国六柴油机进气流量控制策略优化

2022-07-12郭冬雪潘伟庄明超李静静张成伟

内燃机与动力装置 2022年3期

郭冬雪，潘伟，庄明超，李静静, 张成伟

潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061

0 引言

重型柴油机排放标准已升级到国六阶段，废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)-氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术是国六柴油机控制排放的主流技术路线，其中EGR系统中通常采用进气流量(mass air flow，MAF)传感器测量进气质量流量[1]。MAF传感器测量方式的特点是传感器(管路)与标定数据绑定，一管一标，同一台发动机，即使更换了相同批次的整车进气管路，也需要对MAF传感器重新标定。如果MAF传感器标定不准确，进气量测量出现偏差，影响EGR阀开度，进而影响发动机喷油及燃烧特性，可导致车辆动力不足、冒黑烟、DPF过载等故障。

MAF传感器与进气压力传感器(barometric pressure sensor，BPS)一般布置在进气管路。MAF传感器用于测量EGR系统新鲜空气流量，一般选用热膜式传感器;BPS用于测量总的进气歧管压力[2],BPS测得的压力数据经电子控制单元(electronic control unit，ECU)换算为进气量。MAF传感器与BPS的测量位置不同，因此只能在一些特殊工况中实现2个传感器进气流量的校验。

据统计，采用EGR的国六柴油机发生的动力不足或冒黑烟等故障中，30% 以上是由MAF传感器测量偏差导致，但是市场维修人员往往按惯性思维优先检测排查DPF、喷油器等零部件[3-4]，忽略MAF传感器标定，造成故障误判。为解决MAF传感器测量偏差引起的误判故障，分析MAF传感器测量原理及控制逻辑，本文中选择DPF再生工况下，通过对MAF传感器与BPS进行进气流量校验，优化MAF控制逻辑，解决MAF传感器标定偏差。

1 MAF传感器

1.1 物理结构及安装位置

MAF传感器由壳体、热膜、温度传感器、控制电路板、电连接器金属防护网等构成[5]。传感器壳体两端设置与进气道相连接的圆形连接接头，空气入口和出口都设有防止传感器受到机械损伤的防护网。传感器入口与空气滤清器一端的进气管连接，出口与节流阀体一端的进气管连接。MAF传感器结构示意图如图1所示。

图1 MAF传感器结构示意图

EGR路线国六柴油机进气系统主要包括空气滤清器、MAF传感器、进气节流阀、EGR、BPS、增压器、中冷器等。BPS一般位于气缸之前的进气管路上，MAF传感器与BPS在进气管路中的布置位置如图2所示。MAF传感器的测量精度受整车管路影响，当车辆的进气管路布置发生变化时，MAF传感器必须重新进行标定。

图2 MAF传感器与BPS位置示意图

1.2 工作原理

MAF传感器的内部电路连接成电桥电路，热膜电阻 RH和温度补偿电阻 RT分别连接到电桥的一个臂上，电桥各个臂的电流由控制电路A控制，如图3所示。

a) MAF b) 控制电路A RH—热膜电阻； RT—温度补偿电阻；R1、R2—精密电阻；RS—取样电阻；UCC—电源电压；US—信号电压。

电桥电压平衡时，控制电路供给RH的电流IH(IH= 50～120 mA)使其温度TH保持恒定，供给RT的电流使TH与TT(RT的温度)之差保持恒定。当空气流经RH和RT时，TH与TT降低，电阻减小。RH的电阻减小，电桥电压失去平衡，控制电路将增大IH使其温度保持恒定。电流的增加取决于RH受到冷却的程度，即取决于流过MAF传感器的空气量。当电桥电流增大时，取样电阻RS的电压升高，从而将空气流量的变化转换为RS的信号电压Us的变化。由于电阻为线性元件，因此US将随空气流量的变化而线性变化，US输入电子控制单元ECU后，ECU便可根据US计算空气流量[6]。

1.3 MAF控制策略

MAF传感器控制策略如图4所示。EGR路线国六柴油机主要通过对MAF传感器测量值与模型计算的MAF需求值进行比例积分微分(proportional integral differential, PID)调节控制，最终控制EGR开度，其中：MAF测量值主要通过MAF传感器测量电压，再换算成新鲜空气进气质量流量；MAF模型值为通过BPS处的换算进气量与EGR设定废气流量的差；EGR废气流量根据当前工况的发动机转速、喷油量从设定EGR率主map中查得，再经过高原修正、进气温度修正后得到。以EGR阀实际开度作为前馈值，与MAF模型值比较之后计算出的EGR设定值作为后馈值，实现EGR开度的闭环控制。

