滿足國(guó)六法規(guī)的汽油機(jī)顆粒捕集器故障診斷策略功能開發(fā)

王 沛，徐 超，趙文圣，范立云

（1.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001；3.河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，洛陽(yáng) 471000）

汽油缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）技術(shù)對(duì)提升動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其產(chǎn)生的顆粒物排放相比進(jìn)氣道噴射（port fuel injection，PFI）方式顯著增加［1-3］?！遁p型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（以下簡(jiǎn)稱國(guó)六法規(guī)）中規(guī)定Ⅰ型試驗(yàn)所有車型顆粒物質(zhì)量（particulate matter，PM）與顆粒物數(shù)量（particulate number，PN）排放限值為3.0 mg/km 和6×1011個(gè)/km。PM 可以通過多次噴射、燃燒室形狀優(yōu)化及增加湍流強(qiáng)度等缸內(nèi)方式進(jìn)行減排［4–6］，但對(duì)于PN，幾乎所有滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的純?nèi)加蛣?dòng)力車輛均在排氣端加裝汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particulate filter，GPF），GPF 同時(shí)成為大部分混合動(dòng)力車輛的主流配置［7–8］。

國(guó)六法規(guī)中要求，車載診斷（on-board diagnostics， OBD）系統(tǒng)應(yīng)對(duì)車輛上安裝的GPF 工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在監(jiān)測(cè)條件中規(guī)定監(jiān)測(cè)率滿足最小實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率（in-use performance ratio，IUPR）要求（≥0.100）。在診斷理論與方法層面，文獻(xiàn)［9］中基于壓差—流量特性應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了相關(guān)研究工作，文獻(xiàn)［10］中對(duì)碳煙氧化機(jī)理進(jìn)行了建模研究工作，為相關(guān)診斷方法提供理論基礎(chǔ)。

雖然國(guó)六法規(guī)對(duì)GPF 監(jiān)控組要求的IUPR 率不高，但診斷策略依然需要確保車輛在全球輕型車測(cè)試循環(huán)（world-harmonized light-duty vehicle test cycle，WLTC）中GPF 監(jiān)控組對(duì)應(yīng)的IUPR 分子能夠釋放，即要求GPF 系統(tǒng)診斷在WLTC 內(nèi)完成，因此GPF 的診斷難點(diǎn)將主要集中在診斷結(jié)果準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性的兼顧。在診斷準(zhǔn)確性方面，需要對(duì)GPF的診斷策略及算法進(jìn)行優(yōu)化，提取GPF 診斷所需的特征對(duì)象；在診斷實(shí)時(shí)性方面，需要分析車輛在WLTC 中的工況表現(xiàn)，確定合理的診斷窗口，縮短診斷結(jié)果輸出時(shí)間。

1 GPF 診斷功能基礎(chǔ)

1.1 GPF 系統(tǒng)診斷原理

目前車用級(jí)別軟件基于壓差—量特性［11–12］進(jìn)行GPF 診斷，針對(duì)GPF 狀態(tài)不同時(shí)的壓差表現(xiàn)定義不同的故障狀態(tài)。國(guó)六法規(guī)中要求在GPF 載體完全損壞、移除、丟失時(shí)檢測(cè)出故障，而為了確保診斷結(jié)果可信，還需要對(duì)GPF 測(cè)壓管路本身狀態(tài)進(jìn)行診斷。圖1 為GPF 及其診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，dpGPF為GPF 載體真實(shí)壓差；pmuffler為消音器真實(shí)壓降；p1meas為傳感器實(shí)測(cè)的GPF 上游排氣背壓（GPF 與消聲器產(chǎn)生的總壓降，相對(duì)壓力）；p2meas為傳感器實(shí)測(cè)的GPF 下游背壓（即消聲器壓降）；p1real、p2real分別為上游、下游真實(shí)背壓（相對(duì)壓力），計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示；dpGPF_meas為壓差傳感器測(cè)量的壓差信號(hào)，計(jì)算公式如式（3）所示。

