郭冬雪，潘偉，莊明超，李靜靜, 張成偉

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)已升級到國六階段，廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)-氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術(shù)是國六柴油機(jī)控制排放的主流技術(shù)路線，其中EGR系統(tǒng)中通常采用進(jìn)氣流量(mass air flow，MAF)傳感器測量進(jìn)氣質(zhì)量流量[1]。MAF傳感器測量方式的特點(diǎn)是傳感器(管路)與標(biāo)定數(shù)據(jù)綁定，一管一標(biāo)，同一臺發(fā)動機(jī)，即使更換了相同批次的整車進(jìn)氣管路，也需要對MAF傳感器重新標(biāo)定。如果MAF傳感器標(biāo)定不準(zhǔn)確，進(jìn)氣量測量出現(xiàn)偏差，影響EGR閥開度，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)噴油及燃燒特性，可導(dǎo)致車輛動力不足、冒黑煙、DPF過載等故障。

MAF傳感器與進(jìn)氣壓力傳感器(barometric pressure sensor，BPS)一般布置在進(jìn)氣管路。MAF傳感器用于測量EGR系統(tǒng)新鮮空氣流量，一般選用熱膜式傳感器;BPS用于測量總的進(jìn)氣歧管壓力[2],BPS測得的壓力數(shù)據(jù)經(jīng)電子控制單元(electronic control unit，ECU)換算為進(jìn)氣量。MAF傳感器與BPS的測量位置不同，因此只能在一些特殊工況中實(shí)現(xiàn)2個傳感器進(jìn)氣流量的校驗(yàn)。

據(jù)統(tǒng)計，采用EGR的國六柴油機(jī)發(fā)生的動力不足或冒黑煙等故障中，30% 以上是由MAF傳感器測量偏差導(dǎo)致，但是市場維修人員往往按慣性思維優(yōu)先檢測排查DPF、噴油器等零部件[3-4]，忽略MAF傳感器標(biāo)定，造成故障誤判。為解決MAF傳感器測量偏差引起的誤判故障，分析MAF傳感器測量原理及控制邏輯，本文中選擇DPF再生工況下，通過對MAF傳感器與BPS進(jìn)行進(jìn)氣流量校驗(yàn)，優(yōu)化MAF控制邏輯，解決MAF傳感器標(biāo)定偏差。

1 MAF傳感器

1.1 物理結(jié)構(gòu)及安裝位置

MAF傳感器由殼體、熱膜、溫度傳感器、控制電路板、電連接器金屬防護(hù)網(wǎng)等構(gòu)成[5]。傳感器殼體兩端設(shè)置與進(jìn)氣道相連接的圓形連接接頭，空氣入口和出口都設(shè)有防止傳感器受到機(jī)械損傷的防護(hù)網(wǎng)。傳感器入口與空氣濾清器一端的進(jìn)氣管連接，出口與節(jié)流閥體一端的進(jìn)氣管連接。MAF傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 MAF傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

EGR路線國六柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)主要包括空氣濾清器、MAF傳感器、進(jìn)氣節(jié)流閥、EGR、BPS、增壓器、中冷器等。BPS一般位于氣缸之前的進(jìn)氣管路上，MAF傳感器與BPS在進(jìn)氣管路中的布置位置如圖2所示。MAF傳感器的測量精度受整車管路影響，當(dāng)車輛的進(jìn)氣管路布置發(fā)生變化時，MAF傳感器必須重新進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 MAF傳感器與BPS位置示意圖

1.2 工作原理

MAF傳感器的內(nèi)部電路連接成電橋電路，熱膜電阻 RH和溫度補(bǔ)償電阻 RT分別連接到電橋的一個臂上，電橋各個臂的電流由控制電路A控制，如圖3所示。

a) MAF b) 控制電路A RH—熱膜電阻； RT—溫度補(bǔ)償電阻；R1、R2—精密電阻；RS—取樣電阻；UCC—電源電壓；US—信號電壓。

電橋電壓平衡時，控制電路供給RH的電流IH(IH= 50～120 mA)使其溫度TH保持恒定，供給RT的電流使TH與TT(RT的溫度)之差保持恒定。當(dāng)空氣流經(jīng)RH和RT時，TH與TT降低，電阻減小。RH的電阻減小，電橋電壓失去平衡，控制電路將增大IH使其溫度保持恒定。電流的增加取決于RH受到冷卻的程度，即取決于流過MAF傳感器的空氣量。當(dāng)電橋電流增大時，取樣電阻RS的電壓升高，從而將空氣流量的變化轉(zhuǎn)換為RS的信號電壓Us的變化。由于電阻為線性元件，因此US將隨空氣流量的變化而線性變化，US輸入電子控制單元ECU后，ECU便可根據(jù)US計算空氣流量[6]。

