汽油机颗粒捕集器低温环境失效诊断研究

2022-07-06付雨民钱立运王宏丽赵海光韦崇明

内燃机工程 2022年3期

付雨民，钱立运，王宏丽，赵海光，韦崇明

（1.中国环境科学研究院，北京 100012；2.标志雪铁龙（中国）汽车贸易有限公司上海分公司，上海 200233）

0 概述

颗粒物（particle matter，PM）是影响大气环境质量的重要污染物，机动车排放的颗粒物是大气PM2.5污染的重要来源［1］。降低机动车排放是汽车保有量持续上升背景下［2］控制PM 排放总量的重要措施。研究表明汽油机颗粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF）是保障车辆颗粒物数量排放满足限值要求的重要技术手段［3-4］，据中国机动车环保信息公开平台统计，截至2021年1月颗粒数量（particle number，PN）排放声明值不超过6×1011个/km 的新生产轻型汽油车中，采用GPF 的占47.5%，且该占比逐年提高。

安装GPF 的汽油机燃烧产生的颗粒物90% 以上会被GPF 捕集，可大幅减少最终排气对环境的影响；但颗粒物在GPF 内不断累积会导致发动机排气背压增加进而影响车辆动力性和油耗。通常利用在线诊断（on-board diagnosis，OBD）系统持续对GPF的炭载量和工作状态进行监测，当炭载量达到阈值时通过调节发动机运行工况和空燃比、点火提前角等控制参数来实现PM 再生，确保GPF 持续有效工作。此外OBD 系统还能在GPF 载体被破坏或移除时发出报警，以便及时更换或重新安装GPF，保证颗粒物排放始终满足标准要求。

OBD 系统通常利用GPF 两端压差信号进行载体破坏或移除诊断，这种方法在低温环境下易受车辆排气管路结冰等外部条件干扰，导致诊断结果不可靠，因此国六标准允许OBD 系统在环境温度低于-7 ℃时中断监测［5］。实际使用过程中车辆往往会在低于-7 ℃的环境下运行，汽油机燃烧特性会使低温环境下的颗粒物排放量急剧增加［6-7］，此时GPF 内炭粒累积速度也会明显加快。低温环境下允许中断监测会导致GPF 出现堵塞或损坏故障时无法及时通过OBD 系统报警，造成车辆性能下降和颗粒物排放超标。中国东北、西北大部地区和华北部分地区的冬季平均气温在-10 ℃以下［8］，拓展GPF 诊断最低温度条件的可行性研究对增强OBD系统诊断的有效性和及时性以保障GPF 在低温环境下正常使用和遏制恶意拆除行为有重要意义。

OBD 系统的GPF 失效诊断主要通过温度传感器和压差传感器实现。为研究在更低温度环境下进行GPF 监测的可行性，对这两种诊断方法在-30 ℃～-10 ℃环境下的工作能力进行了验证，试验结果为生态环境主管部门修订GPF 监测功能的适用条件提供了参考。

1 GPF 失效诊断方法

如果GPF 载体移除后车辆PM 排放不超过OBD 阈值，国六标准允许OBD 系统仅监测GPF 载体移除故障，不需要监测其性能下降。OBD 系统一般通过GPF 进出口温度或压力差进行载体移除诊断。

1.1 基于GPF 进出口温度的诊断方法

GPF 典型布置如图1 所示。图2 为GPF 正常状态下冷起动后GPF 进出口温度变化。车辆冷起动后的暖机过程中GPF 入口温度受排气影响会快速上升，GPF 陶瓷载体材料的热容作用则会使出口温度上升延迟，因此在起动后的一段时间内GPF 进出口温度上升曲线差异显著。图3 为GPF 移除状态下冷起动后GPF 进出口温度变化。当GPF 载体被移除或出现破损时，由于载体材料热容消失或减小，GPF 进出口温度会在起动后很短时间内趋于一致。利用模型计算冷起动后GPF 出口温升的难易程度并合理设置阈值，即可判断GPF 载体是否存在破损或移除故障［9］。但基于GPF 进出口温度的诊断方法仅能诊断载体破损或移除故障，难以对堵塞故障进行判断，应用范围较窄，轻型汽车GPF 监测主要使用压差法进行。

