整車上的GPF標定

摘 要：標定車輛是為滿足國六B階段法規而開發的一款帶GPF的越野車，現介紹整車上GPF的標定內容，主要包括碳煙質量的標定，主動、被動、4S店再生的標定。碳煙質量的標定包括基于發動機原始排放模型和基于壓差傳感器模型的碳煙質量標定，標定車輛的兩種碳煙質量模型的偏差都小于30%，滿足標定要求。標定車輛的被動再生實現了GPF的安全可控;主動再生僅在必要時發生，且給被動再生提供了充分的溫度條件;4S店再生時，GPF溫度、發動機水溫都在允許范圍內，且碳煙能消除干凈，滿足標定要求。

關鍵詞：GPF;碳煙質量;再生

0? ? 引言

缸內直噴汽油發動機（GDI）面臨顆粒物的排放特別是顆粒數量（PN）的增加問題。據統計，2017年全國機動車顆粒物排放總量達到50.9萬t，汽油車排放在顆粒物中貢獻比例接近10%，已成為大氣污染的重要源頭之一。所以，解決汽油車污染物排放尤其是GDI汽油車顆粒物排放問題已迫在眉睫。

2016年底發布的中國六階段輕型汽車污染物排放限值和測量方法，對顆粒排放物提出了實際行駛工況排放要求，且國六B階段車輛耐久里程從160 000 km提高到200 000 km。綜合考慮以上因素，依靠傳統的機內凈化和三元催化轉化技術已不能滿足未來更加嚴格的排放法規要求，尤其是顆粒物（PM與PN）的排放限值要求，而搭載汽油機顆粒捕集器（簡稱GPF）被認為是有效降低GDI發動機顆粒物排放的一種技術手段。

標定車輛是為滿足國六B而開發的一款帶GPF的車輛，因此需要在整車上對GPF的匹配進行標定，包括碳煙質量的標定，被動、主動及4S店再生的標定。

1? ? 試驗車輛與方法

1.1? ? 試驗車輛

車輛是一款緊湊型越野車，配置1.3 L增壓、缸內直噴的四缸汽油發動機，搭載緊耦合式帶涂層的GPF，容積是1.39 L，GPF內部最高溫不允許超過850 ℃，使用雙離合變速箱。

整車標定開始前，需將GPF從車上拆下來，安裝熱偶，具體位置如圖1所示。

1.2? ? 碳煙質量試驗方法

標定碳煙質量時，需要對GPF累碳前、后的質量進行稱重，以便驗證模型質量與實際質量的偏差。稱重使用的電子秤如圖2所示，精度是0.1 g。

稱重步驟如圖3所示，累積的碳煙質量為（m1-m0）-（m2-m0），其中，累積的灰分質量為m2-m0。

軟件中碳煙質量計算邏輯包括兩部分：使用壓差傳感器或使用發動機原始排放進行計算。當排氣量較小或環境溫度太低時，使用發動機原始排放邏輯來計算碳煙質量。當排氣流量大于一定值且滿足穩定條件時，使用壓差傳感器測量值來計算碳煙質量。

發動機原始排放產生的碳煙質量模型主要在發動機臺架上完成，整車上選取幾個不同的碳煙質量點（1 g、2 g、3 g）進行驗證。考慮到真實客戶用車環境下，車輛低溫冷啟動和低速行駛可產生相對較多的碳煙，因此試驗借助低溫冷庫進行。將車輛浸置在冷庫中，使其凍至不同的溫度（-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃），然后進行啟動和低速行駛測試，試驗計劃如表1所示。

壓差傳感器的碳煙質量模型主要在臺架上完成，整車上選取幾個不同的碳煙質量點（2 g、4 g、6 g）進行標定和驗證。正常工況下，整車實際碳煙累積速度較慢，為提高標定效率，采用人為加濃空燃比和禁止發動機斷油的方式來快速累積碳煙。將空燃比加濃至0.8，駕駛車輛在4個固定車速120 km/h、90 km/h、60 km/h、30 km/h分別運行約0.5 h或1 h或1.5 h，并實時在線監測ECU的碳煙質量預估值，當其大概等于測試值（2 g、4 g、6 g）時，逐漸減速至停止，拆下GPF稱重。稱重結束后，將GPF裝回車子，然后使用正常空燃比和斷油控制的標定，駕駛車子進行再生，完全再生后，重新拆下GPF，進行稱重。

1.3? ? 被動再生試驗方法

被動再生是利用車輛進入斷油工況時，發動機缸內未參與燃燒的多余氧氣在GPF里燃燒，降低碳煙質量，最終達到消除碳煙的目的。碳煙和氧氣在GPF里燃燒是放熱反應，GPF內部溫度快速升高，如果標定不合理，極易導致GPF超過最高耐受溫度而損壞。因此，被動再生的最終標定目標是確保GPF在不超溫的情況下進行安全可控的再生。

當碳煙質量與再生前的GPF溫度都很低時，再生是安全的，此時對發動機斷油沒有限制。當碳煙質量很大且再生前的GPF溫度超過850 ℃時，進入再生，GPF很容易燒壞，所以此時必須禁止斷油。當碳煙質量和再生前的GPF溫度都不是很高時，可以允許一定時間的斷油;當GPF溫度超過850 ℃時，應當立即停止斷油;當GPF溫度下降到820 ℃時，又可以允許一定時間的斷油。因此，整車GPF被動再生，就是對不同碳煙質量和不同GPF溫度情況下的最大允許斷油時間以及兩次斷油之間的時間間隔進行優化和驗證。

