付雨民，錢立運(yùn)，王宏麗，趙海光，韋崇明

（1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.標(biāo)志雪鐵龍（中國）汽車貿(mào)易有限公司 上海分公司，上海 200233）

0 概述

顆粒物（particle matter，PM）是影響大氣環(huán)境質(zhì)量的重要污染物，機(jī)動車排放的顆粒物是大氣PM2.5污染的重要來源［1］。降低機(jī)動車排放是汽車保有量持續(xù)上升背景下［2］控制PM 排放總量的重要措施。研究表明汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF）是保障車輛顆粒物數(shù)量排放滿足限值要求的重要技術(shù)手段［3-4］，據(jù)中國機(jī)動車環(huán)保信息公開平臺統(tǒng)計，截至2021年1月顆粒數(shù)量（particle number，PN）排放聲明值不超過6×1011個/km 的新生產(chǎn)輕型汽油車中，采用GPF 的占47.5%，且該占比逐年提高。

安裝GPF 的汽油機(jī)燃燒產(chǎn)生的顆粒物90% 以上會被GPF 捕集，可大幅減少最終排氣對環(huán)境的影響；但顆粒物在GPF 內(nèi)不斷累積會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣背壓增加進(jìn)而影響車輛動力性和油耗。通常利用在線診斷（on-board diagnosis，OBD）系統(tǒng)持續(xù)對GPF的炭載量和工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)炭載量達(dá)到閾值時通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況和空燃比、點(diǎn)火提前角等控制參數(shù)來實現(xiàn)PM 再生，確保GPF 持續(xù)有效工作。此外OBD 系統(tǒng)還能在GPF 載體被破壞或移除時發(fā)出報警，以便及時更換或重新安裝GPF，保證顆粒物排放始終滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

OBD 系統(tǒng)通常利用GPF 兩端壓差信號進(jìn)行載體破壞或移除診斷，這種方法在低溫環(huán)境下易受車輛排氣管路結(jié)冰等外部條件干擾，導(dǎo)致診斷結(jié)果不可靠，因此國六標(biāo)準(zhǔn)允許OBD 系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于-7 ℃時中斷監(jiān)測［5］。實際使用過程中車輛往往會在低于-7 ℃的環(huán)境下運(yùn)行，汽油機(jī)燃燒特性會使低溫環(huán)境下的顆粒物排放量急劇增加［6-7］，此時GPF 內(nèi)炭粒累積速度也會明顯加快。低溫環(huán)境下允許中斷監(jiān)測會導(dǎo)致GPF 出現(xiàn)堵塞或損壞故障時無法及時通過OBD 系統(tǒng)報警，造成車輛性能下降和顆粒物排放超標(biāo)。中國東北、西北大部地區(qū)和華北部分地區(qū)的冬季平均氣溫在-10 ℃以下［8］，拓展GPF 診斷最低溫度條件的可行性研究對增強(qiáng)OBD系統(tǒng)診斷的有效性和及時性以保障GPF 在低溫環(huán)境下正常使用和遏制惡意拆除行為有重要意義。

OBD 系統(tǒng)的GPF 失效診斷主要通過溫度傳感器和壓差傳感器實現(xiàn)。為研究在更低溫度環(huán)境下進(jìn)行GPF 監(jiān)測的可行性，對這兩種診斷方法在-30 ℃～-10 ℃環(huán)境下的工作能力進(jìn)行了驗證，試驗結(jié)果為生態(tài)環(huán)境主管部門修訂GPF 監(jiān)測功能的適用條件提供了參考。

1 GPF 失效診斷方法

如果GPF 載體移除后車輛PM 排放不超過OBD 閾值，國六標(biāo)準(zhǔn)允許OBD 系統(tǒng)僅監(jiān)測GPF 載體移除故障，不需要監(jiān)測其性能下降。OBD 系統(tǒng)一般通過GPF 進(jìn)出口溫度或壓力差進(jìn)行載體移除診斷。

