汽車尾氣排放系統中顆粒捕集器用傳感器的應用分析

董天星

摘 ?要：文章分析了輕型汽油機汽車尾氣排氣系統中傳感器應用的原理;為了使尾氣排放達到法規限值的要求，研究了汽油機尾氣相關成分，排氣系統典型結構，流體模型分析，以及尾氣系統各模塊相對位置等，采用了壓差傳感器（DPS）和高溫傳感器（HTS）配合，以達到GPF碳載量檢測和GPF再生策略的制定，最終實現滿足排放法規限值的要求。

關鍵詞：壓差傳感器;高溫傳感器;顆粒捕集器（GPF）;排氣系統

中圖分類號：TK403 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）18-0169-03

Abstract： In this paper， the application principle of sensor in automobile exhaust system of light gas engine is analyzed， and in order to make the exhaust emission meet the requirements of regulations， the related components of exhaust gas of light gas engine， typical structure of exhaust system and fluid model analysis， as well as the relative position of each module of the tail gas system， are studied. The differential pressure sensor （DPS） and the high temperature sensor （HTS） are used to achieve the carbon load detection of GPF and the formulation of GPF regeneration strategy， which finally meet the requirements of emission regulations.

Keywords： differential pressure sensor （DPS）; high temperature sensor; particle catcher （GPF）; exhaust system

1 概述

2016年12月23日，環保部官方網站正式發布了我國輕型汽車第六階段排放標準的發布稿，即《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，也就是國六排放法規的要求。該法規要求所有2020年7月1日之后上市的輕型汽車（最大設計總質量不超過3500kg的M1類、M2類和N1類汽車）必須通過相關污染物排放試驗;顆粒捕集器（GPF）是需要在原系統之上額外增加的部件，能有效降低尾氣排放中顆粒物質量（PM）、顆粒物數量（PN）的最重要技術手段。進而針對GPF的使用，其兩端須配合使用壓差傳感器（DPS）和高溫傳感器（HTS），來檢測GPF的碳載量的飽和程度和涂層的高溫保護。

2 國六法規排氣污染物限值要求分析

根據環保部的最新國六法規要求，給排放要求的主要挑戰是常規氣體排放限值加嚴且更新了測試循環并引入了實際道路行駛排放測試（RDE），針對缸內直噴以及氣道噴射汽油機都提出了PM以及PN的排放要求;具體要求為國六法規針對所有輕型汽車，都必須通過“I型試驗（常溫下冷起動后排氣污染物排放試驗）”，針對尾氣中污染物排放，包括氣態污染物（常規污染氣體），顆粒物質量（PM），粒子數量（PN）等，都須達到法規限值的要求。

從現行的國五排放限值數據和國六排放限值數據可以看出，與國5限值相比，國6a汽油車CO限值加嚴50%，國6b汽油車的THC，NMHC以及NOx限值分別下降50%，50%和42%。此外，國五標準只針對汽油直噴汽車有PM限值要求，但在國6中要求所有點燃式汽車均滿足PM以及新增的PN限值要求，其中國6b的PM限值下降了33%。

3 排氣污染物分析及針對污染物排放限值抑制的新技術統計

產生CO（一氧化碳）的根本原因是混合氣過濃，汽油在發動機氣缸內不完全燃燒，混合氣中由于氧氣不足，碳不能完全被氧化成CO2而生成CO。因此為了滿足國六的CO排放要求，電噴系統必須盡可能的減少混合氣加濃，比如高速大負荷區的加濃保護，瞬態加濃，起動機暖機過程的加濃等。尤其是在高速大負荷區，由于排氣溫度過高為了保護催化器，往往會通過加濃混合氣來降低排氣溫度，這種加濃操作會導致CO排放的顯著增加。

產生HC（碳氫類）排氣污染物較高的原因通常是催化器起燃時間太長，以及部分燃油未完全燃燒。通常碳氫排放主要來自于冷機啟動階段和怠速階段，燃燒室壁面溫度較低，易產生淬熄層。