被動再生試驗前，GPF中累積一定量的碳煙，找一段空曠的馬路，加速車輛使GPF內溫度超過550 ℃，然后松開油門，使車輛進入減速斷油工況，觸發被動再生，采集數據進行標定分析。

1.4? ? 主動再生試驗方法

當GPF中的碳煙質量超過3.5 g/L，進行主動再生，即給GPF加熱，此時并沒有真正地再生，只是給后續可能的再生提供充分的溫度條件。為滿足國六B的NOx排放要求，主動再生時的過量空氣系數保持在理論空燃比不變，通過增加儲備扭矩、推遲點火角的方式來加熱GPF，使其能夠達到再生時的溫度，這樣當車輛進入斷油工況時，就會進行被動再生。

在不明顯影響駕駛性的情況下，對比不同儲備扭矩時的GPF內部溫度變化，并監測失火發生率小于失火報故障率（4%），同時監測排氣溫度模型值與實際值，從而找到GPF加熱的最佳儲備扭矩。

當碳煙質量為0 g且環境溫度足夠低時，主動再生時的GPF內部溫度最低，可將此視為主動再生的最惡劣工況，文中測試了此工況的主動再生。

1.5? ? 4S店再生試驗方法

當GPF中的碳煙質量超過5 g/L時，車輛儀表盤上的GPF強制再生燈會點亮，駕駛員需要把車開到4S店進行強制再生，簡稱“4S店再生”。

強制再生時，使用原地高怠速模式，以提供足夠的排氣流量，同時將Lambda控制到偏稀狀態，保留一定的儲備扭矩，推遲點火角將GPF加熱到再生溫度以上。

再生時，有一些條件會觸發再生的結束，譬如壓差傳感器數值低于標定限值，或碳煙質量低于標定限值，或再生時間超出標定限值。標定過程中，需要判斷以上限值是否合理并進行修改和驗證。為保護催化器，標定失火發生率高于一定值時，中斷再生。當發動機水溫高于一定值時，需優化PWM冷卻風扇工作特性，以防水溫太高損壞發動機。文中測試了碳煙質量為5 g時的4S店再生。

2? ? 標定結果及討論

2.1? ? 碳煙質量的標定

2.1.1? ? 基于發動機原始排放模型的碳煙質量標定

表2是基于發動機原始排放模型的碳煙質量實際稱重值與ECU預估值的對比，從表中可以看出，ECU預估值略大于實際稱重值，且當碳煙質量小于1 g時，偏差小于50%;當碳煙質量大于1 g時，偏差小于30%，滿足標定要求。

2.1.2? ? 基于壓差傳感器模型的碳煙質量標定

表3是基于壓差傳感器模型的碳煙質量實際稱重值與ECU預估值的對比，從表中可以看出，兩者偏差小于10%，遠低于30%的標定偏差要求。

2.2? ? GPF再生的標定

2.2.1? ? 被動再生的標定

圖4是碳煙質量為1.8 g時的被動再生控制。

從圖中可以看出，當GPF溫度上升到550 ℃后，在車輛進入減速斷油工況后，GPF發生被動再生，GPF內部溫度上升，此時的被動再生時間受最大允許斷油時間限制，當斷油時間達到最大允許斷油時間后，斷油停止;當車輛運行時間超過標定的斷油時間間隔且發動機又進入減速工況時，斷油再次觸發，車輛實現了安全可控的被動再生，達到標定要求。

2.2.2? ? 主動再生的標定

試驗前，實際碳煙質量在0 g左右，為觸發主動再生，將碳煙質量設為4.5 g。從圖5可以看出，主動再生時，發動機預留一定的儲備扭矩，點火角推遲，失火率低于失火報故障率4%;隨著主動再生的進行，GPF內部溫度快速上升高于650 ℃，當車輛進入斷油工況時，被動再生如期發生，碳煙質量快速降至0 g，主動再生結束。

整個主動再生過程對駕駛性沒有明顯影響，且達到GPF加熱要求，滿足失火率要求，達到標定目標。

2.2.3? ? 4S店再生的標定

圖6是4S店再生時的控制，從圖中可以看出，再生時發動機轉速增加至3 000 r/min，同時儲備扭矩也增加至17 Nm，隨著GPF溫度的提高，儲備扭矩逐漸下降至8.3 Nm，再生時的GPF溫度維持在650 ℃以上直到再生結束。整個再生過程的最高水溫不超過107 ℃，且碳煙清除干凈，符合標定要求。

3? ? 結論

（1）標定車輛的發動機原始排放模型和壓差傳感器模型計算出的碳煙質量，與實際稱重值的偏差都小于30%，滿足標定要求。

（2）被動再生實現了GPF在不超溫的情況下進行安全可控的再生;主動再生僅在必要時發生，且給被動再生提供了充分的溫度條件;4S店再生時，GPF溫度、發動機水溫都在控制范圍內，且碳煙清除干凈，滿足標定要求。

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國環境保護部.中國機動車環境管理年報（2017）[A]，2017.

[2] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6—2016[S].

收稿日期：2020-03-30

作者簡介：楊繼蕊（1982—），女，山東青島人，碩士研究生，工程師，研究方向：汽車電控。