柴油机微粒捕集器再生扭矩补偿

侯亮 马燕 刘力臣 王志新 王亮

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

柴油机微粒捕集器再生扭矩补偿

侯亮 马燕 刘力臣 王志新 王亮

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心）

介绍了柴油机微粒捕集器（DPF）再生机理，并以GW4D20欧Ⅴ2.0 L直列四缸高压共轨电控柴油机为例，对燃油缸内后喷（LPI）助燃再生技术进行了研究。通过分析归纳正时推后和加后喷油量对发动机输出扭矩影响的变化规律，提出在微粒捕集器再生时的油量（扭矩）补偿方案，以消除或减轻对整车动力输出的顿挫不适感。试验结果表明，再生时进行油量补偿后，发动机扭矩输出波动范围收窄在（-10，10）N·m区间，车辆驾乘无明显不适感。

1 前言

虽然柴油机热效率高，比汽油机节油约20%～30%，但因其颗粒物（PM）排放污染而影响了柴油机乘用化及大范围推广使用。微粒捕集器（DPF）是目前公认的降低PM值的有效手段之一，其净化效率可达90%以上[1]。过滤体的再生是DPF实用化的关键技术[2]，但当采用缸内后喷技术实现DPF再生时，由于燃烧参数的变化，发动机的扭矩也会变化[3]，尤其是在非再生与再生切换时扭矩变化最明显，扭矩突变将直接导致整车驾驶时有顿挫感，严重影响驾乘感受。

为此，本文以GW4D20欧Ⅴ2.0L直列四缸柴油高压共轨电控发动机为例，对燃油缸内后喷再生技术进行研究，拟通过扭矩补偿来改善因DPF再生状态变化引起的发动机输出扭矩突变问题，提高驾驶舒适性。

2 燃油缸内后喷技术介绍

燃油缸内后喷助燃再生是DPF主动再生方法之一，与燃烧器喷油助燃再生[4]和DOC上游排气管内二次燃油喷射（SFI）再生[5]相比，燃油缸内后喷助燃再生技术不需要采用任何额外的喷射设备，仅利用自身的高压共轨燃油喷射系统，在需要再生时改变燃烧参数，增加后喷油量喷射即可实现DPF再生。

DPF再生的实质是提高排气温度并使之达到碳颗粒的起燃温度，虽然推后主喷正时和增加后喷油量都可提高排气温度，但推后正时会导致发动机扭矩的变化，如图1所示，输出扭矩随喷油正时的加大呈现先增大后减小的类抛物线形状；而对于一些大负荷点，由于受到发动机最大缸内爆发压力的限制，喷油正时不能继续加大。最大输出扭矩对应的喷油正时称为最佳喷油正时

（Mean Brake Torque，MBT）。

图2为不同后喷油量在不同的后喷角度时对输出扭矩的影响，由图2可看出，随后喷油量的增加，发动机输出扭矩逐渐增大；相同的后喷油量，越靠近主喷对扭矩影响越大。

3 正时推后对扭矩的补偿

由前述可知，当发动机转速、喷油量、增压压力、EGR率、油轨轨压等燃烧参数一定时，喷油正时在MBT点时发动机的输出扭矩最大，即保证上述燃烧参数一定，维持相同的发动机输出扭矩，喷油正时在MBT点的喷油量是最少的。正时的推后可认为是相对MBT点的推后，相应的，扭矩（油量）的补偿可认为是对MBT点进行喷油量补偿。因此，首先要找到各工况下的MBT点。

3.1 确定MBT点

首先关闭EGR，以防止因循环废气变化引起新鲜空气的变化，从而影响扭矩。通过标定软件控制发动机转速和指示扭矩（喷油量）的方式指定工况，在保证其它燃烧参数不变和发动机各项限值不超标的前提下对喷油正时进行扫点，当输出扭矩最大时记录对应的正时，即为该工况的MBT值。对采集的数据进行处理，得到如图3所示的MBT扫点结果。

3.2 基于MBT的主喷油量补偿

找到各工况的MBT点后，任意选取几个工况，通过推正时使主喷正时距对应工况的MBT的步长依次增加，同时调整主喷油量使输出扭矩等于MBT点的输出扭矩，则调整后的主喷油量即是主喷正时基于当前工况下的MBT点的主喷油量补偿。为便于比较，将调整后的主喷油量与MBT点的喷油量做比值，称为主喷比油量，则绘制的主喷比油量补偿散点图如图4所示。

由图4可看出，主喷比油量基本在1条曲线上，只与主喷正时对MBT点的推后角度有关，而与选取的工况点关系不大，因此可以将图4整合为一条曲线，得到主喷比油量补偿曲线如图5所示。

根据图3和图5就可以对再生时由于主喷正时推后导致的扭矩减小进行相应的油量补偿，以保证再生时的发动机性能。

4 燃油后喷对扭矩的补偿

当采用燃油缸内后喷的方式进行DPF再生时，对扭矩的影响程度由喷入的燃油质量和喷入时刻决定。喷入燃油相当于增加了气缸内的燃油总量，导致输出扭矩变大，为了维持发动机输出扭矩不变，需要将主喷油量适当减少，同时因相同的喷油量在不同的喷油时刻所产生的扭矩不同（图2），所以在考虑燃油后喷的影响时，首先要将后喷油量折算为主喷角度下产生相同扭矩的油量，然后在主喷油量基础上减去该折算油量以维持输

