基于GPF前后温差的GPF载体缺失诊断方案

胡军义，段伟

1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201210；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 230071

0 引言

轻型汽车国六标准对燃油汽车颗粒物排放数量和质量提出了更严格的要求，其中，国六b阶段规定的上限分别为6×1011个/km和3 mg/km[1]。轻型汽车普遍装配汽油机颗粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF)来满足国六排放标准要求。国六排放标准在附录J——车载诊断系统(on board diagnostics，OBD)中，要求对GPF的功能进行监测。在GPF功能失效导致尾气中颗粒物超过OBD标准阈值或者导致其他OBD监控策略失效时，车载OBD系统应该检测出相应的故障，包括GPF系统相关的各传感器的线路、性能故障，以及GPF载体缺失等性能故障，检测GPF载体缺失是其中一项重要的监测内容。

1 GPF载体缺失监控原理

GPF由几百目的平行轴向蜂窝孔道构成，相邻的蜂窝孔道两端交替堵塞，这种结构使尾气只能通过相邻孔道的多孔性壁面才能排放到外界。GPF壁流式蜂窝陶瓷结构示意图如图1所示。GPF利用载体中前端进气与后端排气之间的相邻壁面，对流过的发动机尾气颗粒物进行吸附与捕集，降低汽车尾气中颗粒物的数量与质量[2-3]。

图1 壁流式蜂窝陶瓷结构

发动机尾气经过GPF时，受到的阻力有3部分：1)进口与出口通道的沿程阻力，即顺着管路流动时受到的壁面摩擦力；2)气体经过进气端和排气端之间的壁面时，产生捕捉颗粒物的流动阻力；3)装载GPF载体管道的进气端和排气端截面积变化带来的压力差阻力[4]。这些作用于尾气的阻力和被GPF捕捉的颗粒物，导致发动机排气在GPF载体前、后端的压力和温度发生变化[5]。

汽油机GPF技术来源于柴油机颗粒捕捉器(diesel particulate filter，DPF)的成熟应用，目前对于GPF载体缺失的监测策略，大部分厂家都是沿用已有的柴油机上的监测技术方案，核心思路是根据位于GPF前端进口与后端出口位置的排气背压差来判断GPF载体是否缺失。但是发动机负荷较小时，正常的GPF前后端排气背压基本相同[6]，此时无法准确判断载体缺失故障。本文中根据GPF前端与后端排气温度变化特性，设计一种基于GPF前、后端温度差监测其载体是否缺失的故障监控策略，作为对基于前后端排气背压差的诊断策略的补充。

2 GPF载体缺失诊断方案

GPF载体功能正常时，气体流经GPF载体需消耗能量克服内部阻力，导致GPF载体后端出口排气温度明显低于前端入口处的排气温度；当GPF载体缺失时，由于GPF内部阻力变小，排气能量损失变小，GPF载体前端入口与后端出口的排气温差变小[7-9]。据此，在GPF载体的前端入口和后端出口处各安装一个温度传感器，根据前后位置的排气温差判断GPF载体是否正常[10]。

2.1 诊断方案流程设计

监测载体是否缺失前，首先检查前端和后端温度传感器的线路与信号是否正常；其次选择合适的诊断使能窗口，保证载体诊断策略不会出现误判故障或者监测不出故障；最后对前端与后端的温度差进行数据处理，进行故障诊断。诊断方案流程如图2所示。

图2 载体缺失诊断流程图

2.2 温度传感器信号检查

GPF载体前端与后端温度传感器的信号检查包括线路故障监测和信号偏移监测。

采用热敏式温度传感器测量温度，利用温度传感器的电阻监测线路故障。因为前、后端温度传感器安装位置的温度为-60～1100 ℃，对应的热敏传感器电阻为150～900 Ω，所以在发动机运行期间，如果传感器电阻在该范围之内，可认为温度传感器的线路正常[11]。

利用车辆长时间停机后的整车热平衡窗口监测信号偏移故障。将GPF前、后端温度传感器信号分别与车辆上的其他温度传感器信号(如发动机冷却水温度传感器、进气温度传感器等)进行比较，如果误差在一定范围内，就可以认为GPF前、后端温度传感器的信号没有偏移故障。

