碳罐沖洗控制參數對整車振動的影響

劉子強

聯合汽車電子有限公司 上海市 200120

1 引言

國六法規《輕型汽車污染物排放限值及測量方法-中國第六階段》新增了對蒸發系統的診斷要求，OBD系統應監測蒸發系統的脫附流量，以及監測除炭罐閥與進氣歧管之間的管路和接頭之外的整個蒸發系統的完整性，防止燃油蒸氣泄漏到大氣中。隨著排放物限值要求的提高，為了滿足國六蒸發排放要求，必需增大炭罐脫附量，則炭罐電磁閥在怠速工況需要長時間開啟，此時帶來了新的噪聲振動以及舒適性（NVH）問題。

本文以某整車廠市場上某款車輛振動噪音投訴出發，針對投訴車輛進行實車調查，找到振動真正原因，并且通過更改炭罐閥控制頻率來避開的共振區間作為改進措施，為整車廠的國六項目順利開展提供有利的保障及支持。

2 蒸發系統基本原理

根據法規的要求，蒸發系統如圖1所示，以炭罐電磁閥為界，其左側為泄露診斷部分，右側的沖洗管路（不包括發動機進氣系統管路）為脫附流量診斷部分。對于脫附流量診斷，如果脫附管路發生斷裂或堵塞，將導致系統不能進行炭罐脫附，油氣將在炭罐內不斷累積，最終擊穿炭罐泄露至大氣造成污染，此時應檢測出脫附流量故障。

圖1 蒸發系統示意圖

炭罐電磁閥通過電脈沖寬度的調制來控制炭罐發揮凈化作用，即活性炭罐貯存來自油箱和燃料系統的燃油蒸氣，并用電磁閥來控制清污工作。來自炭罐的熱燃油蒸汽不應該而且一定不可以直接泄露到空氣中，燃油蒸汽在炭罐系統中被吸附到活性炭過濾裝置中。為了防止活性碳過溢，它會間斷性的用新鮮空氣沖洗（脫附）。當條件合適時，發動機控制單元（ECU）會控制炭罐電磁閥打開，燃油蒸氣脫附，從炭罐經電磁閥進入發動機燃燒。因為這種方法會多供給一部分燃油，因此必須修正噴油時長，使混合氣保持在lambda=1并且空燃比閉環恢復正常。為了精確修正，需要在每個工況點都能夠及時獲取沖洗流量和HC濃度。HC濃度會根據閉環控制偏差調整。

3 問題分析及解決

某整車廠市場上某款車輛，熱機怠速時，偶發地板及座椅傳遞過來一種不規則的抖動，嚴重影響乘員舒適性。當前該整車廠正處在走高階段，對整車舒適性及NVH要求非常嚴格。

對于投訴車偶發整車怠速抖動引起客戶抱怨這類投訴。現場調查時，首先考慮是否是由發動機怠速不穩引起的抖動，測試了怠速時的發動機各參數表現如圖2。

從圖2的測試結果看，該抖動發生在碳罐沖洗工況，碳罐閥停止工作時，抖動也相應消失。

圖2 怠速時各參數表現

對于發動機轉速波動幅度及點火角跳動均在合理的范圍之內，嘗試調整抖動階段怠速控制的相應參數，對抖動沒有改善。上述排除了發動機怠速過程噴油、進氣、點火等控制參數對抖動的影響，依據過往的經驗，不正常的抖動，可能來自動力總成的共振。

對該車實際測試噪音進行頻譜分析，發現抖動頻率在11.8Hz附近。整車振動頻譜結果見圖3。

圖3 投訴車整車振動頻譜

從整車在11.8Hz附近振動突出的測試結果出發，排查相關零件可能的模態及振動激勵源調查，結論如下：動力總成在整車姿態的一階模態為11.8Hz；發動機熱機怠速轉速為710rpm，即轉速頻率為710/60=11.8Hz；碳罐沖洗周期為60-105ms，而怠速工況根據計算更多停留在87ms，即沖洗頻率為1/0.087=11.8Hz。因此鎖定和11.8Hz相關的發動機怠速轉速頻率、碳罐怠速沖洗頻率與動力總成的一階固有頻率發生耦合共振，是車輛發生不規則抖動導致投訴的根本原因。對于上述三個相關因素進行排查分析。

