柴油機微粒捕集器再生扭矩補償

侯亮 馬燕 劉力臣 王志新 王亮

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心）

柴油機微粒捕集器再生扭矩補償

侯亮 馬燕 劉力臣 王志新 王亮

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心）

介紹了柴油機微粒捕集器（DPF）再生機理，并以GW4D20歐Ⅴ2.0 L直列四缸高壓共軌電控柴油機為例，對燃油缸內后噴（LPI）助燃再生技術進行了研究。通過分析歸納正時推后和加后噴油量對發動機輸出扭矩影響的變化規律，提出在微粒捕集器再生時的油量（扭矩）補償方案，以消除或減輕對整車動力輸出的頓挫不適感。試驗結果表明，再生時進行油量補償后，發動機扭矩輸出波動范圍收窄在（-10，10）N·m區間，車輛駕乘無明顯不適感。

1 前言

雖然柴油機熱效率高，比汽油機節油約20%～30%，但因其顆粒物（PM）排放污染而影響了柴油機乘用化及大范圍推廣使用。微粒捕集器（DPF）是目前公認的降低PM值的有效手段之一，其凈化效率可達90%以上[1]。過濾體的再生是DPF實用化的關鍵技術[2]，但當采用缸內后噴技術實現DPF再生時，由于燃燒參數的變化，發動機的扭矩也會變化[3]，尤其是在非再生與再生切換時扭矩變化最明顯，扭矩突變將直接導致整車駕駛時有頓挫感，嚴重影響駕乘感受。

為此，本文以GW4D20歐Ⅴ2.0L直列四缸柴油高壓共軌電控發動機為例，對燃油缸內后噴再生技術進行研究，擬通過扭矩補償來改善因DPF再生狀態變化引起的發動機輸出扭矩突變問題，提高駕駛舒適性。

2 燃油缸內后噴技術介紹

燃油缸內后噴助燃再生是DPF主動再生方法之一，與燃燒器噴油助燃再生[4]和DOC上游排氣管內二次燃油噴射（SFI）再生[5]相比，燃油缸內后噴助燃再生技術不需要采用任何額外的噴射設備，僅利用自身的高壓共軌燃油噴射系統，在需要再生時改變燃燒參數，增加后噴油量噴射即可實現DPF再生。

DPF再生的實質是提高排氣溫度并使之達到碳顆粒的起燃溫度，雖然推后主噴正時和增加后噴油量都可提高排氣溫度，但推后正時會導致發動機扭矩的變化，如圖1所示，輸出扭矩隨噴油正時的加大呈現先增大后減小的類拋物線形狀；而對于一些大負荷點，由于受到發動機最大缸內爆發壓力的限制，噴油正時不能繼續加大。最大輸出扭矩對應的噴油正時稱為最佳噴油正時

（Mean Brake Torque，MBT）。

圖2為不同后噴油量在不同的后噴角度時對輸出扭矩的影響，由圖2可看出，隨后噴油量的增加，發動機輸出扭矩逐漸增大；相同的后噴油量，越靠近主噴對扭矩影響越大。

3 正時推后對扭矩的補償

由前述可知，當發動機轉速、噴油量、增壓壓力、EGR率、油軌軌壓等燃燒參數一定時，噴油正時在MBT點時發動機的輸出扭矩最大，即保證上述燃燒參數一定，維持相同的發動機輸出扭矩，噴油正時在MBT點的噴油量是最少的。正時的推后可認為是相對MBT點的推后，相應的，扭矩（油量）的補償可認為是對MBT點進行噴油量補償。因此，首先要找到各工況下的MBT點。

3.1 確定MBT點

首先關閉EGR，以防止因循環廢氣變化引起新鮮空氣的變化，從而影響扭矩。通過標定軟件控制發動機轉速和指示扭矩（噴油量）的方式指定工況，在保證其它燃燒參數不變和發動機各項限值不超標的前提下對噴油正時進行掃點，當輸出扭矩最大時記錄對應的正時，即為該工況的MBT值。對采集的數據進行處理，得到如圖3所示的MBT掃點結果。

3.2 基于MBT的主噴油量補償

找到各工況的MBT點后，任意選取幾個工況，通過推正時使主噴正時距對應工況的MBT的步長依次增加，同時調整主噴油量使輸出扭矩等于MBT點的輸出扭矩，則調整后的主噴油量即是主噴正時基于當前工況下的MBT點的主噴油量補償。為便于比較，將調整后的主噴油量與MBT點的噴油量做比值，稱為主噴比油量，則繪制的主噴比油量補償散點圖如圖4所示。

由圖4可看出，主噴比油量基本在1條曲線上，只與主噴正時對MBT點的推后角度有關，而與選取的工況點關系不大，因此可以將圖4整合為一條曲線，得到主噴比油量補償曲線如圖5所示。

根據圖3和圖5就可以對再生時由于主噴正時推后導致的扭矩減小進行相應的油量補償，以保證再生時的發動機性能。

4 燃油后噴對扭矩的補償

當采用燃油缸內后噴的方式進行DPF再生時，對扭矩的影響程度由噴入的燃油質量和噴入時刻決定。噴入燃油相當于增加了氣缸內的燃油總量，導致輸出扭矩變大，為了維持發動機輸出扭矩不變，需要將主噴油量適當減少，同時因相同的噴油量在不同的噴油時刻所產生的扭矩不同（圖2），所以在考慮燃油后噴的影響時，首先要將后噴油量折算為主噴角度下產生相同扭矩的油量，然后在主噴油量基礎上減去該折算油量以維持輸