出扭矩不变。工况点的主喷正时可以根据实际需要进行调整，而MBT点是固定的，因此可根据图5的主喷油量补偿曲线来折算油量。

为了找出燃油后喷与扭矩补偿的关系，针对部分工况点进行了试验。选取转速分别为1 000 r/min、2 000 r/min和3 500 r/min，每个转速对应的指示扭矩分别为80 N·m、60 N·m和40 N·m，在发动机台架上运行上述工况，并通过标定软件使发动机进入再生模式。首先将后喷油量标为0，记录此时的输出扭矩值；然后标定后喷油量为3 mg/冲程，以当前工况点的MBT点为0点，分别后推0°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°作为不同的后喷正时；在每个后喷正时下减小主喷油量，直到输出扭矩等于后喷油量为0时的输出扭矩时记录减小的主喷油量值，该油量即为当前后喷正时下后喷油量对主喷油量的修正量。为便于比较，将该修正量与后喷油量做比值，命名为后喷比油量。图6为后喷正时对MBT点的推后角度与后喷比油量关系的散点图。

由图6可看出，相同扭矩点的比油量基本在1条曲线上，与后喷正时对MBT点推后的角度关系密切，与发动机转速关系不大。因此，可以将相同指示扭矩点的数据求平均值，绘制不同扭矩下的后喷比油量修正曲线，如图7所示。

由图7可看出，在MBT点时，后喷比油量只能为1；当后喷正时在MBT点后100°时，实际上此时基本处于发动机排气冲程，喷入的油量基本都随排气进入后处理系统，可认为此时的后喷油量不产生扭矩，后喷比油量可近似等于0。同时可看出，指示扭矩越大，对应的曲线越靠上，这是因为，大扭矩点对应的主喷正时更靠前，对应的MBT点也越靠前，基于MBT点的后推正时距上止点的实际角度也越靠前，对扭矩的修正作用也明显。

5 台架试验验证

将上述试验结果进行整合、优化，绘制成相应的曲线和map图，并在发动机台架上进行工况点扫点，在每个工况点下关闭及激活再生，记录输出扭矩的偏差值，将扫点结果与未进行数据调整的扫点结果进行对比，如图8所示。

由图8a可看出，数据调整后，输出扭矩偏差基本都在-10～10 N·m范围内，最大偏差仅为11 N·m；而数据调整前的输出扭矩偏差在-20～20 N·m范围内，最大偏差甚至达到了25 N·m。由8b可看出，数据调整后输出扭矩偏差的平均值近似为0，偏差范围更集中。同时在整车上进行了再生开启和关闭的测试，通过驾驶员和工程师的主观评价，车辆驾乘无明显不适感。

6 结束语

通过对燃油缸内后喷助燃再生技术的试验研究，找出了正时推后和燃油后喷对发动机输出扭矩影响的变化规律，基于此规律的油量（扭矩）补偿方案能够将微粒捕集器再生导致的输出扭矩波动范围收窄在-10～10 N·m区间。经过整车试验验证表明，当车辆由正常驾驶工况进入再生工况及退出再生工况时，车辆驾乘

无明显不适感。参考文献

1 姜大海，宁智，姚广涛，等.柴油机颗粒捕集器再生时机的研究，汽车工程，2012，34（2）.

2 郭鹏江,高希彦,王浩,等.柴油机EGR和微粒过滤器的试验研究.现代车用动力,2008（2）:26～30.

3 王丹，刘忠长，王忠恕，等.柴油机微粒捕集器缸内次后喷主动再生方法.吉林大学学报（工学版），2012，3（42）：551～556.

4 资新运，郭猛超，张伟，等.采用燃烧器_氧化催化器的柴油机微粒捕集器复合再生控制策略的研究.汽车工程，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.

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为2015年10月24日。

4 测试结果分析

根据以上定义，对原车ESC系统进行了转向盘转角信号的实车故障注入测试，测试结合整车多种驾驶工况，结果如表4所列。

表4 整车故障注入测试案例及结果

由表4可知，原车ESC系统具备对转向盘角度信号典型故障的监控能力，可以达到中等诊断覆盖率水平，符合功能安全标准要求。同时，在测试过程中车辆其它系统未受故障注入测试的影响，这说明该测试方法和设备在不改变原车系统内部设置的情况下，可实现对系统的有效隔离和检验。

5 结束语

依据ISO26262《道路车辆功能安全》标准，开发了一种基于整车总线故障注入技术的电子电气系统故障注入测试方法。测试结果表明，该故障注入测试方法可在不改变原车待测ESC系统内部设置的情况下，对系统进行有效隔离和测试，实现了对真实产品的功能安全验证和评估，特别适用于整车企业对车辆系统的独立功能安全检验。

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

2 杨国青,厉蒋.基于ISO 26262功能安全标准的汽车电子系统测试方法（上）.电子产品世界,2013（4）:31～34.

3 杨国青,厉蒋.基于ISO 26262功能安全标准的汽车电子系统测试方法（中）.电子产品世界,2013（5）:33～34.

4 杨国青,厉蒋.基于ISO 26262功能安全标准的汽车电子系统测试方法（下）.电子产品世界,2013（6）:39～44.

5 邬肖鹏,刘飞，等.ISO26262标准下永磁同步电机故障对整车安全性的影响分析.汽车技术,2013（2）:13～18.

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

（责任编辑 文 楫）

修改稿收到日期为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

柴油机 微粒捕集器 再生技术 燃油缸内后喷 扭矩补偿

U464.172

A

1000-3703（2015）12-0055-04