柴油機(jī)微粒捕集器再生扭矩補(bǔ)償

侯亮 馬燕 劉力臣 王志新 王亮

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

柴油機(jī)微粒捕集器再生扭矩補(bǔ)償

侯亮 馬燕 劉力臣 王志新 王亮

（長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

介紹了柴油機(jī)微粒捕集器（DPF）再生機(jī)理，并以GW4D20歐Ⅴ2.0 L直列四缸高壓共軌電控柴油機(jī)為例，對(duì)燃油缸內(nèi)后噴（LPI）助燃再生技術(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)分析歸納正時(shí)推后和加后噴油量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩影響的變化規(guī)律，提出在微粒捕集器再生時(shí)的油量（扭矩）補(bǔ)償方案，以消除或減輕對(duì)整車(chē)動(dòng)力輸出的頓挫不適感。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生時(shí)進(jìn)行油量補(bǔ)償后，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出波動(dòng)范圍收窄在（-10，10）N·m區(qū)間，車(chē)輛駕乘無(wú)明顯不適感。

1 前言

雖然柴油機(jī)熱效率高，比汽油機(jī)節(jié)油約20%～30%，但因其顆粒物（PM）排放污染而影響了柴油機(jī)乘用化及大范圍推廣使用。微粒捕集器（DPF）是目前公認(rèn)的降低PM值的有效手段之一，其凈化效率可達(dá)90%以上[1]。過(guò)濾體的再生是DPF實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)[2]，但當(dāng)采用缸內(nèi)后噴技術(shù)實(shí)現(xiàn)DPF再生時(shí)，由于燃燒參數(shù)的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩也會(huì)變化[3]，尤其是在非再生與再生切換時(shí)扭矩變化最明顯，扭矩突變將直接導(dǎo)致整車(chē)駕駛時(shí)有頓挫感，嚴(yán)重影響駕乘感受。

為此，本文以GW4D20歐Ⅴ2.0L直列四缸柴油高壓共軌電控發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對(duì)燃油缸內(nèi)后噴再生技術(shù)進(jìn)行研究，擬通過(guò)扭矩補(bǔ)償來(lái)改善因DPF再生狀態(tài)變化引起的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩突變問(wèn)題，提高駕駛舒適性。

2 燃油缸內(nèi)后噴技術(shù)介紹

燃油缸內(nèi)后噴助燃再生是DPF主動(dòng)再生方法之一，與燃燒器噴油助燃再生[4]和DOC上游排氣管內(nèi)二次燃油噴射（SFI）再生[5]相比，燃油缸內(nèi)后噴助燃再生技術(shù)不需要采用任何額外的噴射設(shè)備，僅利用自身的高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，在需要再生時(shí)改變?nèi)紵齾?shù)，增加后噴油量噴射即可實(shí)現(xiàn)DPF再生。

DPF再生的實(shí)質(zhì)是提高排氣溫度并使之達(dá)到碳顆粒的起燃溫度，雖然推后主噴正時(shí)和增加后噴油量都可提高排氣溫度，但推后正時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的變化，如圖1所示，輸出扭矩隨噴油正時(shí)的加大呈現(xiàn)先增大后減小的類(lèi)拋物線(xiàn)形狀；而對(duì)于一些大負(fù)荷點(diǎn)，由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)最大缸內(nèi)爆發(fā)壓力的限制，噴油正時(shí)不能繼續(xù)加大。最大輸出扭矩對(duì)應(yīng)的噴油正時(shí)稱(chēng)為最佳噴油正時(shí)

（Mean Brake Torque，MBT）。

圖2為不同后噴油量在不同的后噴角度時(shí)對(duì)輸出扭矩的影響，由圖2可看出，隨后噴油量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩逐漸增大；相同的后噴油量，越靠近主噴對(duì)扭矩影響越大。

