基于GPF前后溫差的GPF載體缺失診斷方案

胡軍義，段偉

1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201210；2.安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 230071

0 引言

輕型汽車國六標準對燃油汽車顆粒物排放數量和質量提出了更嚴格的要求，其中，國六b階段規定的上限分別為6×1011個/km和3 mg/km[1]。輕型汽車普遍裝配汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)來滿足國六排放標準要求。國六排放標準在附錄J——車載診斷系統(on board diagnostics，OBD)中，要求對GPF的功能進行監測。在GPF功能失效導致尾氣中顆粒物超過OBD標準閾值或者導致其他OBD監控策略失效時，車載OBD系統應該檢測出相應的故障，包括GPF系統相關的各傳感器的線路、性能故障，以及GPF載體缺失等性能故障，檢測GPF載體缺失是其中一項重要的監測內容。

1 GPF載體缺失監控原理

GPF由幾百目的平行軸向蜂窩孔道構成，相鄰的蜂窩孔道兩端交替堵塞，這種結構使尾氣只能通過相鄰孔道的多孔性壁面才能排放到外界。GPF壁流式蜂窩陶瓷結構示意圖如圖1所示。GPF利用載體中前端進氣與后端排氣之間的相鄰壁面，對流過的發動機尾氣顆粒物進行吸附與捕集，降低汽車尾氣中顆粒物的數量與質量[2-3]。

圖1 壁流式蜂窩陶瓷結構

發動機尾氣經過GPF時，受到的阻力有3部分：1)進口與出口通道的沿程阻力，即順著管路流動時受到的壁面摩擦力；2)氣體經過進氣端和排氣端之間的壁面時，產生捕捉顆粒物的流動阻力；3)裝載GPF載體管道的進氣端和排氣端截面積變化帶來的壓力差阻力[4]。這些作用于尾氣的阻力和被GPF捕捉的顆粒物，導致發動機排氣在GPF載體前、后端的壓力和溫度發生變化[5]。

汽油機GPF技術來源于柴油機顆粒捕捉器(diesel particulate filter，DPF)的成熟應用，目前對于GPF載體缺失的監測策略，大部分廠家都是沿用已有的柴油機上的監測技術方案，核心思路是根據位于GPF前端進口與后端出口位置的排氣背壓差來判斷GPF載體是否缺失。但是發動機負荷較小時，正常的GPF前后端排氣背壓基本相同[6]，此時無法準確判斷載體缺失故障。本文中根據GPF前端與后端排氣溫度變化特性，設計一種基于GPF前、后端溫度差監測其載體是否缺失的故障監控策略，作為對基于前后端排氣背壓差的診斷策略的補充。

2 GPF載體缺失診斷方案

GPF載體功能正常時，氣體流經GPF載體需消耗能量克服內部阻力，導致GPF載體后端出口排氣溫度明顯低于前端入口處的排氣溫度；當GPF載體缺失時，由于GPF內部阻力變小，排氣能量損失變小，GPF載體前端入口與后端出口的排氣溫差變小[7-9]。據此，在GPF載體的前端入口和后端出口處各安裝一個溫度傳感器，根據前后位置的排氣溫差判斷GPF載體是否正常[10]。

2.1 診斷方案流程設計

監測載體是否缺失前，首先檢查前端和后端溫度傳感器的線路與信號是否正常；其次選擇合適的診斷使能窗口，保證載體診斷策略不會出現誤判故障或者監測不出故障；最后對前端與后端的溫度差進行數據處理，進行故障診斷。診斷方案流程如圖2所示。

圖2 載體缺失診斷流程圖

2.2 溫度傳感器信號檢查

GPF載體前端與后端溫度傳感器的信號檢查包括線路故障監測和信號偏移監測。

采用熱敏式溫度傳感器測量溫度，利用溫度傳感器的電阻監測線路故障。因為前、后端溫度傳感器安裝位置的溫度為-60～1100 ℃，對應的熱敏傳感器電阻為150～900 Ω，所以在發動機運行期間，如果傳感器電阻在該范圍之內，可認為溫度傳感器的線路正常[11]。

利用車輛長時間停機后的整車熱平衡窗口監測信號偏移故障。將GPF前、后端溫度傳感器信號分別與車輛上的其他溫度傳感器信號(如發動機冷卻水溫度傳感器、進氣溫度傳感器等)進行比較，如果誤差在一定范圍內，就可以認為GPF前、后端溫度傳感器的信號沒有偏移故障。