图1 轻型汽车的GPF 典型布置方式（地板式）

图2 GPF 正常状态下冷起动后GPF 进出口温度变化

图3 GPF 移除状态下冷起动后GPF 进出口温度变化

1.2 基于GPF 压差的诊断方法

GPF 通过多孔陶瓷材料捕集排气中的PM，排气从GPF 中流出，PM 沉积在孔道内，GPF 载体本身和捕集的PM 都会使排气背压升高。使用压差传感器对GPF 进出口的排气压力差进行监测，GPF正常工作时，压力差会随着炭载量或发动机排气流量的增加而增大。

为了正确利用压差进行GPF 监测，通常需要根据GFP 载体尺寸、孔密度、孔隙率和平均孔径并结合PM沉积状况、排气流量和温度进行故障判定阈值设定，式（1）为典型的GPF 压力监测阈值设定公式［10-13］。

式中，Δp为GPF 两端压差；Aclean和B为仅与GPF的几何尺寸和材料性能相关的参数，验证试验中可视为常数；Asoot为来自沉积PM 影响的参数；Q、μ和ρ分别为排气体积流量、黏度系数和密度，由车辆运行工况和环境温度决定。

不同状态的GPF 背压对比如图4 所示。本文中归一化排气流量为排气流量与全球统一轻型车测试循环（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WHTC）中最大排气流量的比值。载体移除后仅排气流过GPF 封装外壳时的膨胀和压缩损失会造成一定压力损失，即式（1）中ρQ2·B的一部分，但由此造成的背压明显小于相同工况下正常GPF两端压差，因此若GPF 载体前后压差测量结果小于正常值或出现趋零的情况，则可以判断GPF 出现载体破损或移除的故障。

图4 不同状态GPF 压差对比

1.3 试验方案设计

选取不同车辆型式的多辆试验样车，在最低-30 ℃的环境下对基于温度和基于压差的GPF监测方法进行验证，按GPF 正常和载体移除两种状态进行实际道路行驶条件下的试验。

1.3.1 试验车选择

为确保试验样车具备代表性和多样性，对2018-2020年间新生产轻型车的GPF 应用情况进行了调研，统计了GPF 到发动机排气端口距离等数据。在此基础上选取了6 台样车进行试验，车型覆盖多用途汽车（MPV）、运动型多用途汽车（SUV）、载客汽车和轻型货车。试验样车均符合国六排放标准要求，且装载GPF 后处理装置。GPF 距发动机排气歧管距离见表1，最短为760 mm，最长为2 350 mm，每台样车均同时装有GPF 前后温度测量热电偶和压差传感器。

表1 试验样车GPF 距离排气歧管端口距离

1.3.2 基于温度的GPF 载体移除诊断方法验证

冷机起动后GPF 载体受发动机高温排气影响逐渐被加热，直到与排气达到热平衡。热平衡之前GPF 两端升温的难易程度可作为GPF 完整性监测的依据。

轻型车国六标准中OBD 功能验证的驾驶循环为WLTC，首先对试验样车运行WLTC 下GPF 两端的温度进行测量。试验车型在WLTC 下GPF 两端达到平衡时的温度和所需时间见表2。车辆GPF安装位置不同会导致GPF 两端温度达到平衡点的时间存在差异，但结果显示所有样车均能在循环的前589 s 即WLTC 低速阶段结束前实现GPF 两端温度平衡。6 辆样车达到平衡所需平均时间为347 s，平均温度为484 ℃，因此将冷起动后350 s 的暖机过程定为验证窗口。

表2 WLTC 下GPF 两端达到平衡时的温度和所需时间

由于车辆冷起动后的行驶工况也会影响GPF进出口温度达到一致所需的时间，研究中采用实际道路行驶的方式进行试验以保证试验结果的普适性。为补偿不同行驶工况对诊断结果的影响，利用零维GPF 温度模型计算了载体移除故障的诊断指标，过程如下。

