国六关于颗粒捕集器OBD监测解决方案

国六排放法规对汽油车颗粒物排放提出了更严格的要求，相比于国五法规，颗粒物质量（PM）限值下降了33％，且新增对颗粒物数量（PN）的限值要求。如何降低汽油机的颗粒排放质量和数量成为整车厂开发满足国六标准车辆面临的新问题。针对这个问题，基于雾霾天人们户外出行，不少人出门带上口罩获得的灵感，汽车工程师们也准备在汽车排气管上带上一个“口罩”，以减少其逸散到大气中的颗粒物排放。这个“口罩”，行业内称之为汽油车颗粒捕集器（GPF）。

何为GPF？

对于这个新东东，大家一定很好奇，莫急，且听国六哥慢慢道来。

GPF是一种壁流式的颗粒捕集装置，如图1所示，过滤体内有很多平行孔道，相邻的两个孔道内一个只有进口开放，另一个只有出口开放。排气从开放的进口孔道流入，通过GPF载体多孔壁面至相邻孔道排出，而颗粒物被滞留在孔道内，从而实现捕集作用。

图1 GPF结构示意

GPF虽然可以有效的捕集排气中的颗粒物，但随着捕集颗粒的增多，排气背压也会升高，影响汽车的动力性和经济性。因此，当GPF中的颗粒累积到一定程度时，通过调节发动机运行工况（例如断油、推迟点火角等），使GPF中的颗粒氧化燃烧，即GPF的再生，去除GPF中的颗粒物。最终实现“捕集－再生－捕集”的良性循环。

对于GPF在整车上的布置安装方式，目前有FWC（Four-Way Catalyst）、CC（Close-Coupled）和UB（Under-body）三种形式，三种布置形式的特点及优缺点如表1所示。

表1 GPF布置形式及优缺点

国六法规对GPF的监测要求

国六哥在上面提到了，GPF主要通过其结构特点对排气中的颗粒物进行捕集过滤，从而达到降低汽油机颗粒数量和质量排放的目的。那么可想而知，如果GPF捕集器破损甚至移除，捕集性能下降，必然会导致逸散到大气中颗粒物增加，排放性能恶化，故国六排放法规中新增了对GPF的监测要求如下：

OBD系统应对车辆上安装的颗粒捕集器的正常工作进行监测，

在捕集器性能下降并导致颗粒排放超过OBD阈值之前，OBD系统应检测出故障；

如果颗粒捕集器性能恶化或者失效，不会使车辆的颗粒排放超过OBD阈值，OBD系统也应在颗粒捕集器载体完全损坏、移除、丢失时检测出故障；

对单独的电子部件（如：监测用压力传感器）应按照J.4.14综合部件监测的要求进行监测。

满足国六GPF监测诊断要求解决方案

对GPF捕集性能的诊断要求，联合电子针对不同的布置方式主要考虑以下三种监测方案：压差法、OSC法、温度法。

方案一：压差法

研究表明，GPF会对通过的排气产生“阻碍”作用，其阻碍作用主要包括：过滤体壁面和覆盖其上的颗粒的流动阻力（ΔPwall），进出口通道的沿程阻力（ΔPin&out）以及排气流入流出时由于截面变化引起的压缩/膨胀阻力（ΔPcont+ΔPexp），这种“阻碍”作用的宏观表现就是压降，即P1和P2会有一定的压力差值，如图2所示。不同状态下的GPF，其压降表现也不同，当GPF载体发生性能下降，甚至损坏、移除失时，排气流经GPF时的压降就会发生相应变化。

图2 GPF压差传感器布置

针对国六法规对GPF监测要求，联合电子推荐GPF上安装压差传感器来满足法规。压差传感器可以对排气流经GPF时所产生的压力降进行实时监测。如图3所示，若GPF上游和下游的压差维持在较低水平，则可以判定为GPF移除或丢失；同时压差表现也可以作为GPF性能下降程度的一种表征。

图3 GPF压降特性示意图

方案二：OSC法

由于FWC是一种带有涂层的GPF，类似于催化器，因此FWC具有一定的储氧能力。当对FWC进行“加浓减稀”时，前后氧传感器的电压信号会产生一定的“延迟”效应。在FWC上下游安装氧传感器，根据前后氧传感器电压信号“延迟”程度的不同，可以对载体完全损坏、移除甚至丢失进行诊断，其原理等同于临界催化转化器诊断。

方案三：温度法

由于GPF一般是由陶瓷载体（如董青石）制备而成，基于该载体材料热容的存在，在发动机瞬态工况点，变化的排气气流温度流经GPF时，在GPF下游温度相对上游温度会产生一定的“延迟”效应。因此，诊断从物理原理上说，可通过GPF上下游的温度传感器，根据温度变化“延迟”程度的不同，对GPF移除或丢失进行诊断，如图4所示。

图4 GPF温度特性

综上所述，针对不同GPF布置方案及不同的客户需求，可以选择相对应的诊断方案来满足法规及客户的需求。不同的诊断方案监测能力对比可见表2所示。

表2 GPF诊断方案比较

	压差法	温度法	OSC法
GPF载体移除	√	√	√
GPF性能下降	√	×	×

*注：√能够满足,×不能满足

从表2可以看出，压差传感器的监测能力比其他两种方案要高，而且如采用压差传感器，不但可以为GPF的颗粒再生控制提供如再生需求等信号支撑，而且为实现GPF堵塞等客户化诊断需求提供了可能，故目前主流方案是采用压差传感器以满足法规和客户化需求。

汽油车颗粒捕集器（GPF）是满足严苛排放标准的新增且关键后处理部件，在国六法规的OBD部分中对颗粒捕集器的监测要求，核心思想就是要及时有效地检测出颗粒捕集器的性能下降故障，避免故障带来的恶劣的环境影响，降低在用车整体的排放水平。