不影响正常驾驶可接受的范围内。另外，还需要考虑GPF位移背压，确保在S2条件下载体不能位移。GPF导致的亮灯提示的模型控图如下。

图2 亮灯提示模型控制图

2碳载量阀值的设定与验证

3.1碳载量阀值S1设定与验证

S1的设定与GPF的耐受温度有关。 GPF被动再生的本质是内部碳层和尾气中的氧气发生化学反应，尾气中的氧浓度越高，入口温度越高，再生反应越激烈，释放的热量就越多。因此，在同等入口温度下，减速断油（DFCO）时GPF载体内部温升最快，载体出现的最高温度即为GPF使用时能达到的温度上限。所以可以通过DFCO试验来确定S1的值。具体可按以下步骤进行：1）进行GPF内部热电偶的布置；2）测试并设定GPF使用过程中入口可能达到的最高初始温度；3）在相同的最高初始温度条件下、不同累碳量的条件下进行DFCO，测试记录GPF载体最高温度，并观察载体的状态，当GPF载体最高温度接近GPF最高耐受温度点，载体无异常现象，此时的累碳量可确定为S1。当GPF碳载量大于S1以后，ECU应该通过控制减速断油的时间，降低减速断油时尾气中的氧浓度，避免GPF在减速断油时被高温烧蚀。下图为某1.5TGDI发动机试验数据，发动机搭载的紧耦合TWC+底盘式GPF的后处理系统，GPF尺寸为Φ132.1×127mm ，体积1.74L，GPF设计的位移背压60kPa，GPF入口最高温度初始值为770℃，试验验证S1的值约为5.5g（3.2g/L）。

图3阀值S1设定与验证

3.2碳载量阀值S2设定与验证

S2的设定主要考虑GPF压降对发动机的性能影响。在这里提供两种确定S2的方法，其一是通过快速累碳的方法，将GPF进行不同的累碳量并验证不同的累碳条件下GPF的压降、排气系统的背压、发动机的燃烧情况以及发动机功率扭矩的下降情况，以选择合理的S2值。其二是针对已进行过GPF压差模型的标定的情况，先根据压差模型确定不同碳载量对应的GPF压降和发动机整个排气系统的压降，建立一个带有可调节背压阀的台架系统，通过调节背压阀模拟不同碳载量情况下的背压，同时强制将GPF两端的压差传感器反馈信号P调整为通过模型确定的相应碳载量情况下GPF两端的压降，进行发动机性能的测试。值得注意的是：采用上述两种方案确定S2的时候均应该考虑车辆20万公里耐久后GPF内部灰分对压降的影响，并给予修正。

图4 台架测试发动机性能

对3.1中的发动机进行实验分析，GPF经过20万公里后累灰量约15g，经过对背压的修正，采用上述第二种方法测量发动机功率扭矩如下，碳载量为19g时，额定功率下降约7.8%，扭矩几乎不变，发动机无异常燃烧的情况。一般允许功率下降值在5%范围内，故设定S2的值约15g，此时GPF最大压降为54kPa，小于其位移背压。

表2 阀值S2的设定与验证

3结论

本文提供了一种GPF主动再生控制和亮灯及文字提示的方案，详细描述了方案中所述的黄色提示灯和红色提示灯对应的两个GPF碳载量阀值的设定方法，并通过实验验证了方案的可行性：本方案中设定亮黄色提示灯的碳载量阀值S1为5.5g，红色提示灯的碳载量阀值S2为15g。为相关设计人员提供一种设计的思路。

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