将GPF 视作内部温度均匀的质点，诊断开始和结束时GPF 出口温度分别为T0、T350，可得［14］：

式中，cp_GPF为GPF 的比定压热容；qin为单位质量排气向GPF 传递的热量；mexh为流过GPF 的排气质量流量；mGPF为GPF 载体质量；ΔHR为GPF 中炭粒的氧化反应焓；R为PM 的氧化反应速率。暖机过程中GPF 内温度和排气中氧含量都较低，PM 的氧化反应速率R极低［15］，下面的讨论中忽略PM 氧化反应放热的影响。

忽略排气流经GPF 的机械能损失，qin可由GPF 进出口温度T1、T2计算得到。

式中，cp_exh为排气的比定压热容。由式（2）和式（3）可得暖机过程中GPF 的平均热容cindex，如式（4）所示。

cindex表示了GPF 升温的难易程度，cindex小于设定限值可判定载体移除故障发生。

用求和代替式（4）中积分得到式（5），用于处理试验中得到的数据。

式中，Δt为数据的采样时间间隔；i表示以时间为顺序的热电偶温度采样点。排气流量mexh由发动机管理系统（engine management system，EMS）提供。cindex的计算流程如图5 所示。

图5 cindex计算流程

1.3.3 基于压差的GPF 载体移除诊断方法验证

通过检查发动机排气流量和GPF 两端压差之间的关系也可以诊断载体移除故障。

车辆在低温环境运行时压差传感器取气管路中滞留的积水容易结冰，样车大都使管路进口端高于出口且与水平面夹角大于15°，并采取适当增加管路直径等措施避免积冰。

验证试验分两部分，首先评估低温环境下压差传感器的性能，确认传感器不会出现明显的零点漂移和低温故障；然后在不同环境温度下冷起动试验车并在实际道路上正常行驶，记录排气流量和压差传感器数据，并与常温环境下的测试结果进行比较，评估基于压差的诊断方法在低温环境下的工作能力。

2 低温环境下GPF 诊断能力验证结果分析

低温环境试验在寒区-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃温度点进行，试验车在实际道路条件下运行；常温环境试验在转鼓上按WLTC 运行。

2.1 基于GPF 进出口温度的诊断方法验证结果

在各温度点进行试验并计算cindex值如表3 所示。低温下GPF 向环境的热传导更强，cindex值会随环境温度降低而升高。GPF 正常时各温度点的cindex值与载体移除后相比均有显著差异，因此可以确认在-30 ℃～-10 ℃环境下基于GPF 进出口温度的诊断方法能可靠地判断是否存在载体移除故障。

表3 不同温度条件下GPF 升温难易程度

以常温状态下的cindex为基准，其低温下的上升幅度显示了车辆冷起动后GPF 升温过程受环境温度的影响程度。环境温度对cindex的影响如图6 所示，其中4 号和6 号样车受影响程度显著高于其他试验车辆。由于正常GPF 的cindex与载体移除后的cindex相比差异显著，因此环境温度对cindex的影响不会改变诊断结果。

图6 环境温度对cindex的影响

2.2 基于GPF 压差诊断方法的验证结果

试验中先测量压差传感器的零点漂移情况，如表4 所示。由表4 可知，漂移绝对值在各温度点均低于0.1 kPa，未发现传感器零点异常。由于样车的压差传感器布置均采用了预防排气冷凝水结冰的设计，在-30 ℃～-10 ℃环境下未出现结冰导致的传感器故障。

表4 GPF 压差传感器零点漂移情况

确认传感器在低温下不存在零点漂移和结冰导致的故障后，按GPF 正常和载体移除两种状态进行冷起动和实际道路行驶试验，并将GPF 两端压差信号与OBD 系统读取的发动机排气流量进行比较，如图7～图12 所示。由图可见，除4 号试验车（图10）的GPF 压差信号在两种状态下区别不够明显外，其余样车的压差传感器信号在载体移除时有明显变化。