圖1 GPF 及其診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在傳感器測(cè)量正確的情況下可以認(rèn)為p1meas=p1real，p2meas=p2real。表1 為GPF 及測(cè)壓管路正常/故障狀態(tài)下，壓差及傳感器壓力測(cè)點(diǎn)值表現(xiàn)。

表1 正常/故障狀態(tài)壓差及傳感器壓力測(cè)點(diǎn)值表現(xiàn)

1.2 GPF 診斷物理模型

雖然dpGPF能夠直接反映其部件狀態(tài)，但隨著車輛運(yùn)行在不同工況，dpGPF也將隨之改變，而對(duì)于車用級(jí)別軟件，針對(duì)GPF 移除診斷建立MAP 閾值查詢計(jì)算無(wú)疑是對(duì)芯片隨機(jī)存儲(chǔ)器（random-access memory，RAM）與只讀存儲(chǔ)器（read-only memory，ROM）資源的浪費(fèi)，并會(huì)增加額外的標(biāo)定工作量，同時(shí)這種方式的診斷結(jié)果也并不可靠；另外，當(dāng)壓差傳感器本身出現(xiàn)故障時(shí)將會(huì)帶來(lái)誤診斷的發(fā)生。因此，需要在軟件中建立GPF 載體新鮮狀態(tài)下的壓差模型，計(jì)算由壓差dpGPF的測(cè)量值dpGPF_meas與模型值dpGPF_mdl所表征的GPF 載體特征因子（factor of GPF characteristic）FGC，并以此為基礎(chǔ)建立診斷算法。式（4）為特征因子的名義算法表達(dá)。

式中，f1與f2分別為一次項(xiàng)、二次項(xiàng)GPF 壓差影響系數(shù)；n為總采樣次數(shù)；k為采樣計(jì)數(shù)索引序號(hào)。另外，F(xiàn)GC的計(jì)算過程需要對(duì)分子分母在一定周期下進(jìn)行采樣求和并計(jì)算算數(shù)平均值，以平衡由于車輛動(dòng)態(tài)工況變化而偶然出現(xiàn)的異常值。GPF 不同狀態(tài)下與FGC的關(guān)系表現(xiàn)如表2 所示。

表2 GPF 不同狀態(tài)下FGC 結(jié)果表現(xiàn)

如表2 所示，對(duì)于GPF 載體狀態(tài)診斷，以FGC不同狀態(tài)表現(xiàn)作為特征對(duì)象，正常狀態(tài)下dpGPF_meas≈dpGPF_mdl，F(xiàn)GC計(jì)算結(jié)果處于1 附近；當(dāng)載體被移除時(shí)dpGPF_meas≈0，F(xiàn)GC計(jì)算結(jié)果處于0 附近；當(dāng)載體處于過載狀態(tài)時(shí)dpGPF_meas＞dpGPF_mdl，此時(shí)FGC的計(jì)算結(jié)果將大于1。由于此項(xiàng)診斷不屬于國(guó)六法規(guī)OBD 規(guī)定項(xiàng)目，因此具體閾值將取決于所設(shè)定的過載報(bào)警狀態(tài)。

對(duì)于測(cè)壓管路診斷，當(dāng)發(fā)生測(cè)壓管路接反故障時(shí)dpGPF_meas≈-dpGPF_mdl，此時(shí)FGC計(jì)算結(jié)果處于-1附近（即正常GPF 載體狀態(tài)FGC的相反數(shù)）；當(dāng)上游測(cè)壓管路發(fā)生脫落時(shí)，模型與實(shí)測(cè)壓差關(guān)系為-dpGPF_mdl＜dpGPF_meas＜0，F(xiàn)GC計(jì)算結(jié)果處于（-1，0）范圍。對(duì)于下游測(cè)壓管路脫落故障，也將計(jì)算一項(xiàng)針對(duì)于下游管路的特征因子，記作FGC_DS_line。與GPF 診斷的FGC相似，當(dāng)下游測(cè)壓管路發(fā)生脫落故障時(shí)p2meas≈0，此時(shí)FGC_DS_line≈0，由此實(shí)現(xiàn)下游管路脫落診斷。