3 正時(shí)推后對(duì)扭矩的補(bǔ)償

由前述可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量、增壓壓力、EGR率、油軌軌壓等燃燒參數(shù)一定時(shí)，噴油正時(shí)在MBT點(diǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩最大，即保證上述燃燒參數(shù)一定，維持相同的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，噴油正時(shí)在MBT點(diǎn)的噴油量是最少的。正時(shí)的推后可認(rèn)為是相對(duì)MBT點(diǎn)的推后，相應(yīng)的，扭矩（油量）的補(bǔ)償可認(rèn)為是對(duì)MBT點(diǎn)進(jìn)行噴油量補(bǔ)償。因此，首先要找到各工況下的MBT點(diǎn)。

3.1 確定MBT點(diǎn)

首先關(guān)閉EGR，以防止因循環(huán)廢氣變化引起新鮮空氣的變化，從而影響扭矩。通過(guò)標(biāo)定軟件控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和指示扭矩（噴油量）的方式指定工況，在保證其它燃燒參數(shù)不變和發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)限值不超標(biāo)的前提下對(duì)噴油正時(shí)進(jìn)行掃點(diǎn)，當(dāng)輸出扭矩最大時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的正時(shí)，即為該工況的MBT值。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如圖3所示的MBT掃點(diǎn)結(jié)果。

3.2 基于MBT的主噴油量補(bǔ)償

找到各工況的MBT點(diǎn)后，任意選取幾個(gè)工況，通過(guò)推正時(shí)使主噴正時(shí)距對(duì)應(yīng)工況的MBT的步長(zhǎng)依次增加，同時(shí)調(diào)整主噴油量使輸出扭矩等于MBT點(diǎn)的輸出扭矩，則調(diào)整后的主噴油量即是主噴正時(shí)基于當(dāng)前工況下的MBT點(diǎn)的主噴油量補(bǔ)償。為便于比較，將調(diào)整后的主噴油量與MBT點(diǎn)的噴油量做比值，稱(chēng)為主噴比油量，則繪制的主噴比油量補(bǔ)償散點(diǎn)圖如圖4所示。

由圖4可看出，主噴比油量基本在1條曲線(xiàn)上，只與主噴正時(shí)對(duì)MBT點(diǎn)的推后角度有關(guān)，而與選取的工況點(diǎn)關(guān)系不大，因此可以將圖4整合為一條曲線(xiàn)，得到主噴比油量補(bǔ)償曲線(xiàn)如圖5所示。

根據(jù)圖3和圖5就可以對(duì)再生時(shí)由于主噴正時(shí)推后導(dǎo)致的扭矩減小進(jìn)行相應(yīng)的油量補(bǔ)償，以保證再生時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

4 燃油后噴對(duì)扭矩的補(bǔ)償

當(dāng)采用燃油缸內(nèi)后噴的方式進(jìn)行DPF再生時(shí)，對(duì)扭矩的影響程度由噴入的燃油質(zhì)量和噴入時(shí)刻決定。噴入燃油相當(dāng)于增加了氣缸內(nèi)的燃油總量，導(dǎo)致輸出扭矩變大，為了維持發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不變，需要將主噴油量適當(dāng)減少，同時(shí)因相同的噴油量在不同的噴油時(shí)刻所產(chǎn)生的扭矩不同（圖2），所以在考慮燃油后噴的影響時(shí)，首先要將后噴油量折算為主噴角度下產(chǎn)生相同扭矩的油量，然后在主噴油量基礎(chǔ)上減去該折算油量以維持輸

出扭矩不變。工況點(diǎn)的主噴正時(shí)可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，而MBT點(diǎn)是固定的，因此可根據(jù)圖5的主噴油量補(bǔ)償曲線(xiàn)來(lái)折算油量。