更換故障車輛懸置，改變動力總成剛體的一階模態，進行整車振動頻譜對比，如圖4。

圖4 改變動力總成剛體整車振動頻譜

提高怠速轉速，改變發動機怠速轉速頻率，進行整車振動頻譜對比，如圖5。

圖5 改變發動機怠速轉速頻率整車振動頻譜

通過頻譜結果來看，更換全車懸置、提高怠速轉速都可以避免在11.8Hz頻率發生耦合共振，從而改善抖動。但是更換全車懸置會相應增加維修費用、提高怠速轉速會增加整車油耗，不能作為可行性的改進投訴的措施。下面重點介紹一下從炭罐閥沖洗開度及頻率方向，嘗試更改炭罐閥控制參數。

4 炭罐電磁閥控制參數調整

炭罐控制閥是一個普通的電磁閥，電信號的高低位控制閥體的開啟關閉，因此整個開度控制是一個占空比控制，可用占空比大小表示控制閥開度的大小，而控制頻率決定了占空比的控制周期。

炭罐控制目的將燃油系統蒸發的燃油利用活性炭收集起來，重新送入進氣管，以減少蒸發物的排放，達到法規要求。炭罐控制對高溫環境下的怠速性能，駕駛性能等影響重大。一方面炭罐沖洗不足會造成燃油蒸發排放加劇，炭罐沖洗過大會對空燃比控制造成影響，因此，選擇合適的炭罐沖洗占空比，是炭罐控制的重點，為了解決碳罐沖洗帶來的共振問題，首先嘗試減小怠速時的炭罐閥開度。

炭罐閥開度決定著空燃比穩定。空燃比沖擊大的話（一般碳罐閥剛打開會偏濃），會造成轉速不穩，加速無力甚至是熄火。因此在低速低負荷區采取小開度限制，在對空燃比沖擊較大的情況下“慢開”甚至是“快關”。而反之如果沖洗不夠而造成碳罐高負荷的話，則會增加蒸發物排放，甚至在車里能聞到汽油味（一般出現在夏季高溫時節）。所以在安全的條件和工況下應盡可能開大以增大沖洗氣流量，而且要“快開”，從而更快地減少碳罐中油氣的含量，達到減少蒸發物排放的目的。

圖6和圖7分別為減小炭罐閥開度對怠速影響的發動機電噴控制系統（EMS）參數測試表現和整車抖動頻域測試表現。從圖中可以看到炭罐閥開度從15-＞7-＞2.2逐漸減小的過程中從EMS參數的表現來看怠速抖動問題并無太大改善，從頻域測試結果看隨著開度的減小，抖動強度有所改善，但問題依然存在。另外，考慮到炭罐沖洗需求，也不能把怠速時的開度調得太小。因此從炭罐閥開度這方面無法解決該問題。

圖6 減小炭罐閥開度怠速各參數表現

圖7 減小炭罐閥開度對怠速抖動的影響

基于炭罐沖洗HC含量的波動和控制延遲時間的影響，炭罐控制閥控制頻率的設置選取一個最佳的平衡，盡量使每周期HC含量平均，減小沖洗的波動，同時減少延遲時間對閥控制的影響。通常在炭罐控制閥小開度，發動機低轉速工況下，控制頻率為10Hz左右，這樣可使沖洗氣流平穩，每個周期沖洗的HC含量均勻，同時保證控制閥延遲時間偏移對控制閥開度控制的影響較小。在較高轉速，占空比為30%～70%工況下，控制閥在30Hz左右的控制頻率下工作，這樣可使沖洗氣流時間上均勻分配，較小HC波動的沖擊。

對EMS發動機控制單元里軟件數據進行調整，更改炭罐閥控制頻率12.5Hz、14.3Hz和16.7Hz，均對共振有一定降低左右，但綜合考慮碳罐閥控制頻率對炭罐里油氣在怠速階段的沖洗效果，最終確定炭罐閥控制頻率即炭罐沖洗頻率12.5Hz，更改炭罐閥控制頻率整車振動頻譜見圖8。

圖8 更改炭罐閥控制頻率整車振動頻譜

5 結語

通過對投訴車輛進行調查，找到發生不規則抖動真正原因來自發動機怠速轉速頻率、碳罐怠速沖洗頻率與動力總成的一階固有頻率發生耦合共振。綜合評估車輛維修費用、油耗及碳罐沖洗，通過優化EMS發動機控制單元里軟件數據進行調整，更改炭罐閥控制頻率12.5Hz來避開共振區間，最終解決終端客戶的抱怨，避免投訴的同時，也為整車廠的國六項目順利開展提供保障及支持。