整车上的GPF标定

摘 要：标定车辆是为满足国六B阶段法规而开发的一款带GPF的越野车，现介绍整车上GPF的标定内容，主要包括碳烟质量的标定，主动、被动、4S店再生的标定。碳烟质量的标定包括基于发动机原始排放模型和基于压差传感器模型的碳烟质量标定，标定车辆的两种碳烟质量模型的偏差都小于30%，满足标定要求。标定车辆的被动再生实现了GPF的安全可控;主动再生仅在必要时发生，且给被动再生提供了充分的温度条件;4S店再生时，GPF温度、发动机水温都在允许范围内，且碳烟能消除干净，满足标定要求。

关键词：GPF;碳烟质量;再生

0    引言

缸内直喷汽油发动机（GDI）面临颗粒物的排放特别是颗粒数量（PN）的增加问题。据统计，2017年全国机动车颗粒物排放总量达到50.9万t，汽油车排放在颗粒物中贡献比例接近10%，已成为大气污染的重要源头之一。所以，解决汽油车污染物排放尤其是GDI汽油车颗粒物排放问题已迫在眉睫。

2016年底发布的中国六阶段轻型汽车污染物排放限值和测量方法，对颗粒排放物提出了实际行驶工况排放要求，且国六B阶段车辆耐久里程从160 000 km提高到200 000 km。综合考虑以上因素，依靠传统的机内净化和三元催化转化技术已不能满足未来更加严格的排放法规要求，尤其是颗粒物（PM与PN）的排放限值要求，而搭载汽油机颗粒捕集器（简称GPF）被认为是有效降低GDI发动机颗粒物排放的一种技术手段。

标定车辆是为满足国六B而开发的一款带GPF的车辆，因此需要在整车上对GPF的匹配进行标定，包括碳烟质量的标定，被动、主动及4S店再生的标定。

1    试验车辆与方法

1.1    试验车辆

车辆是一款紧凑型越野车，配置1.3 L增压、缸内直喷的四缸汽油发动机，搭载紧耦合式带涂层的GPF，容积是1.39 L，GPF内部最高温不允许超过850 ℃，使用双离合变速箱。

整车标定开始前，需将GPF从车上拆下来，安装热偶，具体位置如图1所示。

1.2    碳烟质量试验方法

标定碳烟质量时，需要对GPF累碳前、后的质量进行称重，以便验证模型质量与实际质量的偏差。称重使用的电子秤如图2所示，精度是0.1 g。

称重步骤如图3所示，累积的碳烟质量为（m1-m0）-（m2-m0），其中，累积的灰分质量为m2-m0。

软件中碳烟质量计算逻辑包括两部分：使用压差传感器或使用发动机原始排放进行计算。当排气量较小或环境温度太低时，使用发动机原始排放逻辑来计算碳烟质量。当排气流量大于一定值且满足稳定条件时，使用压差传感器测量值来计算碳烟质量。

发动机原始排放产生的碳烟质量模型主要在发动机台架上完成，整车上选取几个不同的碳烟质量点（1 g、2 g、3 g）进行验证。考虑到真实客户用车环境下，车辆低温冷启动和低速行驶可产生相对较多的碳烟，因此试验借助低温冷库进行。将车辆浸置在冷库中，使其冻至不同的温度（-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃），然后进行启动和低速行驶测试，试验计划如表1所示。

压差传感器的碳烟质量模型主要在台架上完成，整车上选取几个不同的碳烟质量点（2 g、4 g、6 g）进行标定和验证。正常工况下，整车实际碳烟累积速度较慢，为提高标定效率，采用人为加浓空燃比和禁止发动机断油的方式来快速累积碳烟。将空燃比加浓至0.8，驾驶车辆在4个固定车速120 km/h、90 km/h、60 km/h、30 km/h分别运行约0.5 h或1 h或1.5 h，并实时在线监测ECU的碳烟质量预估值，当其大概等于测试值（2 g、4 g、6 g）时，逐渐减速至停止，拆下GPF称重。称重结束后，将GPF装回车子，然后使用正常空燃比和断油控制的标定，驾驶车子进行再生，完全再生后，重新拆下GPF，进行称重。

1.3    被动再生试验方法

被动再生是利用车辆进入断油工况时，发动机缸内未参与燃烧的多余氧气在GPF里燃烧，降低碳烟质量，最终达到消除碳烟的目的。碳烟和氧气在GPF里燃烧是放热反应，GPF内部温度快速升高，如果标定不合理，极易导致GPF超过最高耐受温度而损坏。因此，被动再生的最终标定目标是确保GPF在不超温的情况下进行安全可控的再生。

当碳烟质量与再生前的GPF温度都很低时，再生是安全的，此时对发动机断油没有限制。当碳烟质量很大且再生前的GPF温度超过850 ℃时，进入再生，GPF很容易烧坏，所以此时必须禁止断油。当碳烟质量和再生前的GPF温度都不是很高时，可以允许一定时间的断油;当GPF温度超过850 ℃时，应当立即停止斷油;当GPF温度下降到820 ℃时，又可以允许一定时间的断油。因此，整车GPF被动再生，就是对不同碳烟质量和不同GPF温度情况下的最大允许断油时间以及两次断油之间的时间间隔进行优化和验证。