FGC的計(jì)算準(zhǔn)確性很大程度上受壓差模型的影響，理論上輸入條件越多模型值越精確，但對(duì)于計(jì)算結(jié)果精確度要求不高的場(chǎng)合，復(fù)雜的物理模型將會(huì)影響診斷的即時(shí)性，難以滿足IUPR 的要求。在當(dāng)前車用級(jí)別軟件的應(yīng)用層策略中，GPF 壓差模型值dpGPF_mdl的計(jì)算主要參考理想氣體狀態(tài)方程，并建立如式（5）所示的排氣流量—壓差關(guān)系。

式中，mgas為排氣質(zhì)量流量，kg/h；Mgas為排氣摩爾質(zhì)量，g/mol；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/（mol·K）；T為GPF 中心溫度，K；Vf為流經(jīng)GPF 的體積流量，m3/h。

壓差與體積流量的關(guān)系基于伯努利方程可以簡(jiǎn)化為式（6）所示的二次多項(xiàng)式［13–15］。

式中，fA為與能量變化相關(guān)的流動(dòng)阻力項(xiàng)系數(shù)；fB為與密度變化相關(guān)的摩擦損失項(xiàng)系數(shù)。通過壓差—特性試驗(yàn)完成對(duì)fA、fB系數(shù)的標(biāo)定即可實(shí)現(xiàn)最終特征因子FGC的計(jì)算。

2 功能策略開發(fā)

2.1 策略邏輯架構(gòu)

將GPF 診斷邏輯作為一個(gè)獨(dú)立功能模塊嵌入至控制軟件的應(yīng)用層中。整個(gè)功能包括信號(hào)輸入、流量—壓差計(jì)算、計(jì)算使能條件、FGC計(jì)算及最終的故障判別5 個(gè)子模塊。邏輯關(guān)系示意以True 表示邏輯“真”，F(xiàn)alse 表示邏輯“假”，AND 表示邏輯“與”，OR 表示邏輯“或”，NOT 表示邏輯“非”。圖2 為GPF 診斷策略各模塊架構(gòu)及其數(shù)據(jù)流向。

圖2 GPF 診斷策略架構(gòu)

如圖2 所示，GPF 診斷策略數(shù)據(jù)流過程為：信號(hào)輸入模塊相關(guān)信號(hào)分別發(fā)送至計(jì)算使能條件與壓差計(jì)算模塊；當(dāng)滿足FGC計(jì)算條件時(shí)，計(jì)算使能條件模塊輸出對(duì)應(yīng)狀態(tài)值，當(dāng)這一狀態(tài)值經(jīng)if 條件判定為True 時(shí)，激活FGC計(jì)算模塊；FGC計(jì)算模塊根據(jù)實(shí)測(cè)與模型壓差信號(hào)完成計(jì)算，并向故障判別模塊傳輸特征因子FGC計(jì)算數(shù)值；當(dāng)故障判別條件滿足后，根據(jù)FGC特征與閾值關(guān)系表現(xiàn)判定GPF 載體狀態(tài)，最后由診斷輸出模塊完成最終的結(jié)果反饋。

2.1.1 信號(hào)輸入模塊

信號(hào)輸入模塊包括兩部分信號(hào)內(nèi)容的收集與處理：（1）FGC計(jì)算使能條件，包括環(huán)境溫度、壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)斷油等；（2）壓差計(jì)算條件，包括傳感器信號(hào)輸入（如GPF 壓差、入口溫度與出口壓力等）及上游功能模塊計(jì)算結(jié)果輸入（如排氣體積流量）等。