產生NOx（氮氧化物）的途徑包括高溫NO、激發NO和燃料NO，其中高溫富氧是產生NO的主要原因。

產生PM、PN（顆粒物質量、數量）的原因主要是由于混合氣不均勻，導致燃燒不完全，在高溫缺氧條件下氧化裂解而成;其中直噴發動機因為燃料直接噴入缸內，混合氣形成的時間短，難以混合均勻，燃燒后更容易形成顆粒物;PM、PN主要由碳煙、可溶性有機物（如未完全燃燒的燃油或潤滑油）、硫酸鹽等組成。

4 針對GPF的壓差傳感器和高溫傳感器的應用

通過上述各種技術路線可以看出，常規氣體的排放限制，主要可以通過發動機本體的相關技術改進或匹配優化，以及排放系統中原本已有的三元催化器（TWC）改進來達到目的;但對于尾氣排放中顆粒物的限制，還需要額外增加部件模塊：顆料捕集器（GPF）。

顆粒捕集器（GPF）是從后處理的角度來降低顆粒物排放的技術，其過濾效率高達90%，同時也可以明顯的降低PN，滿足法國六法規中的限值要求;并且使用GPF后并未對CO2的排放產生顯著的影響。

該尾氣排放系統中，三元催化器（TWC）和顆粒捕集器（GPF）分開布置，并且都位于底盤較接近發動機的位置;這種位置布置的特點是：從國五的排放系統升級到國六排放系統，系統結構改動較小，易于布置，但是TWC和GPF的分開布置，會導致有兩個后處理單元，總體封裝成本增加;另一方面，高溫尾氣在排氣管里流動，TWC和GPF中間有一段金屬管，熱量損失大，導致GPF易積碳，再生較困難，再生頻次高等;從實際測試溫度曲線也可以看出，大多數工況下，當尾氣流經GPF時，溫度已經下降到550℃以下了，這就需要發動機控制系統（ECU）做更多的主動再生策略。

GPF在國六法規中的具體要求為：在GPF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GPF性能惡化或失效，OBD也應在GPF載體完全損壞、移除、丟失時檢測出故障;因此GPF系統中，就會使用高溫傳感器（HTS）和壓差傳感器（DPS）與之配合，實現GPF的正常工作狀態檢測，完整性檢測，以及極限工況的保護。

GPF會對通過的排氣產生“阻礙”作用，這種“阻礙”作用的宏觀表現就是壓降，即GPF上下游會有一定的壓力差值。不同狀態下的GPF，其壓降表現也不同，當GPF載體在不同碳載量時，或發生性能下降，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;因此GPF配合DPS可實現碳載量的檢測和OBD的診斷;此外，壓差信號還可以用于GPF泄漏報警，優化再生間隔。

另外一方面，由于后處理系統只能在合適的溫度水平下工作，因此，確認溫度是一件至關重要的事。為了確保最佳的排放控制，溫度采集需要快速而準確地將溫度信號轉換成精確的數字信號，并將其轉發給發動機控制單元（ECU），以實現最理想的催化轉換過程和車載診斷。此外，高溫傳感器還可用于為渦輪增壓器等關鍵部件提供過熱保護。