為了找出燃油后噴與扭矩補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，針對(duì)部分工況點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)。選取轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、2 000 r/min和3 500 r/min，每個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的指示扭矩分別為80 N·m、60 N·m和40 N·m，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行上述工況，并通過(guò)標(biāo)定軟件使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生模式。首先將后噴油量標(biāo)為0，記錄此時(shí)的輸出扭矩值；然后標(biāo)定后噴油量為3 mg/沖程，以當(dāng)前工況點(diǎn)的MBT點(diǎn)為0點(diǎn)，分別后推0°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°作為不同的后噴正時(shí)；在每個(gè)后噴正時(shí)下減小主噴油量，直到輸出扭矩等于后噴油量為0時(shí)的輸出扭矩時(shí)記錄減小的主噴油量值，該油量即為當(dāng)前后噴正時(shí)下后噴油量對(duì)主噴油量的修正量。為便于比較，將該修正量與后噴油量做比值，命名為后噴比油量。圖6為后噴正時(shí)對(duì)MBT點(diǎn)的推后角度與后噴比油量關(guān)系的散點(diǎn)圖。

由圖6可看出，相同扭矩點(diǎn)的比油量基本在1條曲線(xiàn)上，與后噴正時(shí)對(duì)MBT點(diǎn)推后的角度關(guān)系密切，與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系不大。因此，可以將相同指示扭矩點(diǎn)的數(shù)據(jù)求平均值，繪制不同扭矩下的后噴比油量修正曲線(xiàn)，如圖7所示。

由圖7可看出，在MBT點(diǎn)時(shí)，后噴比油量只能為1；當(dāng)后噴正時(shí)在MBT點(diǎn)后100°時(shí)，實(shí)際上此時(shí)基本處于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣沖程，噴入的油量基本都隨排氣進(jìn)入后處理系統(tǒng)，可認(rèn)為此時(shí)的后噴油量不產(chǎn)生扭矩，后噴比油量可近似等于0。同時(shí)可看出，指示扭矩越大，對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)越靠上，這是因?yàn)?，大扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主噴正時(shí)更靠前，對(duì)應(yīng)的MBT點(diǎn)也越靠前，基于MBT點(diǎn)的后推正時(shí)距上止點(diǎn)的實(shí)際角度也越靠前，對(duì)扭矩的修正作用也明顯。

5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

將上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整合、優(yōu)化，繪制成相應(yīng)的曲線(xiàn)和map圖，并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行工況點(diǎn)掃點(diǎn)，在每個(gè)工況點(diǎn)下關(guān)閉及激活再生，記錄輸出扭矩的偏差值，將掃點(diǎn)結(jié)果與未進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整的掃點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。

由圖8a可看出，數(shù)據(jù)調(diào)整后，輸出扭矩偏差基本都在-10～10 N·m范圍內(nèi)，最大偏差僅為11 N·m；而數(shù)據(jù)調(diào)整前的輸出扭矩偏差在-20～20 N·m范圍內(nèi)，最大偏差甚至達(dá)到了25 N·m。由8b可看出，數(shù)據(jù)調(diào)整后輸出扭矩偏差的平均值近似為0，偏差范圍更集中。同時(shí)在整車(chē)上進(jìn)行了再生開(kāi)啟和關(guān)閉的測(cè)試，通過(guò)駕駛員和工程師的主觀(guān)評(píng)價(jià)，車(chē)輛駕乘無(wú)明顯不適感。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)燃油缸內(nèi)后噴助燃再生技術(shù)的試驗(yàn)研究，找出了正時(shí)推后和燃油后噴對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩影響的變化規(guī)律，基于此規(guī)律的油量（扭矩）補(bǔ)償方案能夠?qū)⑽⒘２都髟偕鷮?dǎo)致的輸出扭矩波動(dòng)范圍收窄在-10～10 N·m區(qū)間。經(jīng)過(guò)整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，當(dāng)車(chē)輛由正常駕駛工況進(jìn)入再生工況及退出再生工況時(shí)，車(chē)輛駕乘

無(wú)明顯不適感。參考文獻(xiàn)

1 姜大海，寧智，姚廣濤，等.柴油機(jī)顆粒捕集器再生時(shí)機(jī)的研究，汽車(chē)工程，2012，34（2）.

2 郭鵬江,高希彥,王浩,等.柴油機(jī)EGR和微粒過(guò)濾器的試驗(yàn)研究.現(xiàn)代車(chē)用動(dòng)力,2008（2）:26～30.