2.1.2 計(jì)算使能條件與壓差計(jì)算模塊

計(jì)算使能條件定義了當(dāng)車輛處于何種工況時(shí)激活FGC計(jì)算，這些條件包括：直接輸入條件（環(huán)境溫度及壓力）判定；二次計(jì)算條件判定，包括體積流量上下限（表征發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷程度）、體積流量梯度上下限（表征發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)程度）；功能性條件（充氣模型有效、發(fā)動(dòng)機(jī)斷油、GPF 再生及GPF 過露點(diǎn)標(biāo)志）判定。流量—壓差計(jì)算模塊則根據(jù)式（5）、式（6）內(nèi)容進(jìn)行邏輯編程，其中fA、fB系數(shù)設(shè)定為可標(biāo)定參數(shù)并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。圖3 為計(jì)算使能條件與壓差計(jì)算模塊邏輯功能示意。圖3（a）中，Vfmin與Vfmax分別為體積流量條件使能范圍下限值與上限值，單位為m3/h；dVfmin與dVfmax分別為體積流量梯度條件使能范圍下限值與上限值，單位為m3/（h·s）。計(jì)算使能條件設(shè)定為可標(biāo)定量，當(dāng)這些使能條件滿足時(shí)，所有對(duì)應(yīng)標(biāo)志位置位（Bit_0～Bit_7=True），F(xiàn)GC計(jì)算條件釋放狀態(tài)值更新為0xFF（十進(jìn)制為255），激活FGC計(jì)算模塊。

圖3 GPF 診斷條件使能與壓差計(jì)算子模塊邏輯功能

圖4 為標(biāo)定fA、fB系數(shù)后壓差測(cè)量—模型值實(shí)車道路試驗(yàn)對(duì)比。如圖4 所示，穩(wěn)態(tài)工況下不同負(fù)荷GPF壓差模型值與測(cè)量值誤差在±10% 以內(nèi)，動(dòng)態(tài)工況隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷快速變化GPF 壓差模型值與測(cè)量值趨勢(shì)一致且計(jì)算值準(zhǔn)確，由此構(gòu)成了FGC的計(jì)算基礎(chǔ)。

圖4 GPF 壓差測(cè)量與模型值對(duì)比

2.1.3FGC計(jì)算模塊

FGC計(jì)算模塊根據(jù)式（4）內(nèi)容進(jìn)行邏輯編程。為了確保FGC計(jì)算結(jié)果的魯棒性，該模塊中對(duì)FGC的計(jì)算分為瞬態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值兩種形式。其中瞬態(tài)FGC會(huì)在計(jì)算使能條件滿足的情況下，以100 ms 周期進(jìn)行15 s 采樣計(jì)算并輸出計(jì)算完成次數(shù)；穩(wěn)態(tài)FGC則在瞬態(tài)FGC完成6 次計(jì)算后激活，采用移動(dòng)平均迭代更新，即每次輸出最近6 次計(jì)算結(jié)果平均值。

2.1.4 故障判別模塊

故障判別模塊采用穩(wěn)態(tài)FGC作為診斷特征對(duì)象，在滿足診斷激活條件的情況下，根據(jù)表2 的特征表現(xiàn)輸出診斷結(jié)果，其中對(duì)于診斷激活條件的設(shè)定包括下游管路診斷完成且無(wú)故障、上游管路脫落/管路接反診斷完成且無(wú)故障及壓差傳感器信號(hào)有效等條件，過載報(bào)警閾值與移除故障閾值設(shè)定為可標(biāo)定，根據(jù)試驗(yàn)具體表現(xiàn)進(jìn)行確定。圖5 為故障判別子模塊內(nèi)部邏輯功能示意。

如圖5 所示，當(dāng)診斷激活條件滿足（壓差信號(hào)有效、下游管路脫落診斷完成、上游管路脫落/接反診斷完成3 項(xiàng)條件求與為True）同時(shí)FGC計(jì)算次數(shù)達(dá)到6 次時(shí)，首先進(jìn)行GPF 載體過載報(bào)警診斷，若FGC大于過載閾值，則輸出過載報(bào)警診斷結(jié)果，否則進(jìn)行GPF 載體移除故障診斷；若FGC小于移除閾值，則輸出移除故障診斷結(jié)果，否則輸出無(wú)故障診斷結(jié)果；當(dāng)GPF 載體任意一項(xiàng)診斷結(jié)果輸出后，OBD 系統(tǒng)GPF 監(jiān)控組IUPR 分子將會(huì)釋放。

