汽车尾气排放系统中颗粒捕集器用传感器的应用分析

董天星

摘  要：文章分析了轻型汽油机汽车尾气排气系统中传感器应用的原理;为了使尾气排放达到法规限值的要求，研究了汽油机尾气相关成分，排气系统典型结构，流体模型分析，以及尾气系统各模块相对位置等，采用了压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS）配合，以达到GPF碳载量检测和GPF再生策略的制定，最终实现满足排放法规限值的要求。

关键词：压差传感器;高温传感器;颗粒捕集器（GPF）;排气系统

中图分类号：TK403        文献标志码：A         文章编号：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，環保部官方网站正式发布了我国轻型汽车第六阶段排放标准的发布稿，即《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，也就是国六排放法规的要求。该法规要求所有2020年7月1日之后上市的轻型汽车（最大设计总质量不超过3500kg的M1类、M2类和N1类汽车）必须通过相关污染物排放试验;颗粒捕集器（GPF）是需要在原系统之上额外增加的部件，能有效降低尾气排放中颗粒物质量（PM）、颗粒物数量（PN）的最重要技术手段。进而针对GPF的使用，其两端须配合使用压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS），来检测GPF的碳载量的饱和程度和涂层的高温保护。

2 国六法规排气污染物限值要求分析

根据环保部的最新国六法规要求，给排放要求的主要挑战是常规气体排放限值加严且更新了测试循环并引入了实际道路行驶排放测试（RDE），针对缸内直喷以及气道喷射汽油机都提出了PM以及PN的排放要求;具体要求为国六法规针对所有轻型汽车，都必须通过“I型试验（常温下冷起动后排气污染物排放试验）”，针对尾气中污染物排放，包括气态污染物（常规污染气体），颗粒物质量（PM），粒子数量（PN）等，都须达到法规限值的要求。

从现行的国五排放限值数据和国六排放限值数据可以看出，与国5限值相比，国6a汽油车CO限值加严50%，国6b汽油车的THC，NMHC以及NOx限值分别下降50%，50%和42%。此外，国五标准只针对汽油直喷汽车有PM限值要求，但在国6中要求所有点燃式汽车均满足PM以及新增的PN限值要求，其中国6b的PM限值下降了33%。

3 排气污染物分析及针对污染物排放限值抑制的新技术统计

产生CO（一氧化碳）的根本原因是混合气过浓，汽油在发动机气缸内不完全燃烧，混合气中由于氧气不足，碳不能完全被氧化成CO2而生成CO。因此为了满足国六的CO排放要求，电喷系统必须尽可能的减少混合气加浓，比如高速大负荷区的加浓保护，瞬态加浓，起动机暖机过程的加浓等。尤其是在高速大负荷区，由于排气温度过高为了保护催化器，往往会通过加浓混合气来降低排气温度，这种加浓操作会导致CO排放的显著增加。

产生HC（碳氢类）排气污染物较高的原因通常是催化器起燃时间太长，以及部分燃油未完全燃烧。通常碳氢排放主要来自于冷机启动阶段和怠速阶段，燃烧室壁面温度较低，易产生淬熄层。

产生NOx（氮氧化物）的途径包括高温NO、激发NO和燃料NO，其中高温富氧是产生NO的主要原因。

产生PM、PN（颗粒物质量、数量）的原因主要是由于混合气不均匀，导致燃烧不完全，在高温缺氧条件下氧化裂解而成;其中直喷发动机因为燃料直接喷入缸内，混合气形成的时间短，难以混合均匀，燃烧后更容易形成颗粒物;PM、PN主要由碳烟、可溶性有机物（如未完全燃烧的燃油或润滑油）、硫酸盐等组成。

4 针对GPF的压差传感器和高温传感器的应用

通过上述各种技术路线可以看出，常规气体的排放限制，主要可以通过发动机本体的相关技术改进或匹配优化，以及排放系统中原本已有的三元催化器（TWC）改进来达到目的;但对于尾气排放中颗粒物的限制，还需要额外增加部件模块：颗料捕集器（GPF）。

颗粒捕集器（GPF）是从后处理的角度来降低颗粒物排放的技术，其过滤效率高达90%，同时也可以明显的降低PN，满足法国六法规中的限值要求;并且使用GPF后并未对CO2的排放产生显著的影响。

该尾气排放系统中，三元催化器（TWC）和颗粒捕集器（GPF）分开布置，并且都位于底盘较接近发动机的位置;这种位置布置的特点是：从国五的排放系统升级到国六排放系统，系统结构改动较小，易于布置，但是TWC和GPF的分开布置，会导致有两个后处理单元，总体封装成本增加;另一方面，高温尾气在排气管里流动，TWC和GPF中间有一段金属管，热量损失大，导致GPF易积碳，再生较困难，再生频次高等;从实际测试温度曲线也可以看出，大多数工况下，当尾气流经GPF时，温度已经下降到550℃以下了，这就需要发动机控制系统（ECU）做更多的主动再生策略。

GPF在国六法规中的具体要求为：在GPF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GPF性能恶化或失效，OBD也应在GPF载体完全损坏、移除、丢失时检测出故障;因此GPF系统中，就会使用高温传感器（HTS）和压差传感器（DPS）与之配合，实现GPF的正常工作状态检测，完整性检测，以及极限工况的保护。

GPF会对通过的排气产生“阻碍”作用，这种“阻碍”作用的宏观表现就是压降，即GPF上下游会有一定的压力差值。不同状态下的GPF，其压降表现也不同，当GPF载体在不同碳载量时，或发生性能下降，甚至损坏、移除失时，排气流經GPF时的压降就会发生相应变化;因此GPF配合DPS可实现碳载量的检测和OBD的诊断;此外，压差信号还可以用于GPF泄漏报警，优化再生间隔。