1.1 基于GPF 進(jìn)出口溫度的診斷方法

GPF 典型布置如圖1 所示。圖2 為GPF 正常狀態(tài)下冷起動后GPF 進(jìn)出口溫度變化。車輛冷起動后的暖機(jī)過程中GPF 入口溫度受排氣影響會快速上升，GPF 陶瓷載體材料的熱容作用則會使出口溫度上升延遲，因此在起動后的一段時間內(nèi)GPF 進(jìn)出口溫度上升曲線差異顯著。圖3 為GPF 移除狀態(tài)下冷起動后GPF 進(jìn)出口溫度變化。當(dāng)GPF 載體被移除或出現(xiàn)破損時，由于載體材料熱容消失或減小，GPF 進(jìn)出口溫度會在起動后很短時間內(nèi)趨于一致。利用模型計算冷起動后GPF 出口溫升的難易程度并合理設(shè)置閾值，即可判斷GPF 載體是否存在破損或移除故障［9］。但基于GPF 進(jìn)出口溫度的診斷方法僅能診斷載體破損或移除故障，難以對堵塞故障進(jìn)行判斷，應(yīng)用范圍較窄，輕型汽車GPF 監(jiān)測主要使用壓差法進(jìn)行。

圖1 輕型汽車的GPF 典型布置方式（地板式）

圖2 GPF 正常狀態(tài)下冷起動后GPF 進(jìn)出口溫度變化

圖3 GPF 移除狀態(tài)下冷起動后GPF 進(jìn)出口溫度變化

1.2 基于GPF 壓差的診斷方法

GPF 通過多孔陶瓷材料捕集排氣中的PM，排氣從GPF 中流出，PM 沉積在孔道內(nèi)，GPF 載體本身和捕集的PM 都會使排氣背壓升高。使用壓差傳感器對GPF 進(jìn)出口的排氣壓力差進(jìn)行監(jiān)測，GPF正常工作時，壓力差會隨著炭載量或發(fā)動機(jī)排氣流量的增加而增大。

為了正確利用壓差進(jìn)行GPF 監(jiān)測，通常需要根據(jù)GFP 載體尺寸、孔密度、孔隙率和平均孔徑并結(jié)合PM沉積狀況、排氣流量和溫度進(jìn)行故障判定閾值設(shè)定，式（1）為典型的GPF 壓力監(jiān)測閾值設(shè)定公式［10-13］。

式中，Δp為GPF 兩端壓差；Aclean和B為僅與GPF的幾何尺寸和材料性能相關(guān)的參數(shù)，驗證試驗中可視為常數(shù)；Asoot為來自沉積PM 影響的參數(shù)；Q、μ和ρ分別為排氣體積流量、黏度系數(shù)和密度，由車輛運(yùn)行工況和環(huán)境溫度決定。

不同狀態(tài)的GPF 背壓對比如圖4 所示。本文中歸一化排氣流量為排氣流量與全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WHTC）中最大排氣流量的比值。載體移除后僅排氣流過GPF 封裝外殼時的膨脹和壓縮損失會造成一定壓力損失，即式（1）中ρQ2·B的一部分，但由此造成的背壓明顯小于相同工況下正常GPF兩端壓差，因此若GPF 載體前后壓差測量結(jié)果小于正常值或出現(xiàn)趨零的情況，則可以判斷GPF 出現(xiàn)載體破損或移除的故障。

圖4 不同狀態(tài)GPF 壓差對比

1.3 試驗方案設(shè)計

選取不同車輛型式的多輛試驗樣車，在最低-30 ℃的環(huán)境下對基于溫度和基于壓差的GPF監(jiān)測方法進(jìn)行驗證，按GPF 正常和載體移除兩種狀態(tài)進(jìn)行實際道路行駛條件下的試驗。

1.3.1 試驗車選擇

為確保試驗樣車具備代表性和多樣性，對2018-2020年間新生產(chǎn)輕型車的GPF 應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)研，統(tǒng)計了GPF 到發(fā)動機(jī)排氣端口距離等數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上選取了6 臺樣車進(jìn)行試驗，車型覆蓋多用途汽車（MPV）、運(yùn)動型多用途汽車（SUV）、載客汽車和輕型貨車。試驗樣車均符合國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且裝載GPF 后處理裝置。GPF 距發(fā)動機(jī)排氣歧管距離見表1，最短為760 mm，最長為2 350 mm，每臺樣車均同時裝有GPF 前后溫度測量熱電偶和壓差傳感器。