图7 1 号试验车GPF 压差信号

图8 2 号试验车GPF 压差信号

图9 3 号试验车GPF 压差信号

图10 4 号试验车GPF 压差信号

图11 5 号试验车GPF 压差信号

图12 6 号试验车GPF 压差信号

GPF 载体移除后，1、2、3、5 和6 号样车的进出口压差均在2 kPa 以内，且在排气流量较小时即与GPF 正常状态的压差有明显区分。其中1、2、3 和5号样车在低温环境下的压差-流量关系与常温试验结果基本一致，相同排气流量下6 号样车在-20 ℃的压差小于常温试验，但这种差异远小于载体移除带来的压差变化，因此基于压差信号的诊断方法基本可以满足低温环境下GPF 的监测要求。

4 号试验车载体移除后GPF 两端仍有较大压差，排气流量较低时与GPF 正常情况较难区分。压差传感器的采样管路布置不合理、模拟故障时替代GPF 总成的直管与原排气系统匹配不佳是造成该问题的可能原因，需要检查调整后加以验证。

4 号试验车在-20 ℃的GPF 压差-流量规律不稳定，-20 ℃时GPF 正常状态下测试2 的压差曲线与常温结果基本一致，测试1 中的压差则较常温结果明显偏低，在排气流量小于0.4 的区域无法与载体移除状态相区分。可能的原因是传感器内存在少量积冰，在冷起动时影响压差测量，而车辆高速行驶时排气流量较大，暖机过程中积冰逐渐融化排出，压差测量结果恢复正常。后续试验中需要对其采样管路是否存在积冰风险进行进一步验证。

由于4 号和6 号试验车上均出现了-20 ℃时GPF 压差较常温时偏低的情况，除传感器测量问题外，GPF 温度模型误差也可能导致压差-流量对应关系出现偏移。式（1）显示压差与流经GPF 的排气体积流量Q正相关，EMS 一般利用GPF 入口处的排温和压力数据将排气质量流量转化为体积流量，由理想气体方程可知如果高估排气温度则会高估体积流量，对应的压差实测值就会偏低。由于所有试验样车都只将GPF 入口温度信号接入EMS，缺乏出口温度信号会导致EMS 估算排气流经GPF 的温度时会因环境温度的影响产生误差。

图6 中4 号和6 号试验车的cindex受低温环境的影响程度高于其他车辆，如果EMS 内的温度模型没有对此进行合理补偿就会引起压差-流量对应关系的偏差，进而影响诊断结果。为确认排气体积流量估算误差对诊断结果的影响，需要在后续试验中使用热偶测量GPF 出入口和内部温度，校验GPF 温度模型，提高基于压差的诊断方法在低温环境下的工作能力。

根据对机动车环保信息公开数据的调研，目前绝大多数安装GPF 的车辆都采用基于压差的诊断方法，仅有极少数高端车型利用进出口温度进行诊断。基于温度的诊断方法需要额外在GPF 出口安装温度传感器，在轻型车国六排放标准对低于-7 ℃环境的GPF 诊断未做强制规定，压差法基本满足要求的情况下，成本较高是限制基于温度的诊断方法应用的主要原因。未来相关标准中将扩展GPF 诊断的温度范围，基于温度的诊断方法在低温环境下更为可靠，可以作为压差法的补充，届时会有更为广泛的应用。

美国环保署（EPA）TIER 3 和美国加州空气管理署（CARB）LEV Ⅲ标准建议维持当前PM 排放的OBD 阈值（12 mg/km）至2028年，目前使用的GPF 载体移除诊断仍可满足其监测要求；但欧洲超低排放汽车联盟（CLOVE）提出的欧Ⅶ标准草案建议大幅加严PM、PN 排放标准，如果OBD 阈值也相应减小，就需要研究新的GPF 性能诊断方法。使用PM 传感器［16-17］或改进的压差诊断法［18］都有监测GPF 性能下降的潜力，后续也需要关注它们在低温环境下的诊断能力。