圖5 GPF 診斷故障判別子模塊邏輯功能

2.2 FGC 計(jì)算方法改進(jìn)

2.2.1 壓差梯度算法

壓差傳感器由于制造過程的晶體差異會(huì)使得其測(cè)量值帶有傳感器系統(tǒng)誤差，即測(cè)量值為真實(shí)值與誤差值之和，而采用壓差變化率（即壓差梯度）方式則可以將系統(tǒng)誤差值去掉，同時(shí)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。式（7）為壓差梯度方式的FGC計(jì)算表達(dá)式。

式中，Δ（dA）與Δ（dB）分別表示為GPF 壓差測(cè)量值dpGPF_meas與模型值dpGPF_mdl的梯度變化，kPa，算法為當(dāng)前值與上一步長(zhǎng)值的差值。圖6 為當(dāng)壓差傳感器分別為上偏差+0.25 kPa、下偏差-0.25 kPa 及中間值時(shí)，GPF 新鮮狀態(tài)壓差與梯度FGC計(jì)算方式試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。

圖6 傳感器偏差導(dǎo)致的FGC 計(jì)算結(jié)果差異

如圖6 所示，當(dāng)壓差傳感器存在測(cè)量偏差時(shí)，壓差FGC方案試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出了明顯的差異性，對(duì)于同樣的車輛運(yùn)行工況，不同傳感器偏差下壓差FGC分別為1.4（上偏差）、1.0（中間值）及0.8（下偏差），但不同傳感器間梯度FGC區(qū)別不大。這說(shuō)明對(duì)于以動(dòng)態(tài)工況運(yùn)行的車輛，梯度FGC算法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，且在壓差傳感器自身偏差較大的情況下依然能夠反映GPF 載體的真實(shí)狀態(tài)。

2.2.2 彎管壓差修正

理論上，壓差傳感器取氣管路應(yīng)布置于接近GPF 進(jìn)出口兩端的直管處，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，受GPF 結(jié)構(gòu)及排氣管路布置限制，下游測(cè)壓管路的取氣位置會(huì)經(jīng)過一段彎管，而這種彎曲管路會(huì)產(chǎn)生較大的流阻，從而導(dǎo)致壓差傳感器的測(cè)量結(jié)果并未真實(shí)反映GPF 載體本身的阻力狀態(tài)。圖7 為下游測(cè)壓管路直管/彎管狀態(tài)測(cè)點(diǎn)布置及其空管（即GPF 載體移除）兩種狀態(tài)壓差流量特性表現(xiàn)。

如圖7 所示，GPF 空管狀態(tài)下，直管取壓狀態(tài)GPF 壓差表現(xiàn)為一個(gè)較小的值，且隨流量增加，壓差增長(zhǎng)幅度很??；但測(cè)壓管路經(jīng)過彎管后，其壓差流量特性表現(xiàn)為明顯的二次曲線關(guān)系，此時(shí)的壓差傳感器測(cè)量值dpGPF_meas并未表征GPF 載體的真實(shí)狀態(tài)。假設(shè)彎管處壓差為dpGPF_zero，并將這一壓差視為GPF 整體壓差dpGPF_meas的一部分，此時(shí)GPF 載體自身壓差即為dpGPF_meas與dpGPF_zero的差?；谶@一特性，對(duì)診斷策略進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，相應(yīng)的FGC的計(jì)算方法如式（8）所示。