5 壓差傳感器（DPS）和高溫傳感器（HTS）的特點

行業內主流的壓差傳感器（DPS），均采用MEMS（微機電系統）感應技術，直接測量壓差;以市場份額最大的專業傳感器公司森薩塔科技的DPS為例，具有以下技術特點：

（1）MEMS感應技術。

（2）采用了具有專利技術的高精密、單芯片;3芯片由特殊凝膠保護，采用陶瓷基板和金質導線，可絕緣積碳，水汽以及酸性物質。

（3）具有良好的MEA芯片耐久表現。

（4）調制電路具有實時溫度補償，保證在不同溫度段的高精度輸出。

（5）快速的響應時間及高精度保證在GPF的應用中，快速的響應時間可以更及時精確的判斷再生時間，降低GPF失效率。

（6）傳感器內部具有特殊的斜坡設計，利于排水，冷起動時結冰的風險可減到最低。

（7）技術方案成熟，可幫助客戶減少開發風險與時間。

壓差傳感器（DPS）具體感應原理如圖1所示：

市場上主流的高溫傳感器（HTS）種類較多，主要有以下幾種技術類別：

（1）NTC高溫傳感器：主要應用范圍為300℃以下。

（2）PT（鉑電阻式）高溫傳感器：主要應用范圍為300℃到1000℃之間。

（3）NTC（數字熱電偶式）高溫傳感器：主要應用范圍為1000℃以上。

森薩塔公司的高溫傳感器（HTS）產品系列豐富，以上三種技術類別均有覆蓋，可針對GPF的不同應用，作最適合的推薦，其公司和產品主要有以下特點：

a.全球唯一擁有三種溫度感應技術的溫度感應供應商;全球唯一自主設計、生產、售后，并已量產鉑（Pt）電阻類高溫傳感器供應商;全球出貨量最大，乘用車商用車市場份額均超過50%。

b.對高溫傳感器材料特性（如貴金屬，陶瓷，玻璃封裝，粘合劑等），和復雜的生產工藝，都具有非常深刻的理解和掌握。

c.在超高溫（高達1200℃）環境中具有卓越的高溫穩定性。

d.在嚴苛的震動環境中能保持長期的穩定可靠性。

e.具有獨特的陶瓷密封技術。

f.針對國內客戶項目，可做本地化的研發、銷售及售后支持。

高溫傳感器（HTS）的產品生產工藝比較復雜，但基本原理比較簡單。

6森薩塔壓差傳感器（DPS）和高溫傳感器（HTS）在某項目中的應用

針對壓差傳感器（DPS）和高溫傳感器（HTS）在具體的GEC項目中的應用，還需考量以下因素：

DPS量程：由TWC和GPF的位置，以及后端消音器的位置以及參數可以計算出，GPF兩端在各種工況下的壓降均不會大于0.5bar，因此傳感器可推薦-20kPa～80kPa的量程范圍。

DPS安裝位置：由于DPS需要安裝在GPF的上方，并且需要保持一定的高度差（利于冷啟動時排出冷凝水），而GPF的位置本身就在底盤，離發動機倉不遠，因此推薦傳感器安裝在發動機倉壁上;且DPS兩個接口向下。

DPS連接管布置：由于從DPS到GPF的連接管有冷啟動的排水要求，所以在布置連接管時，需要有一個連續向下的布置，不能有U型布置（在管的U形點處容易積水）。

GPF連接管出管方向： DPS連接管連接到GPF時，需保持一個向上的角度，以保證冷凝水順利排到GPF里，發動機啟動后，高溫尾氣會使GPF的積水快速氣化，從而避免了連接管有積水結冰的風險。

HTS量程：根據發動機的臺架測試數據，即使在GPF控制氧化燃燒顆粒，即再生的時候，GPF前端的溫度也不會超過850℃，因此選擇950℃的高溫量程即可。

HTS響應時間：由于GPF控制再生策略對傳感器的響應時間要求遠大于10秒（開口式HTS響應時間約為2秒，閉口式HTS的響應時間約為5S），因此就不需要用到響應時間更快的開口式HTS，另外考慮到閉口式HTS的抗振性能更好，因此推薦閉口式HTS。

HTS頭部長度和安裝位置：推薦傳感器探頭部分伸入GPF圓心位置，這樣可以最大面積的與流動的尾氣接觸;傳感器的安裝位置因為是推薦的閉口式HTS，因此無冷凝水積水或結冰的風險，所以可以360度任意選擇角度安裝。

7 測試分析和結論

經過綜合理論分析和實際測試驗證，推薦的GPF應用傳感器（DPS和HTS）完全可以適配GEC項目的車身環境要求，并已在多個臺架試驗，以及冬季和夏季實際路試中得到驗證;在該項目接近兩年的驗證試驗中，傳感器保證了測試數據的準確性和可靠性，DPS沒有出現過一例事故，連接管也沒有出現過冷啟動結冰的現象;HTS也沒有出現過任何失效。該項目于2019年6月份正式進入量產階段。

參考文獻：

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