出扭矩不變。工況點的主噴正時可以根據實際需要進行調整，而MBT點是固定的，因此可根據圖5的主噴油量補償曲線來折算油量。

為了找出燃油后噴與扭矩補償的關系，針對部分工況點進行了試驗。選取轉速分別為1 000 r/min、2 000 r/min和3 500 r/min，每個轉速對應的指示扭矩分別為80 N·m、60 N·m和40 N·m，在發動機臺架上運行上述工況，并通過標定軟件使發動機進入再生模式。首先將后噴油量標為0，記錄此時的輸出扭矩值；然后標定后噴油量為3 mg/沖程，以當前工況點的MBT點為0點，分別后推0°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°作為不同的后噴正時；在每個后噴正時下減小主噴油量，直到輸出扭矩等于后噴油量為0時的輸出扭矩時記錄減小的主噴油量值，該油量即為當前后噴正時下后噴油量對主噴油量的修正量。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為后噴正時對MBT點的推后角度與后噴比油量關系的散點圖。

由圖6可看出，相同扭矩點的比油量基本在1條曲線上，與后噴正時對MBT點推后的角度關系密切，與發動機轉速關系不大。因此，可以將相同指示扭矩點的數據求平均值，繪制不同扭矩下的后噴比油量修正曲線，如圖7所示。

由圖7可看出，在MBT點時，后噴比油量只能為1；當后噴正時在MBT點后100°時，實際上此時基本處于發動機排氣沖程，噴入的油量基本都隨排氣進入后處理系統，可認為此時的后噴油量不產生扭矩，后噴比油量可近似等于0。同時可看出，指示扭矩越大，對應的曲線越靠上，這是因為，大扭矩點對應的主噴正時更靠前，對應的MBT點也越靠前，基于MBT點的后推正時距上止點的實際角度也越靠前，對扭矩的修正作用也明顯。

5 臺架試驗驗證

將上述試驗結果進行整合、優化，繪制成相應的曲線和map圖，并在發動機臺架上進行工況點掃點，在每個工況點下關閉及激活再生，記錄輸出扭矩的偏差值，將掃點結果與未進行數據調整的掃點結果進行對比，如圖8所示。

由圖8a可看出，數據調整后，輸出扭矩偏差基本都在-10～10 N·m范圍內，最大偏差僅為11 N·m；而數據調整前的輸出扭矩偏差在-20～20 N·m范圍內，最大偏差甚至達到了25 N·m。由8b可看出，數據調整后輸出扭矩偏差的平均值近似為0，偏差范圍更集中。同時在整車上進行了再生開啟和關閉的測試，通過駕駛員和工程師的主觀評價，車輛駕乘無明顯不適感。

6 結束語

通過對燃油缸內后噴助燃再生技術的試驗研究，找出了正時推后和燃油后噴對發動機輸出扭矩影響的變化規律，基于此規律的油量（扭矩）補償方案能夠將微粒捕集器再生導致的輸出扭矩波動范圍收窄在-10～10 N·m區間。經過整車試驗驗證表明，當車輛由正常駕駛工況進入再生工況及退出再生工況時，車輛駕乘

無明顯不適感。參考文獻

1 姜大海，寧智，姚廣濤，等.柴油機顆粒捕集器再生時機的研究，汽車工程，2012，34（2）.

2 郭鵬江,高希彥,王浩,等.柴油機EGR和微粒過濾器的試驗研究.現代車用動力,2008（2）:26～30.

3 王丹，劉忠長，王忠恕，等.柴油機微粒捕集器缸內次后噴主動再生方法.吉林大學學報（工學版），2012，3（42）：551～556.

4 資新運，郭猛超，張偉，等.采用燃燒器_氧化催化器的柴油機微粒捕集器復合再生控制策略的研究.汽車工程，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.

（責任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2015年10月24日。

4 測試結果分析

根據以上定義，對原車ESC系統進行了轉向盤轉角信號的實車故障注入測試，測試結合整車多種駕駛工況，結果如表4所列。

表4 整車故障注入測試案例及結果

由表4可知，原車ESC系統具備對轉向盤角度信號典型故障的監控能力，可以達到中等診斷覆蓋率水平，符合功能安全標準要求。同時，在測試過程中車輛其它系統未受故障注入測試的影響，這說明該測試方法和設備在不改變原車系統內部設置的情況下，可實現對系統的有效隔離和檢驗。

5 結束語

依據ISO26262《道路車輛功能安全》標準，開發了一種基于整車總線故障注入技術的電子電氣系統故障注入測試方法。測試結果表明，該故障注入測試方法可在不改變原車待測ESC系統內部設置的情況下，對系統進行有效隔離和測試，實現了對真實產品的功能安全驗證和評估，特別適用于整車企業對車輛系統的獨立功能安全檢驗。

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

2 楊國青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標準的汽車電子系統測試方法（上）.電子產品世界,2013（4）:31～34.

3 楊國青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標準的汽車電子系統測試方法（中）.電子產品世界,2013（5）:33～34.

4 楊國青,厲蔣.基于ISO 26262功能安全標準的汽車電子系統測試方法（下）.電子產品世界,2013（6）:39～44.

5 鄔肖鵬,劉飛，等.ISO26262標準下永磁同步電機故障對整車安全性的影響分析.汽車技術,2013（2）:13～18.

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

（責任編輯 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 微粒捕集器 再生技術 燃油缸內后噴 扭矩補償

U464.172

A

1000-3703（2015）12-0055-04