圖7 下游測(cè)壓管路測(cè)點(diǎn)布置及其壓差表現(xiàn)對(duì)比

式中，dC=dpGPF_meas-dpGPF_zero，dD=dpGPF_mdl-dpGPF_zero，單位為kPa。調(diào)整后的FGC算法在GPF 壓差的測(cè)量值dpGPF_meas與模型值dpGPF_mdl中，均減去了彎管處所產(chǎn)生的壓差dpGPF_zero，使得FGC依然能夠表征GPF 載體本身的狀態(tài)。而對(duì)于彎管處產(chǎn)生的壓差dpGPF_zero，依舊應(yīng)用式（6）進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其單獨(dú)標(biāo)定相應(yīng)的fA、fB系數(shù)。

2.3 診斷窗口分析

GPF 診斷一般在GPF 過露點(diǎn)之后（400 s～500 s）進(jìn)行，診斷過程需要首先完成取壓管路診斷并確認(rèn)管路連接正確的條件下，再進(jìn)行GPF 載體狀態(tài)診斷。由于診斷結(jié)果的可信度取決于FGC的計(jì)算準(zhǔn)確性，而FGC的計(jì)算結(jié)果又取決于采樣工況下的模型壓差計(jì)算值，因此診斷窗口的設(shè)置將主要集中在GPF 流量（表征發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大小）與流量梯度（表征發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變化程度）的選擇上。

基于WLTC，診斷窗口的劃分依據(jù)為：（1）GPF過露點(diǎn)完成時(shí)間在600 s 內(nèi)，劃分在低速階段內(nèi)；（2）下游取壓管路診斷完成需要進(jìn)行一次FGC_DS_line計(jì)算，通過選擇合適的流量與流量梯度范圍，在確保足夠計(jì)算裕度的條件下，使FGC_DS_line計(jì)算完成時(shí)間在中速階段內(nèi)；（3）上游取壓管路診斷完成需要進(jìn)行3 次FGC計(jì)算；（4）GPF 載體診斷完成需要進(jìn)行6 次FGC計(jì)算，兩者計(jì)算條件相同，但考慮到計(jì)算裕度，要求FGC實(shí)際計(jì)算次數(shù)為需求次數(shù)的1.5～2.0 倍，因此上游取壓管路與GPF 載體診斷完成階段將分別劃分在中速階段與高速、超高速階段內(nèi)。表3 為GPF 診斷階段劃分及FGC計(jì)算條件設(shè)定。

表3 GPF 診斷階段劃分

根據(jù)表3 設(shè)定的各項(xiàng)診斷內(nèi)容及擬定的完成階段，使用Python 編程環(huán)境建立窗口選擇算法，以實(shí)車WLTC 工況曲線為輸入，自適應(yīng)調(diào)整計(jì)算流量與流量梯度范圍，直到滿足表3 所擬定的診斷完成階段。最終診斷窗口信息如圖8 所示。

圖8 WLTC 工況診斷窗口劃分

根據(jù)圖8 所示的診斷窗口劃分，GPF 的診斷過程為：（1）GPF 過露點(diǎn)判斷（0 s—600 s）；（2）下游取壓管路脫落診斷完成階段（600 s—800 s），計(jì)算條件為流量范圍100 m3/h ～400 m3/h，流量梯度范圍0～60 m3/（h·s）；（3）上游/管路接反診斷完成階段（800 s—1 000 s），計(jì)算條件為流量范圍100 m3/h～400 m3/h，流量梯度范圍0～60 m3/（h·s）；（4）GPF 狀態(tài)診斷完成階段（1 000 s—1 800 s），計(jì)算條件為流量范圍400 m3/h～1 000 m3/h，流量梯度范圍60 m3/（h·s）～300 m3/（h·s）。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)壓管路診斷