2.3 使能窗口的選擇

為使診斷方案能夠準確判斷GPF載體是否缺失，不誤判、不漏判，診斷使能窗口應選擇在正常GPF的前、后級溫度差較大的區域。本文中使用全球輕型車輛測試循環(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)研究診斷使能窗口的選擇，既可滿足國六排放標準對于診斷率(in use performance ratio，IUPR)的要求，也有利于對試驗條件進行約束，減少工作量。

對裝配正常GPF載體的車輛分別進行熱機和充分冷機后的WLTC測試，記錄試驗過程中GPF前后端的溫度傳感器信號，找到GPF前、后端排氣溫度有明顯差異的區域。

2.3.1 冷機起動與熱機起動對GPF前后端溫差的影響

在WLTC的低速段部分，熱機試驗的GPF前、后端溫度曲線如圖3所示；充分冷機后，GPF前、后端溫度曲線如圖4所示。

圖3 低速段、熱機狀態的WLTC測試結果 圖4 低速段、充分冷機狀態的WLTC測試結果

由圖3、4可知：發動機運行后再充分冷機，GPF前端與后端的排氣溫度差異明顯，而熱機狀態時的前、后端排氣溫差較小。所以診斷窗口第一個使能條件是發動機處于充分冷機狀態，充分冷機的判斷條件是發動機冷卻水溫在環境溫度±5 ℃的范圍內。

2.3.2 發動機運行時間對GPF前后端排氣溫差的影響

運行完整的WLTC試驗并采集GPF前端與后端排氣溫度，如圖5所示。由圖5可知，當發動機充分熱機后，GPF前、后端的排氣溫度已經很接近，所以本方案診斷窗口的第二個使能條件是GPF的溫度要處于較低的區段。GPF的熱量來自于發動機燃燒后的排氣，所以可以利用冷機起動后的燃油累計消耗估算GPF的預估溫度，并以此判斷GPF是否處于適合診斷的較低溫度區段。

圖5 完整WLTC循環的測試結果

2.3.3 診斷使能窗口

最終方案選擇的診斷窗口應滿足：1)冷機起動時，發動機冷卻水溫在環境溫度±5 ℃范圍內；2)以累計燃油消耗量來判定診斷的開始與結束點。

2.4 數據處理與故障限值設定

根據上述分析，本文中選擇的診斷使能窗口是一段連續的區域，溫度傳感器采樣周期為100 ms，數據處理方式是先對區域內每個樣本點的前端與后端溫差進行平均化處理，得到診斷使能區域的前后端平均判斷GPF載體是否缺失的溫差限值由載體正常件和故障件試驗結果的分布確定。溫差限值的標準有2條：一是正常件不會誤報故障，二是能夠準確檢測出故障件。分別選取30個載體正常件和載體缺失件進行試驗，根據之前的試驗工況采集GPF前、后端溫度信號，數據處理后的溫差分布如圖6所示。

圖6 正常件和故障件的溫度差結果分布

由圖6可知，正常件平均溫差減去4個標準差后為48 ℃，以48 ℃為限值可以區分出所有故障件。

3 方案驗證

為了驗證該方案在自由駕駛中也能準確區分出載體正常件和故障件，將兩種載體GPF裝配到試驗車輛上，在5種不同的駕駛工況進行道路試驗：試驗1，冷機起動，持續小油門(油門踏板開度小于20%)加速至退出診斷窗口；試驗2，冷機起動，中大油門(油門踏板開度50%左右)加速至退出診斷窗口；試驗3，冷機起動，全油門(油門踏板開度100%)加速至退出診斷窗口；試驗4，冷機起動，關閉空調、大燈等額外負載，原地怠速至退出診斷窗口；試驗5，冷機起動，以城市模擬工況駕駛至退出診斷窗口。

實際道路試驗中收集的載體正常GPF和載體缺失GPF前、后端溫差見表1 。

表1 實際道路試驗的GPF前后端溫差 ℃

由表1可知，可以依據故障限值48 ℃這一標準，準確進行GPF載體缺失診斷。

4 結語

基于溫度傳感器的GPF載體缺失診斷策略可以滿足國六排放標準中OBD對于GPF的監測要求，能夠在選定的發動機工況區間中準確判斷GPF載體缺失故障，具有一定的工程應用價值，可以作為基于壓差傳感器診斷策略的補充。