2.3 使能窗口的选择

为使诊断方案能够准确判断GPF载体是否缺失，不误判、不漏判，诊断使能窗口应选择在正常GPF的前、后级温度差较大的区域。本文中使用全球轻型车辆测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)研究诊断使能窗口的选择，既可满足国六排放标准对于诊断率(in use performance ratio，IUPR)的要求，也有利于对试验条件进行约束，减少工作量。

对装配正常GPF载体的车辆分别进行热机和充分冷机后的WLTC测试，记录试验过程中GPF前后端的温度传感器信号，找到GPF前、后端排气温度有明显差异的区域。

2.3.1 冷机起动与热机起动对GPF前后端温差的影响

在WLTC的低速段部分，热机试验的GPF前、后端温度曲线如图3所示；充分冷机后，GPF前、后端温度曲线如图4所示。

图3 低速段、热机状态的WLTC测试结果 图4 低速段、充分冷机状态的WLTC测试结果

由图3、4可知：发动机运行后再充分冷机，GPF前端与后端的排气温度差异明显，而热机状态时的前、后端排气温差较小。所以诊断窗口第一个使能条件是发动机处于充分冷机状态，充分冷机的判断条件是发动机冷却水温在环境温度±5 ℃的范围内。

2.3.2 发动机运行时间对GPF前后端排气温差的影响

运行完整的WLTC试验并采集GPF前端与后端排气温度，如图5所示。由图5可知，当发动机充分热机后，GPF前、后端的排气温度已经很接近，所以本方案诊断窗口的第二个使能条件是GPF的温度要处于较低的区段。GPF的热量来自于发动机燃烧后的排气，所以可以利用冷机起动后的燃油累计消耗估算GPF的预估温度，并以此判断GPF是否处于适合诊断的较低温度区段。

图5 完整WLTC循环的测试结果

2.3.3 诊断使能窗口

最终方案选择的诊断窗口应满足：1)冷机起动时，发动机冷却水温在环境温度±5 ℃范围内；2)以累计燃油消耗量来判定诊断的开始与结束点。

2.4 数据处理与故障限值设定

根据上述分析，本文中选择的诊断使能窗口是一段连续的区域，温度传感器采样周期为100 ms，数据处理方式是先对区域内每个样本点的前端与后端温差进行平均化处理，得到诊断使能区域的前后端平均判断GPF载体是否缺失的温差限值由载体正常件和故障件试验结果的分布确定。温差限值的标准有2条：一是正常件不会误报故障，二是能够准确检测出故障件。分别选取30个载体正常件和载体缺失件进行试验，根据之前的试验工况采集GPF前、后端温度信号，数据处理后的温差分布如图6所示。

图6 正常件和故障件的温度差结果分布

由图6可知，正常件平均温差减去4个标准差后为48 ℃，以48 ℃为限值可以区分出所有故障件。

3 方案验证

为了验证该方案在自由驾驶中也能准确区分出载体正常件和故障件，将两种载体GPF装配到试验车辆上，在5种不同的驾驶工况进行道路试验：试验1，冷机起动，持续小油门(油门踏板开度小于20%)加速至退出诊断窗口；试验2，冷机起动，中大油门(油门踏板开度50%左右)加速至退出诊断窗口；试验3，冷机起动，全油门(油门踏板开度100%)加速至退出诊断窗口；试验4，冷机起动，关闭空调、大灯等额外负载，原地怠速至退出诊断窗口；试验5，冷机起动，以城市模拟工况驾驶至退出诊断窗口。

实际道路试验中收集的载体正常GPF和载体缺失GPF前、后端温差见表1 。

表1 实际道路试验的GPF前后端温差 ℃

由表1可知，可以依据故障限值48 ℃这一标准，准确进行GPF载体缺失诊断。

4 结语

基于温度传感器的GPF载体缺失诊断策略可以满足国六排放标准中OBD对于GPF的监测要求，能够在选定的发动机工况区间中准确判断GPF载体缺失故障，具有一定的工程应用价值，可以作为基于压差传感器诊断策略的补充。