另外一方面，由于后处理系统只能在合适的温度水平下工作，因此，确认温度是一件至关重要的事。为了确保最佳的排放控制，温度采集需要快速而准确地将温度信号转换成精确的数字信号，并将其转发给发动机控制单元（ECU），以实现最理想的催化转换过程和车载诊断。此外，高温传感器还可用于为涡轮增压器等关键部件提供过热保护。

5 压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS）的特点

行业内主流的压差传感器（DPS），均采用MEMS（微机电系统）感应技术，直接测量压差;以市场份额最大的专业传感器公司森萨塔科技的DPS为例，具有以下技术特点：

（1）MEMS感应技术。

（2）采用了具有专利技术的高精密、单芯片;3芯片由特殊凝胶保护，采用陶瓷基板和金质导线，可绝缘积碳，水汽以及酸性物质。

（3）具有良好的MEA芯片耐久表现。

（4）调制电路具有实时温度补偿，保证在不同温度段的高精度输出。

（5）快速的响应时间及高精度保证在GPF的应用中，快速的响应时间可以更及时精确的判断再生时间，降低GPF失效率。

（6）传感器内部具有特殊的斜坡设计，利于排水，冷起动时结冰的风险可减到最低。

（7）技术方案成熟，可帮助客户减少开发风险与时间。

压差传感器（DPS）具体感应原理如图1所示：

市场上主流的高温传感器（HTS）种类较多，主要有以下几种技术类别：

（1）NTC高温传感器：主要应用范围为300℃以下。

（2）PT（铂电阻式）高温传感器：主要应用范围为300℃到1000℃之间。

（3）NTC（数字热电偶式）高温传感器：主要应用范围为1000℃以上。

森萨塔公司的高温传感器（HTS）产品系列丰富，以上三种技术类别均有覆盖，可针对GPF的不同应用，作最适合的推荐，其公司和产品主要有以下特点：

a.全球唯一拥有三种温度感应技术的温度感应供应商;全球唯一自主设计、生产、售后，并已量产铂（Pt）电阻类高温传感器供应商;全球出货量最大，乘用车商用车市场份额均超过50%。

b.对高温传感器材料特性（如贵金属，陶瓷，玻璃封装，粘合剂等），和复杂的生产工艺，都具有非常深刻的理解和掌握。

c.在超高温（高达1200℃）环境中具有卓越的高温稳定性。

d.在严苛的震动环境中能保持长期的稳定可靠性。

e.具有独特的陶瓷密封技术。

f.针对国内客户项目，可做本地化的研发、销售及售后支持。

高温传感器（HTS）的产品生产工艺比较复杂，但基本原理比较简单。

6森萨塔压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS）在某项目中的应用

针对压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS）在具体的GEC项目中的应用，还需考量以下因素：

DPS量程：由TWC和GPF的位置，以及后端消音器的位置以及参数可以计算出，GPF两端在各种工况下的压降均不会大于0.5bar，因此传感器可推荐-20kPa～80kPa的量程范围。

DPS安装位置：由于DPS需要安装在GPF的上方，并且需要保持一定的高度差（利于冷启动时排出冷凝水），而GPF的位置本身就在底盘，离发动机仓不远，因此推荐传感器安装在发动机仓壁上;且DPS两个接口向下。

DPS连接管布置：由于从DPS到GPF的连接管有冷启动的排水要求，所以在布置连接管时，需要有一个连续向下的布置，不能有U型布置（在管的U形点处容易积水）。

GPF连接管出管方向： DPS连接管连接到GPF时，需保持一个向上的角度，以保证冷凝水顺利排到GPF里，发动机启动后，高温尾气会使GPF的积水快速气化，从而避免了连接管有积水结冰的风险。

HTS量程：根据发动机的台架测试数据，即使在GPF控制氧化燃烧颗粒，即再生的时候，GPF前端的温度也不会超过850℃，因此选择950℃的高温量程即可。

HTS响应时间：由于GPF控制再生策略对传感器的响应时间要求远大于10秒（开口式HTS响应时间约为2秒，闭口式HTS的响应时间约为5S），因此就不需要用到响应时间更快的开口式HTS，另外考虑到闭口式HTS的抗振性能更好，因此推荐闭口式HTS。

HTS头部长度和安装位置：推荐传感器探头部分伸入GPF圆心位置，这样可以最大面积的与流动的尾气接触;传感器的安装位置因为是推荐的闭口式HTS，因此无冷凝水积水或结冰的风险，所以可以360度任意选择角度安装。

7 测试分析和结论

经过综合理论分析和实际测试验证，推荐的GPF应用传感器（DPS和HTS）完全可以适配GEC项目的车身环境要求，并已在多个台架试验，以及冬季和夏季实际路试中得到验证;在该项目接近两年的验证试验中，传感器保证了测试数据的准确性和可靠性，DPS没有出现过一例事故，连接管也没有出现过冷启动结冰的现象;HTS也没有出现过任何失效。该项目于2019年6月份正式进入量产阶段。

参考文献：

[1]环境保护部、国家质量监督检验检疫总局.GB18352.6-2016.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].中国环境科学出版社.

[2]吴春玲，崔莹泉，赵亮，等.轻型汽油车满足国六排放法规的技术路径[J].汽车实用技术，2017（12）.

[3]yeshuheng.国六GPF诊断策略[Z].个人图书馆，2018，11.

[4]yeshuheng.国六形势下的GPF控制攻略[Z].个人图书馆，2018，11.