3 王丹，劉忠長(zhǎng)，王忠恕，等.柴油機(jī)微粒捕集器缸內(nèi)次后噴主動(dòng)再生方法.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，3（42）：551～556.

4 資新運(yùn)，郭猛超，張偉，等.采用燃燒器_氧化催化器的柴油機(jī)微粒捕集器復(fù)合再生控制策略的研究.汽車(chē)工程，2010,32（1）：31～36.

5 Gardner T,Yetkin A,Shotwell R,et al.Evaluation of a DPF regeneration system and DOC performance using secondary fuel injection//SAE paper,2009-01-2884.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年10月24日。

4 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)以上定義，對(duì)原車(chē)ESC系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角信號(hào)的實(shí)車(chē)故障注入測(cè)試，測(cè)試結(jié)合整車(chē)多種駕駛工況，結(jié)果如表4所列。

表4 整車(chē)故障注入測(cè)試案例及結(jié)果

由表4可知，原車(chē)ESC系統(tǒng)具備對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)角度信號(hào)典型故障的監(jiān)控能力，可以達(dá)到中等診斷覆蓋率水平，符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中車(chē)輛其它系統(tǒng)未受故障注入測(cè)試的影響，這說(shuō)明該測(cè)試方法和設(shè)備在不改變?cè)?chē)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效隔離和檢驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)ISO26262《道路車(chē)輛功能安全》標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了一種基于整車(chē)總線(xiàn)故障注入技術(shù)的電子電氣系統(tǒng)故障注入測(cè)試方法。測(cè)試結(jié)果表明，該故障注入測(cè)試方法可在不改變?cè)?chē)待測(cè)ESC系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效隔離和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真實(shí)產(chǎn)品的功能安全驗(yàn)證和評(píng)估，特別適用于整車(chē)企業(yè)對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)的獨(dú)立功能安全檢驗(yàn)。

1 ISO 26262-8:2011,Road vehicles-Functional safety-Part 8:Supporting Process.

2 楊國(guó)青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)電子系統(tǒng)測(cè)試方法（上）.電子產(chǎn)品世界,2013（4）:31～34.

3 楊國(guó)青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)電子系統(tǒng)測(cè)試方法（中）.電子產(chǎn)品世界,2013（5）:33～34.

4 楊國(guó)青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)電子系統(tǒng)測(cè)試方法（下）.電子產(chǎn)品世界,2013（6）:39～44.

5 鄔肖鵬,劉飛，等.ISO26262標(biāo)準(zhǔn)下永磁同步電機(jī)故障對(duì)整車(chē)安全性的影響分析.汽車(chē)技術(shù),2013（2）:13～18.

6 ISO 26262-5:2011,Road vehicles-Functional safety-Part 5:Product Development at the Hardware Level.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年10月8日。

Torque Compensation for Diesel Particulate Filter Regeneration

Hou Liang,Ma Yan,Liu Lichen,Wang Zhixin,Wang Liang
（Technology Center of Great Wall Motor Company,Automotive Engineering Technology Research Center of Hebei Province）

In this paper,the regeneration mechanism of diesel particulate filter is introduced and GW4D20 Euro V 2.0L in-line 4-cylinder diesel engine featuring technologies of high pressure common rail and electronic control is taken as example to research regeneration technology of late post injection(LPI).By analyzing and summarizing timing delay and the effect law of adding post injection amount on engine output torque,the fuel(torque)compensation method of particulate filter during regeneration is proposed,to eliminate or alleviate the jerking uncomfortableness.Test results show that after fuel compensation in regeneration,engine torque output fluctuation range is narrowed to the range of(-10～10)N·m,the occupants feel no obvious uncomfortableness.

Diesel engine,Particulate filter,Regeneration technology,Post injection;Torque compensation

柴油機(jī) 微粒捕集器 再生技術(shù) 燃油缸內(nèi)后噴 扭矩補(bǔ)償

U464.172

A

1000-3703（2015）12-0055-04