測(cè)壓管路診斷的準(zhǔn)確性將直接影響GPF 載體狀態(tài)診斷結(jié)果，因此實(shí)車道路試驗(yàn)首先驗(yàn)證了測(cè)壓管路診斷方案，圖9 為壓差傳感器測(cè)壓管路的3 項(xiàng)診斷驗(yàn)證結(jié)果。如圖9（a）所示，下游管路FGC_DS_line初始值為0，在拔掉壓差傳感器下游測(cè)壓管路后，經(jīng)過10 s 工況采樣，在第105 s 時(shí)完成下游管路FGC_DS_line計(jì)算，計(jì)算值為0.009，遠(yuǎn)小于故障標(biāo)定閾值0.1，此時(shí)系統(tǒng)診斷為下游管路脫落故障并輸出診斷狀態(tài)為“3”（其中，“0”表示診斷未完成，“1”表示診斷完成且無(wú)故障，“2”表示診斷未完成且疑似存在故障，“3”表示診斷完成且確定存在故障）。

如圖9（b）所示，在上游測(cè)壓管路脫落后，F(xiàn)GC第1 次計(jì)算結(jié)果為-0.74，小于故障閾值-0.5，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入疑似故障確認(rèn)過程（診斷狀態(tài)為“2”），如果再出現(xiàn)連續(xù)兩次FGC計(jì)算值小于閾值的情況則判定為故障狀態(tài)。本次試驗(yàn)疑似故障確認(rèn)過程中FGC分別為-0.72、-0.73，并在第3 次FGC計(jì)算完成后系統(tǒng)確認(rèn)故障狀態(tài)（診斷狀態(tài)為“3”）。數(shù)據(jù)記錄顯示，從FGC計(jì)算激活開始至上游管路脫落故障報(bào)出共用時(shí)120 s。

上下游管路接反時(shí)故障診斷過程見圖9（c）。與上游管路脫落診斷過程相似，3 次計(jì)算得到的FGC分別為-1.15、-1.17、-1.31，故障診斷時(shí)間共100 s左右。從故障表現(xiàn)程度來(lái)看，管路接反狀態(tài)區(qū)分度更加明顯。

圖9 壓差傳感器測(cè)壓管路故障診斷

考慮到當(dāng)下游管路脫落診斷完成后，上游管路脫落診斷和管路接反診斷只需完成兩者其中之一，便可判斷取壓管路安裝狀態(tài)，因此實(shí)際診斷策略中在確認(rèn)FGC計(jì)算值大于-0.5 閾值后即進(jìn)入GPF 載體狀態(tài)診斷過程。

3.2 新鮮GPF 診斷

當(dāng)測(cè)壓管路診斷完成后，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)GPF 載體狀態(tài)進(jìn)行判定，對(duì)于新鮮狀態(tài)GPF，其FGC計(jì)算結(jié)果將在1 附近。試驗(yàn)過程包括車輛實(shí)際城市道路試驗(yàn)與WLTC 試驗(yàn)兩項(xiàng)。圖10～圖11 分別為兩項(xiàng)試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果情況。

圖10 GPF 診斷實(shí)際城市道路試驗(yàn)（新鮮狀態(tài)）

圖11 GPF 診斷WLTC 工況試驗(yàn)（新鮮狀態(tài)）

如圖10 所示，在實(shí)際城市道路試驗(yàn)中，共進(jìn)行了21 次FGC計(jì)算，其算術(shù)平均值為1.03，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差2.7%，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定并滿足診斷魯棒性要求。在道路試驗(yàn)診斷功能驗(yàn)證完成后，需要在排放循環(huán)中確認(rèn)診斷實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

如圖11 所示，WLTC 工況后管脫落與管路接反診斷均在所設(shè)定的診斷窗口對(duì)應(yīng)階段內(nèi)完成；GPF 載體狀態(tài)診斷在管路診斷完成后開始進(jìn)行，在WLTC結(jié)束時(shí)完成7 次FGC計(jì)算，當(dāng)?shù)? 次FGC計(jì)算完成后系統(tǒng)輸出無(wú)故障診斷結(jié)果并釋放IUPR 分子。

