國六排放法規對汽油車顆粒物排放提出了更嚴格的要求,相比于國五法規,顆粒物質量(PM)限值下降了33%,且新增對顆粒物數量(PN)的限值要求。如何降低汽油機的顆粒排放質量和數量成為整車廠開發滿足國六標準車輛面臨的新問題。針對這個問題,基于霧霾天人們戶外出行,不少人出門帶上口罩獲得的靈感,汽車工程師們也準備在汽車排氣管上帶上一個“口罩”,以減少其逸散到大氣中的顆粒物排放。這個“口罩”,行業內稱之為汽油車顆粒捕集器(GPF)。
何為GPF?
對于這個新東東,大家一定很好奇,莫急,且聽國六哥慢慢道來。
GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置,如圖1所示,過濾體內有很多平行孔道,相鄰的兩個孔道內一個只有進口開放,另一個只有出口開放。排氣從開放的進口孔道流入,通過GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出,而顆粒物被滯留在孔道內,從而實現捕集作用。
圖1 GPF結構示意
GPF雖然可以有效的捕集排氣中的顆粒物,但隨著捕集顆粒的增多,排氣背壓也會升高,影響汽車的動力性和經濟性。因此,當GPF中的顆粒累積到一定程度時,通過調節發動機運行工況(例如斷油、推遲點火角等),使GPF中的顆粒氧化燃燒,即GPF的再生,去除GPF中的顆粒物。最終實現“捕集-再生-捕集”的良性循環。
對于GPF在整車上的布置安裝方式,目前有FWC(Four-Way Catalyst)、CC(Close-Coupled)和UB(Under-body)三種形式,三種布置形式的特點及優缺點如表1所示。
表1 GPF布置形式及優缺點
國六法規對GPF的監測要求
國六哥在上面提到了,GPF主要通過其結構特點對排氣中的顆粒物進行捕集過濾,從而達到降低汽油機顆粒數量和質量排放的目的。那么可想而知,如果GPF捕集器破損甚至移除,捕集性能下降,必然會導致逸散到大氣中顆粒物增加,排放性能惡化,故國六排放法規中新增了對GPF的監測要求如下:
OBD系統應對車輛上安裝的顆粒捕集器的正常工作進行監測,
在捕集器性能下降并導致顆粒排放超過OBD閾值之前,OBD系統應檢測出故障;
如果顆粒捕集器性能惡化或者失效,不會使車輛的顆粒排放超過OBD閾值,OBD系統也應在顆粒捕集器載體完全損壞、移除、丟失時檢測出故障;
對單獨的電子部件(如:監測用壓力傳感器)應按照J.4.14綜合部件監測的要求進行監測。
滿足國六GPF監測診斷要求解決方案
對GPF捕集性能的診斷要求,聯合電子針對不同的布置方式主要考慮以下三種監測方案:壓差法、OSC法、溫度法。
方案一:壓差法
研究表明,GPF會對通過的排氣產生“阻礙”作用,其阻礙作用主要包括:過濾體壁面和覆蓋其上的顆粒的流動阻力(ΔPwall),進出口通道的沿程阻力(ΔPin&out)以及排氣流入流出時由于截面變化引起的壓縮/膨脹阻力(ΔPcont+ΔPexp),這種“阻礙”作用的宏觀表現就是壓降,即P1和P2會有一定的壓力差值,如圖2所示。不同狀態下的GPF,其壓降表現也不同,當GPF載體發生性能下降,甚至損壞、移除失時,排氣流經GPF時的壓降就會發生相應變化。
圖2 GPF壓差傳感器布置
針對國六法規對GPF監測要求,聯合電子推薦GPF上安裝壓差傳感器來滿足法規。壓差傳感器可以對排氣流經GPF時所產生的壓力降進行實時監測。如圖3所示,若GPF上游和下游的壓差維持在較低水平,則可以判定為GPF移除或丟失;同時壓差表現也可以作為GPF性能下降程度的一種表征。
圖3 GPF壓降特性示意圖
方案二:OSC法
由于FWC是一種帶有涂層的GPF,類似于催化器,因此FWC具有一定的儲氧能力。當對FWC進行“加濃減稀”時,前后氧傳感器的電壓信號會產生一定的“延遲”效應。在FWC上下游安裝氧傳感器,根據前后氧傳感器電壓信號“延遲”程度的不同,可以對載體完全損壞、移除甚至丟失進行診斷,其原理等同于臨界催化轉化器診斷。
方案三:溫度法
由于GPF一般是由陶瓷載體(如董青石)制備而成,基于該載體材料熱容的存在,在發動機瞬態工況點,變化的排氣氣流溫度流經GPF時,在GPF下游溫度相對上游溫度會產生一定的“延遲”效應。因此,診斷從物理原理上說,可通過GPF上下游的溫度傳感器,根據溫度變化“延遲”程度的不同,對GPF移除或丟失進行診斷,如圖4所示。
圖4 GPF溫度特性
綜上所述,針對不同GPF布置方案及不同的客戶需求,可以選擇相對應的診斷方案來滿足法規及客戶的需求。不同的診斷方案監測能力對比可見表2所示。
表2 GPF診斷方案比較
壓差法 | 溫度法 | OSC法 | |
GPF載體移除 | √ | √ | √ |
GPF性能下降 | √ | × | × |
*注:√能夠滿足,×不能滿足
從表2可以看出,壓差傳感器的監測能力比其他兩種方案要高,而且如采用壓差傳感器,不但可以為GPF的顆粒再生控制提供如再生需求等信號支撐,而且為實現GPF堵塞等客戶化診斷需求提供了可能,故目前主流方案是采用壓差傳感器以滿足法規和客戶化需求。
汽油車顆粒捕集器(GPF)是滿足嚴苛排放標準的新增且關鍵后處理部件,在國六法規的OBD部分中對顆粒捕集器的監測要求,核心思想就是要及時有效地檢測出顆粒捕集器的性能下降故障,避免故障帶來的惡劣的環境影響,降低在用車整體的排放水平。
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