图4 MAF控制策略

2 MAF测量偏差的影响

由MAF控制策略可知，MAF控制偏差直接影响发动机进气系统EGR阀的开度，从而影响发动机进气量，间接影响发动机喷油及燃烧性能，最终影响发动机动力性、经济性[7-8]。国六车辆实际运行中，MAF标定不准导致车辆动力不足、冒黑烟、DPF过载的故障频发。

2.1 台架试验

通过发动机台架试验，验证MAF偏差对发动机排放影响[9-10]。选择瞬态测试循环(world harmonized transient cycle，WHTC)工况，控制发动机MAF相对实际值与设定值的不同偏差范围，验证MAF测量偏差对柴油机NOx及soot排放的影响[11]。相对偏差为MAF传感器测量和模型计算进气量之差的绝对值与MAF传感器测量结果的比。BPS测得的进气流量受到进气节流阀开度、EGR阀开度的影响，因此为精确控制BPS与MAF传感器测量偏差，试验过程中通过数据标定始终将发动机进气节流阀保持全开状态，而EGR阀保持常闭状态。

MAF测量相对偏差对NOx及soot排放影响的台架试验结果如图5所示。由图5可知，当进气量相对偏差向正、负方向逐步增大时NOx及soot排放相对偏差波动很大，当MAF偏差为20%时，NOx排放偏差高达45%， soot排放偏差为20%。只有精准控制MAF偏差才能将NOx及soot排放偏差控制在±10%以内。所以，要确保车辆排放达标，需严格控制MAF测量准确性。

图5 MAF测量相对偏差台架试验排放影响

2.2 实际故障路谱

市场上某国六车辆存在动力不足、DPF过载及车辆冒黑烟的故障。为查明故障原因，首先对车辆进行常规检查：1)检查车辆油品正常，滤清器滤杯内油品清澈，取样化验正常；2)检查气门间隙无异常；3)检查喷油器，通过博世试验台校正喷油器无异常；4)检查进、排气管路，不存在漏气、吸瘪情况，进气压力显示正常；5)检查后处理系统压差传感器，电压均正常。

进一步采集故障车辆发动机路谱，故障路谱分析如表1所示。

表1 故障路谱分析

由表1可知，MAF传感器实测进气流量均小于模型计算流量，相对偏差为18.81%～28.57%。通过手动标定，使MAF传感器实测和模型计算进气流量一致，故障得以解决。台架试验及市场实际故障均表明MAF测量偏差过大可导致车辆动力不足、DPF过载及车辆冒黑烟等。

3 优化与验证

BPS与MAF传感器的安装位置不同，MAF传感器实测进气流量与BPS传感器换算进气流量都受发动机进气节流阀开度、EGR阀开度的影响。

3.1 DPF主动再生工况的MAF校验

国六车辆运行过程中，当DPF碳载量超过4 g/L时，DPF需要进行主动再生，后处理碳氢喷嘴向后处理系统中喷射柴油，在高温条件下氧化燃烧，清除积碳。DPF再生各阶段示意图如图6所示。驻车再生主要分为4个阶段：加热一阶段、加热二阶段、再生喷油阶段、排气冷却阶段。4个阶段特征明显，每个阶段转速稳定，进气节流阀全开，EGR阀关闭，此时可以实现MAF传感器和BPS进气流量的校验，若两者偏差较大，校验不通过，报出故障。

图6 DPF再生各阶段示意图

3.2 优化MAF控制逻辑

发动机在原有数据的基础上，增加MAF标定偏差故障的报错，减少对故障的误判。通过优化MAF控制逻辑，在MAF 控制逻辑的基础上增加对发动机运行模式的判断，发动机运行模式包含一般运行模式、SCR加热模式、DPF再生模式、高原运行模式、高寒运行模式等。MAF标定偏差故障报出需同时满足2个条件:1)发动机处于DPF再生运行模式，当发动机处于DPF再生状态，进气节流阀全开，EGR阀关闭，此时MAF传感器和BPS传感器进气流量理论上是一致的，才具有比较价值;2)MAF 传感器实测进气量与BPS 换算进气量差的绝对值与MAF传感器实测进气量的比值超过10%。当同时满足以上2个条件，ECU 报出MAF标定偏差大的故障,点亮仪表故障灯,同时ECU 主动对车辆进行限扭限速。在特定工况下通过对MAF标定校验,可以迅速锁定故障原因,防止故障进一步恶化引发DPF 过载、冒黑烟等其他故障。