被动再生试验前，GPF中累积一定量的碳烟，找一段空旷的马路，加速车辆使GPF内温度超过550 ℃，然后松开油门，使车辆进入减速断油工况，触发被动再生，采集数据进行标定分析。

1.4    主动再生试验方法

当GPF中的碳烟质量超过3.5 g/L，进行主动再生，即给GPF加热，此时并没有真正地再生，只是给后续可能的再生提供充分的温度条件。为满足国六B的NOx排放要求，主动再生时的过量空气系数保持在理论空燃比不变，通过增加储备扭矩、推迟点火角的方式来加热GPF，使其能够达到再生时的温度，这样当车辆进入断油工况时，就会进行被动再生。

在不明显影响驾驶性的情况下，对比不同储备扭矩时的GPF内部温度变化，并监测失火发生率小于失火报故障率（4%），同时监测排气温度模型值与实际值，从而找到GPF加热的最佳储备扭矩。

当碳烟质量为0 g且环境温度足够低时，主动再生时的GPF内部温度最低，可将此视为主动再生的最恶劣工况，文中测试了此工况的主动再生。

1.5    4S店再生试验方法

当GPF中的碳烟质量超过5 g/L时，车辆仪表盘上的GPF强制再生灯会点亮，驾驶员需要把车开到4S店进行强制再生，简称“4S店再生”。

强制再生时，使用原地高怠速模式，以提供足够的排气流量，同时将Lambda控制到偏稀状态，保留一定的储备扭矩，推迟点火角将GPF加热到再生温度以上。

再生时，有一些条件会触发再生的结束，譬如压差传感器数值低于标定限值，或碳烟质量低于标定限值，或再生時间超出标定限值。标定过程中，需要判断以上限值是否合理并进行修改和验证。为保护催化器，标定失火发生率高于一定值时，中断再生。当发动机水温高于一定值时，需优化PWM冷却风扇工作特性，以防水温太高损坏发动机。文中测试了碳烟质量为5 g时的4S店再生。

2    标定结果及讨论

2.1    碳烟质量的标定

2.1.1    基于发动机原始排放模型的碳烟质量标定

表2是基于发动机原始排放模型的碳烟质量实际称重值与ECU预估值的对比，从表中可以看出，ECU预估值略大于实际称重值，且当碳烟质量小于1 g时，偏差小于50%;当碳烟质量大于1 g时，偏差小于30%，满足标定要求。

2.1.2    基于压差传感器模型的碳烟质量标定

表3是基于压差传感器模型的碳烟质量实际称重值与ECU预估值的对比，从表中可以看出，两者偏差小于10%，远低于30%的标定偏差要求。

2.2    GPF再生的标定

2.2.1    被动再生的标定

图4是碳烟质量为1.8 g时的被动再生控制。

从图中可以看出，当GPF温度上升到550 ℃后，在车辆进入减速断油工况后，GPF发生被动再生，GPF内部温度上升，此时的被动再生时间受最大允许断油时间限制，当断油时间达到最大允许断油时间后，断油停止;当车辆运行时间超过标定的断油时间间隔且发动机又进入减速工况时，断油再次触发，车辆实现了安全可控的被动再生，达到标定要求。

2.2.2    主动再生的标定

试验前，实际碳烟质量在0 g左右，为触发主动再生，将碳烟质量设为4.5 g。从图5可以看出，主动再生时，发动机预留一定的储备扭矩，点火角推迟，失火率低于失火报故障率4%;随着主动再生的进行，GPF内部温度快速上升高于650 ℃，当车辆进入断油工况时，被动再生如期发生，碳烟质量快速降至0 g，主动再生结束。

整个主动再生过程对驾驶性没有明显影响，且达到GPF加热要求，满足失火率要求，达到标定目标。

2.2.3    4S店再生的标定

图6是4S店再生时的控制，从图中可以看出，再生时发动机转速增加至3 000 r/min，同时储备扭矩也增加至17 Nm，随着GPF温度的提高，储备扭矩逐渐下降至8.3 Nm，再生时的GPF温度维持在650 ℃以上直到再生结束。整个再生过程的最高水温不超过107 ℃，且碳烟清除干净，符合标定要求。

3    结论

（1）标定车辆的发动机原始排放模型和压差传感器模型计算出的碳烟质量，与实际称重值的偏差都小于30%，满足标定要求。

（2）被动再生实现了GPF在不超温的情况下进行安全可控的再生;主动再生仅在必要时发生，且给被动再生提供了充分的温度条件;4S店再生时，GPF温度、发动机水温都在控制范围内，且碳烟清除干净，满足标定要求。

[参考文献]

[1] 中华人民共和国环境保护部.中国机动车环境管理年报（2017）[A]，2017.

[2] 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB 18352.6—2016[S].

收稿日期：2020-03-30

作者简介：杨继蕊（1982—），女，山东青岛人，硕士研究生，工程师，研究方向：汽车电控。