汽车尾气排放系统中颗粒捕集器用传感器的应用分析

科技创新与应用

应用科技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

（上海）（森萨塔科技管理有限公司，上海200070）

摘为了使尾气排放达到法规限值的要求，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；研究了汽油机尾

（DPS）（HTS）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，采用了压差传感器和高温传感器配合，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。

颗粒捕集器（GPF）关键词：压差传感器；高温传感器；；排气系统中图分类号院TK403

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2019冤18-0169-03

ordertomaketheexhaustemissionmeettherequirementsofregulations,therelatedcomponentsofexhaustgasoflightgasengine,typicalstructureofexhaustsystemandfluidmodelanalysis,aswellastherelativepositionofeachmoduleofthetailgassystem,

arestudied.Thedifferentialpressuresensor(DPS)andthehightemperaturesensor(HTS)areusedtoachievethecarbonloaddetec鄄tionofGPFandtheformulationofGPFregenerationstrategy,whichfinallymeettherequirementsofemissionregulations.

Keywords:differentialpressuresensor(DPS);hightemperaturesensor;particlecatcher(GPF);exhaustsystem

Abstract:Inthispaper,theapplicationprincipleofsensorinautomobileexhaustsystemoflightgasengineisanalyzed,andin

1概述

2016年12月23日，环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

（中国第六阶段）物排放限值及测量方法》，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、

颗粒M2类和N1类汽车）必须通过相关污染物排放试验；

（GPF）捕集器是需要在原系统之上额外增加的部件，能有

（PM）（PN）效降低尾气排放中颗粒物质量、颗粒物数量的

最重要技术手段。进而针对GPF的使用，其两端须配合使

（DPS）（HTS）用压差传感器和高温传感器，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

（RDE）了实际道路行驶排放测试，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

“I型试验（常为国六法规针对所有轻型汽车，都必须通过

温下冷起动后排气污染物排放试验）”，针对尾气中污染物

（常规污染气体）（PM）排放，包括气态污染物，颗粒物质量，

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

数量）产生PM、PN（颗粒物质量、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；

（如未完全燃烧的燃油PM、PN主要由碳烟、可溶性有机物

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

（TWC）化，以及排放系统中原本已有的三元催化器改进来

达到目的；但对于尾气排放中颗粒物的限制，还需要额外

（1984，研究方向：汽车电子传感器。作者简介：董天星11-），男，汉族，重庆人，本科，工程师，-169-

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2019年18期增加部件模块：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PN术，其过滤效率高达90%，同时对，CO满足2的排放法国六法规中的限值要求；

产生显著的影响。

并且使用也可以明GPF显的后降低

并未该尾气排放系统中，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益以下

了，这就需要发动机控制系统（ECU）做更多的主动再生策

略。

导致GPF颗粒排放超过在国六法规中的OBD阈具体值之要求前，为OBD：

在系统GPF应性检能下降并测出故障；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GPF保护的正。

常工器（作HTS状态检）和压差传感测，完整性器（检DPS测，）以与及之极配合限工况，实现

的用的GPF宏观表会对现通过的排就是压降气，即产生GPF“阻碍上下”游作会用有，这种一定“的阻碍压力”作

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DPS流经GPF时的压降就会发生相应变还可可以用实现于碳载GPF量的泄漏报警检测和，优OBD化再的生间诊断化；隔；。

此因此外，GPF压差配合

信号

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CU成（E原温传感），精确以实的器还现数可最理字信号用想，并将其转发给发动机控制单元

于的为催化涡轮转换增压过器程等和车关键载部诊断件提。供此过外热，高保护。

5行压差传感器业内主流的渊压差传感DPS冤和高温传感器器（DPS），均渊HTS采用冤的特点

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，

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快GPF速的响应时间可以更及时精确的判断再生时间，（失6）效传感率。

降低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：

图1

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益以下。（2）PT（铂电阻式）高温传感器：主要应用范围为300益到1000益之间。

1000（益3）NTC（数字热电偶式）高温传感器森萨塔公司的以上。

：主要应用范围为高温传感器（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商；全a.球唯全球唯一自一主拥设计、有三生产种温度感、售后，应并技已术：

量的产温度感铂（Pt）应电供阻应

类高温传感器供应商；全球出货量最大，乘用车商用车市场

份额均粘合b.剂对高温传感超过50%。

等），和复杂器的材生产料特工性艺（，如都具贵金属有非，陶瓷常深刻，玻璃的理封装解和，掌握。

性。

c.在超高温（高达1200益）环境中具有卓越的高温稳定

d.e.在严苛的震动环境中能保持长期的稳支持f.。

针对具有国独内特客户的陶瓷密项目，封可技做术本。

定可靠性。地化的研发、

销售及售后高温传感器（HTS）的产品生产工艺比较复杂，但基本

原理比较项目中的应用

6森萨塔压差传感器简单。

渊DPS冤和高温传感器渊HTS冤在某针对压差传感器（DPS）和高温传感器（HTS）在具体的

2019年18期TechnologyInnovationandApplication

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GEC项目中的应用，还需考量以下因素：

由TWC和GPF的位置，DPS量程：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。

由于DPS需要安装在GPF的上方，DPS安装位置：并

（利于冷启动时排出冷凝水）且需要保持一定的高度差，而

GPF的位置本身就在底盘，离发动机仓不远，因此推荐传

且DPS两个接口向下。感器安装在发动机仓壁上；

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益，因此选择950益的高温量程即可。

由于GPF控制再生策略对传感器的响HTS响应时间：

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（DPS和HTS）传感器完全可以适配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。参考文献院

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渊上接168页冤

用，能够实现整条供应链的智能化，促使供应链运营的效

率提升，通过深入介入整个物流各个环节，实现了消费者满意度的提升。

然而在实际应用的过程中，往往会因为标签成本较高而影响到RFID技术在物流行业的推广，此外，RFID的回收也会给企业带来额外成本的增加，这些都会对RFID技术的采用起到负面影响。这些问题还需要技术人员和运营人员的共同努力，才能促使基于RFID技术的物流追溯系统顺利运行。参考文献院

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