1.3 MAF控制策略

MAF傳感器控制策略如圖4所示。EGR路線國六柴油機(jī)主要通過對MAF傳感器測量值與模型計算的MAF需求值進(jìn)行比例積分微分(proportional integral differential, PID)調(diào)節(jié)控制，最終控制EGR開度，其中：MAF測量值主要通過MAF傳感器測量電壓，再換算成新鮮空氣進(jìn)氣質(zhì)量流量；MAF模型值為通過BPS處的換算進(jìn)氣量與EGR設(shè)定廢氣流量的差；EGR廢氣流量根據(jù)當(dāng)前工況的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量從設(shè)定EGR率主map中查得，再經(jīng)過高原修正、進(jìn)氣溫度修正后得到。以EGR閥實(shí)際開度作為前饋值，與MAF模型值比較之后計算出的EGR設(shè)定值作為后饋值，實(shí)現(xiàn)EGR開度的閉環(huán)控制。

圖4 MAF控制策略

2 MAF測量偏差的影響

由MAF控制策略可知，MAF控制偏差直接影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)EGR閥的開度，從而影響發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，間接影響發(fā)動機(jī)噴油及燃燒性能，最終影響發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性[7-8]。國六車輛實(shí)際運(yùn)行中，MAF標(biāo)定不準(zhǔn)導(dǎo)致車輛動力不足、冒黑煙、DPF過載的故障頻發(fā)。

2.1 臺架試驗(yàn)

通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，驗(yàn)證MAF偏差對發(fā)動機(jī)排放影響[9-10]。選擇瞬態(tài)測試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)工況，控制發(fā)動機(jī)MAF相對實(shí)際值與設(shè)定值的不同偏差范圍，驗(yàn)證MAF測量偏差對柴油機(jī)NOx及soot排放的影響[11]。相對偏差為MAF傳感器測量和模型計算進(jìn)氣量之差的絕對值與MAF傳感器測量結(jié)果的比。BPS測得的進(jìn)氣流量受到進(jìn)氣節(jié)流閥開度、EGR閥開度的影響，因此為精確控制BPS與MAF傳感器測量偏差，試驗(yàn)過程中通過數(shù)據(jù)標(biāo)定始終將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣節(jié)流閥保持全開狀態(tài)，而EGR閥保持常閉狀態(tài)。

MAF測量相對偏差對NOx及soot排放影響的臺架試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)進(jìn)氣量相對偏差向正、負(fù)方向逐步增大時NOx及soot排放相對偏差波動很大，當(dāng)MAF偏差為20%時，NOx排放偏差高達(dá)45%， soot排放偏差為20%。只有精準(zhǔn)控制MAF偏差才能將NOx及soot排放偏差控制在±10%以內(nèi)。所以，要確保車輛排放達(dá)標(biāo)，需嚴(yán)格控制MAF測量準(zhǔn)確性。

圖5 MAF測量相對偏差臺架試驗(yàn)排放影響

2.2 實(shí)際故障路譜

市場上某國六車輛存在動力不足、DPF過載及車輛冒黑煙的故障。為查明故障原因，首先對車輛進(jìn)行常規(guī)檢查：1)檢查車輛油品正常，濾清器濾杯內(nèi)油品清澈，取樣化驗(yàn)正常；2)檢查氣門間隙無異常；3)檢查噴油器，通過博世試驗(yàn)臺校正噴油器無異常；4)檢查進(jìn)、排氣管路，不存在漏氣、吸癟情況，進(jìn)氣壓力顯示正常；5)檢查后處理系統(tǒng)壓差傳感器，電壓均正常。

進(jìn)一步采集故障車輛發(fā)動機(jī)路譜，故障路譜分析如表1所示。

表1 故障路譜分析

由表1可知，MAF傳感器實(shí)測進(jìn)氣流量均小于模型計算流量，相對偏差為18.81%～28.57%。通過手動標(biāo)定，使MAF傳感器實(shí)測和模型計算進(jìn)氣流量一致，故障得以解決。臺架試驗(yàn)及市場實(shí)際故障均表明MAF測量偏差過大可導(dǎo)致車輛動力不足、DPF過載及車輛冒黑煙等。