表1 試驗樣車GPF 距離排氣歧管端口距離

1.3.2 基于溫度的GPF 載體移除診斷方法驗證

冷機(jī)起動后GPF 載體受發(fā)動機(jī)高溫排氣影響逐漸被加熱，直到與排氣達(dá)到熱平衡。熱平衡之前GPF 兩端升溫的難易程度可作為GPF 完整性監(jiān)測的依據(jù)。

輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中OBD 功能驗證的駕駛循環(huán)為WLTC，首先對試驗樣車運(yùn)行WLTC 下GPF 兩端的溫度進(jìn)行測量。試驗車型在WLTC 下GPF 兩端達(dá)到平衡時的溫度和所需時間見表2。車輛GPF安裝位置不同會導(dǎo)致GPF 兩端溫度達(dá)到平衡點(diǎn)的時間存在差異，但結(jié)果顯示所有樣車均能在循環(huán)的前589 s 即WLTC 低速階段結(jié)束前實現(xiàn)GPF 兩端溫度平衡。6 輛樣車達(dá)到平衡所需平均時間為347 s，平均溫度為484 ℃，因此將冷起動后350 s 的暖機(jī)過程定為驗證窗口。

表2 WLTC 下GPF 兩端達(dá)到平衡時的溫度和所需時間

由于車輛冷起動后的行駛工況也會影響GPF進(jìn)出口溫度達(dá)到一致所需的時間，研究中采用實際道路行駛的方式進(jìn)行試驗以保證試驗結(jié)果的普適性。為補(bǔ)償不同行駛工況對診斷結(jié)果的影響，利用零維GPF 溫度模型計算了載體移除故障的診斷指標(biāo)，過程如下。

將GPF 視作內(nèi)部溫度均勻的質(zhì)點(diǎn)，診斷開始和結(jié)束時GPF 出口溫度分別為T0、T350，可得［14］：

式中，cp_GPF為GPF 的比定壓熱容；qin為單位質(zhì)量排氣向GPF 傳遞的熱量；mexh為流過GPF 的排氣質(zhì)量流量；mGPF為GPF 載體質(zhì)量；ΔHR為GPF 中炭粒的氧化反應(yīng)焓；R為PM 的氧化反應(yīng)速率。暖機(jī)過程中GPF 內(nèi)溫度和排氣中氧含量都較低，PM 的氧化反應(yīng)速率R極低［15］，下面的討論中忽略PM 氧化反應(yīng)放熱的影響。

忽略排氣流經(jīng)GPF 的機(jī)械能損失，qin可由GPF 進(jìn)出口溫度T1、T2計算得到。

式中，cp_exh為排氣的比定壓熱容。由式（2）和式（3）可得暖機(jī)過程中GPF 的平均熱容cindex，如式（4）所示。

cindex表示了GPF 升溫的難易程度，cindex小于設(shè)定限值可判定載體移除故障發(fā)生。

用求和代替式（4）中積分得到式（5），用于處理試驗中得到的數(shù)據(jù)。

式中，Δt為數(shù)據(jù)的采樣時間間隔；i表示以時間為順序的熱電偶溫度采樣點(diǎn)。排氣流量mexh由發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)（engine management system，EMS）提供。cindex的計算流程如圖5 所示。

圖5 cindex計算流程

1.3.3 基于壓差的GPF 載體移除診斷方法驗證

通過檢查發(fā)動機(jī)排氣流量和GPF 兩端壓差之間的關(guān)系也可以診斷載體移除故障。

車輛在低溫環(huán)境運(yùn)行時壓差傳感器取氣管路中滯留的積水容易結(jié)冰，樣車大都使管路進(jìn)口端高于出口且與水平面夾角大于15°，并采取適當(dāng)增加管路直徑等措施避免積冰。

驗證試驗分兩部分，首先評估低溫環(huán)境下壓差傳感器的性能，確認(rèn)傳感器不會出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)漂移和低溫故障；然后在不同環(huán)境溫度下冷起動試驗車并在實際道路上正常行駛，記錄排氣流量和壓差傳感器數(shù)據(jù)，并與常溫環(huán)境下的測試結(jié)果進(jìn)行比較，評估基于壓差的診斷方法在低溫環(huán)境下的工作能力。

2 低溫環(huán)境下GPF 診斷能力驗證結(jié)果分析

低溫環(huán)境試驗在寒區(qū)-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行，試驗車在實際道路條件下運(yùn)行；常溫環(huán)境試驗在轉(zhuǎn)鼓上按WLTC 運(yùn)行。