3 優(yōu)化與驗(yàn)證

BPS與MAF傳感器的安裝位置不同，MAF傳感器實(shí)測進(jìn)氣流量與BPS傳感器換算進(jìn)氣流量都受發(fā)動機(jī)進(jìn)氣節(jié)流閥開度、EGR閥開度的影響。

3.1 DPF主動再生工況的MAF校驗(yàn)

國六車輛運(yùn)行過程中，當(dāng)DPF碳載量超過4 g/L時，DPF需要進(jìn)行主動再生，后處理碳?xì)鋰娮煜蚝筇幚硐到y(tǒng)中噴射柴油，在高溫條件下氧化燃燒，清除積碳。DPF再生各階段示意圖如圖6所示。駐車再生主要分為4個階段：加熱一階段、加熱二階段、再生噴油階段、排氣冷卻階段。4個階段特征明顯，每個階段轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，進(jìn)氣節(jié)流閥全開，EGR閥關(guān)閉，此時可以實(shí)現(xiàn)MAF傳感器和BPS進(jìn)氣流量的校驗(yàn)，若兩者偏差較大，校驗(yàn)不通過，報出故障。

圖6 DPF再生各階段示意圖

3.2 優(yōu)化MAF控制邏輯

發(fā)動機(jī)在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，增加MAF標(biāo)定偏差故障的報錯，減少對故障的誤判。通過優(yōu)化MAF控制邏輯，在MAF 控制邏輯的基礎(chǔ)上增加對發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式的判斷，發(fā)動機(jī)運(yùn)行模式包含一般運(yùn)行模式、SCR加熱模式、DPF再生模式、高原運(yùn)行模式、高寒運(yùn)行模式等。MAF標(biāo)定偏差故障報出需同時滿足2個條件:1)發(fā)動機(jī)處于DPF再生運(yùn)行模式，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于DPF再生狀態(tài)，進(jìn)氣節(jié)流閥全開，EGR閥關(guān)閉，此時MAF傳感器和BPS傳感器進(jìn)氣流量理論上是一致的，才具有比較價值;2)MAF 傳感器實(shí)測進(jìn)氣量與BPS 換算進(jìn)氣量差的絕對值與MAF傳感器實(shí)測進(jìn)氣量的比值超過10%。當(dāng)同時滿足以上2個條件，ECU 報出MAF標(biāo)定偏差大的故障,點(diǎn)亮儀表故障燈,同時ECU 主動對車輛進(jìn)行限扭限速。在特定工況下通過對MAF標(biāo)定校驗(yàn),可以迅速鎖定故障原因,防止故障進(jìn)一步惡化引發(fā)DPF 過載、冒黑煙等其他故障。

3.3 實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證

在某國六EGR車輛上對DPF駐車再生工況下的MAF控制策略進(jìn)行滿足控制要求優(yōu)化驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用優(yōu)化后的MAF控制策略，MAF測量相對偏差均不超過10%。

表2 優(yōu)化MAF控制邏輯實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果

3.4 市場驗(yàn)證

將優(yōu)化MAF邏輯刷寫到國六車輛中，在深圳地區(qū)試運(yùn)行，統(tǒng)計對比前、后3個月MAF傳感器誤判故障情況，結(jié)果如表3所示。

表3 邏輯優(yōu)化前后故障數(shù)對比

由表3可知，優(yōu)化MAF控制邏輯后，由MAF測量偏差過大引起的故障誤判率由31.9%降低到3.3%。實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際市場驗(yàn)證均表明優(yōu)化后的MAF傳感器控制策略可行有效，可減少M(fèi)AF測量偏差引起的誤判率。

4 結(jié)語

MAF測量進(jìn)氣量的準(zhǔn)確性和發(fā)動機(jī)燃燒息息相關(guān)，直接影響EGR率，從而影響噴油量以及DPF的積碳速率。本文中解析并優(yōu)化MAF控制策略，及時對MAF傳感器測量偏差進(jìn)行監(jiān)控，使MAF偏差引起的誤判故障率由31.9%降低到3.3%，減少了MAF測量偏差引起的誤判率，提高了發(fā)動機(jī)可靠性。