2.1 基于GPF 進(jìn)出口溫度的診斷方法驗證結(jié)果

在各溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗并計算cindex值如表3 所示。低溫下GPF 向環(huán)境的熱傳導(dǎo)更強(qiáng)，cindex值會隨環(huán)境溫度降低而升高。GPF 正常時各溫度點(diǎn)的cindex值與載體移除后相比均有顯著差異，因此可以確認(rèn)在-30 ℃～-10 ℃環(huán)境下基于GPF 進(jìn)出口溫度的診斷方法能可靠地判斷是否存在載體移除故障。

表3 不同溫度條件下GPF 升溫難易程度

以常溫狀態(tài)下的cindex為基準(zhǔn)，其低溫下的上升幅度顯示了車輛冷起動后GPF 升溫過程受環(huán)境溫度的影響程度。環(huán)境溫度對cindex的影響如圖6 所示，其中4 號和6 號樣車受影響程度顯著高于其他試驗車輛。由于正常GPF 的cindex與載體移除后的cindex相比差異顯著，因此環(huán)境溫度對cindex的影響不會改變診斷結(jié)果。

圖6 環(huán)境溫度對cindex的影響

2.2 基于GPF 壓差診斷方法的驗證結(jié)果

試驗中先測量壓差傳感器的零點(diǎn)漂移情況，如表4 所示。由表4 可知，漂移絕對值在各溫度點(diǎn)均低于0.1 kPa，未發(fā)現(xiàn)傳感器零點(diǎn)異常。由于樣車的壓差傳感器布置均采用了預(yù)防排氣冷凝水結(jié)冰的設(shè)計，在-30 ℃～-10 ℃環(huán)境下未出現(xiàn)結(jié)冰導(dǎo)致的傳感器故障。

表4 GPF 壓差傳感器零點(diǎn)漂移情況

確認(rèn)傳感器在低溫下不存在零點(diǎn)漂移和結(jié)冰導(dǎo)致的故障后，按GPF 正常和載體移除兩種狀態(tài)進(jìn)行冷起動和實際道路行駛試驗，并將GPF 兩端壓差信號與OBD 系統(tǒng)讀取的發(fā)動機(jī)排氣流量進(jìn)行比較，如圖7～圖12 所示。由圖可見，除4 號試驗車（圖10）的GPF 壓差信號在兩種狀態(tài)下區(qū)別不夠明顯外，其余樣車的壓差傳感器信號在載體移除時有明顯變化。

圖7 1 號試驗車GPF 壓差信號

圖8 2 號試驗車GPF 壓差信號

圖9 3 號試驗車GPF 壓差信號

圖10 4 號試驗車GPF 壓差信號

圖11 5 號試驗車GPF 壓差信號

圖12 6 號試驗車GPF 壓差信號

GPF 載體移除后，1、2、3、5 和6 號樣車的進(jìn)出口壓差均在2 kPa 以內(nèi)，且在排氣流量較小時即與GPF 正常狀態(tài)的壓差有明顯區(qū)分。其中1、2、3 和5號樣車在低溫環(huán)境下的壓差-流量關(guān)系與常溫試驗結(jié)果基本一致，相同排氣流量下6 號樣車在-20 ℃的壓差小于常溫試驗，但這種差異遠(yuǎn)小于載體移除帶來的壓差變化，因此基于壓差信號的診斷方法基本可以滿足低溫環(huán)境下GPF 的監(jiān)測要求。

4 號試驗車載體移除后GPF 兩端仍有較大壓差，排氣流量較低時與GPF 正常情況較難區(qū)分。壓差傳感器的采樣管路布置不合理、模擬故障時替代GPF 總成的直管與原排氣系統(tǒng)匹配不佳是造成該問題的可能原因，需要檢查調(diào)整后加以驗證。

4 號試驗車在-20 ℃的GPF 壓差-流量規(guī)律不穩(wěn)定，-20 ℃時GPF 正常狀態(tài)下測試2 的壓差曲線與常溫結(jié)果基本一致，測試1 中的壓差則較常溫結(jié)果明顯偏低，在排氣流量小于0.4 的區(qū)域無法與載體移除狀態(tài)相區(qū)分?？赡艿脑蚴莻鞲衅鲀?nèi)存在少量積冰，在冷起動時影響壓差測量，而車輛高速行駛時排氣流量較大，暖機(jī)過程中積冰逐漸融化排出，壓差測量結(jié)果恢復(fù)正常。后續(xù)試驗中需要對其采樣管路是否存在積冰風(fēng)險進(jìn)行進(jìn)一步驗證。

由于4 號和6 號試驗車上均出現(xiàn)了-20 ℃時GPF 壓差較常溫時偏低的情況，除傳感器測量問題外，GPF 溫度模型誤差也可能導(dǎo)致壓差-流量對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)偏移。式（1）顯示壓差與流經(jīng)GPF 的排氣體積流量Q正相關(guān)，EMS 一般利用GPF 入口處的排溫和壓力數(shù)據(jù)將排氣質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為體積流量，由理想氣體方程可知如果高估排氣溫度則會高估體積流量，對應(yīng)的壓差實測值就會偏低。由于所有試驗樣車都只將GPF 入口溫度信號接入EMS，缺乏出口溫度信號會導(dǎo)致EMS 估算排氣流經(jīng)GPF 的溫度時會因環(huán)境溫度的影響產(chǎn)生誤差。

圖6 中4 號和6 號試驗車的cindex受低溫環(huán)境的影響程度高于其他車輛，如果EMS 內(nèi)的溫度模型沒有對此進(jìn)行合理補(bǔ)償就會引起壓差-流量對應(yīng)關(guān)系的偏差，進(jìn)而影響診斷結(jié)果。為確認(rèn)排氣體積流量估算誤差對診斷結(jié)果的影響，需要在后續(xù)試驗中使用熱偶測量GPF 出入口和內(nèi)部溫度，校驗GPF 溫度模型，提高基于壓差的診斷方法在低溫環(huán)境下的工作能力。

根據(jù)對機(jī)動車環(huán)保信息公開數(shù)據(jù)的調(diào)研，目前絕大多數(shù)安裝GPF 的車輛都采用基于壓差的診斷方法，僅有極少數(shù)高端車型利用進(jìn)出口溫度進(jìn)行診斷。基于溫度的診斷方法需要額外在GPF 出口安裝溫度傳感器，在輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)對低于-7 ℃環(huán)境的GPF 診斷未做強(qiáng)制規(guī)定，壓差法基本滿足要求的情況下，成本較高是限制基于溫度的診斷方法應(yīng)用的主要原因。未來相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中將擴(kuò)展GPF 診斷的溫度范圍，基于溫度的診斷方法在低溫環(huán)境下更為可靠，可以作為壓差法的補(bǔ)充，屆時會有更為廣泛的應(yīng)用。

美國環(huán)保署（EPA）TIER 3 和美國加州空氣管理署（CARB）LEV Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)建議維持當(dāng)前PM 排放的OBD 閾值（12 mg/km）至2028年，目前使用的GPF 載體移除診斷仍可滿足其監(jiān)測要求；但歐洲超低排放汽車聯(lián)盟（CLOVE）提出的歐Ⅶ標(biāo)準(zhǔn)草案建議大幅加嚴(yán)PM、PN 排放標(biāo)準(zhǔn)，如果OBD 閾值也相應(yīng)減小，就需要研究新的GPF 性能診斷方法。使用PM 傳感器［16-17］或改進(jìn)的壓差診斷法［18］都有監(jiān)測GPF 性能下降的潛力，后續(xù)也需要關(guān)注它們在低溫環(huán)境下的診斷能力。

3 結(jié)論

（1）基于6 臺樣車的測試結(jié)果表明基于GPF進(jìn)出口溫度的診斷方法在低溫環(huán)境下能可靠診斷出載體移除故障。基于GPF 壓差的診斷方法在低溫環(huán)境下也可以診斷出載體移除故障，但在4 號樣車上僅能在排氣流量很高時診斷出載體移除故障，需要繼續(xù)分析傳感器采樣管路布置、GPF 溫度模型精度等因素對診斷結(jié)果的影響。

（2）低溫環(huán)境下GPF 兩端壓差測量會受到測量管路結(jié)冰的影響，需要進(jìn)一步校驗GPF 溫度模型，提高基于壓差的診斷方法在低溫環(huán)境下的工作能力。在極端低溫環(huán)境下基于溫度的方法可以作為壓差法的補(bǔ)充。