3.3 GPF 過載診斷

隨GPF 使用過程中灰分積累，若GPF 一直無(wú)法進(jìn)入再生工況或發(fā)生再生失效，會(huì)導(dǎo)致GPF 負(fù)載量過高，有發(fā)生GPF 堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。雖然法規(guī)中并未對(duì)GPF 過載提出診斷要求，仍有必要在炭載量達(dá)到一定程度后提醒駕駛員進(jìn)行處理。

根據(jù)前文的分析，在GPF 過載狀態(tài)下，F(xiàn)GC會(huì)明顯大于1，而過載閾值的設(shè)置則取決于GPF 載體所能承受的狀態(tài)，在本次試驗(yàn)中通過累炭方式使得GPF 處于過載狀態(tài)，車輛實(shí)際城市道路行駛試驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 GPF 診斷實(shí)際城市道路試驗(yàn)（過載狀態(tài)）

如圖12 所示，GPF 過載狀態(tài)下道路試驗(yàn)過程中共進(jìn)行了31 次FGC計(jì)算，算術(shù)平均值為9.16，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為1.0%?？紤]到過載狀態(tài)與正常狀態(tài)的區(qū)分度，報(bào)警閾值設(shè)定為6。

3.4 GPF 移除診斷

GPF 移除診斷為國(guó)六法規(guī)要求項(xiàng)，也是GPF相關(guān)診斷中最重要的內(nèi)容。試驗(yàn)以GPF 空管狀態(tài)模擬GPF 載體移除進(jìn)行了車輛實(shí)際城市道路試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示。

圖13 GPF 診斷實(shí)際城市道路試驗(yàn)（移除狀態(tài)）

如圖13 所示，GPF 移除狀態(tài)實(shí)際道路試驗(yàn)中共進(jìn)行41 次FGC計(jì)算，其算術(shù)平均值為0.005，標(biāo)準(zhǔn)差為0.055。對(duì)于移除診斷閾值的設(shè)置，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析使設(shè)定的閾值在誤判方向滿足-6σ（失效診斷機(jī)率0%），漏判方向滿足3σ標(biāo)準(zhǔn)（即有效診斷率大于99.8%）。圖14 為基于GPF 新鮮與空管狀態(tài)實(shí)車道路試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果，其中滿足3σ標(biāo)準(zhǔn)的故障閾值為0.17，考慮到可能存在的載體制造偏差情況，移除故障診斷閾值最終設(shè)定為0.3，即FGC處于（-0.5，0.3）區(qū)間內(nèi)則判定為GPF 載體移除。

圖14 GPF 移除故障診斷閾值統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析確定GPF 移除診斷的故障閾值后，進(jìn)行WLTC 驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)診斷功能及閾值設(shè)置是否滿足法規(guī)要求，試驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示。

根據(jù)圖15 的WLTC 工況試驗(yàn)結(jié)果，所計(jì)算的11 次FGC均小于0.3，并在第6 次計(jì)算完成時(shí)成功判定GPF 移除故障。

圖15 GPF 診斷WLTC 工況試驗(yàn)（移除狀態(tài)）

4 結(jié)論

（1）GPF 上下游壓差狀態(tài)能夠反映其載體狀態(tài)，通過引入排氣溫度及排氣背壓建立GPF 壓差模型，并構(gòu)建以壓差模型—測(cè)量值為基礎(chǔ)的GPF 載體特征因子FGC能夠?qū)PF 載體新鮮、過載及移除狀態(tài)實(shí)現(xiàn)診斷，同時(shí)對(duì)傳感器測(cè)壓管路脫落、接反等故障狀態(tài)也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。

（2）基于壓差FGC所構(gòu)建的軟件策略邏輯架構(gòu)綜合考慮了標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)、診斷結(jié)果魯棒性及診斷激活判定等內(nèi)容，并使用壓差梯度FGC方式進(jìn)行診斷對(duì)象的計(jì)算修正。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器正、負(fù)方向偏差分別為+0.25 kPa 與-0.25 kPa 時(shí)，壓差FGC計(jì)算結(jié)果分別為1.4 與0.8，而壓差梯度FGC不受傳感器偏差影響。對(duì)于彎管流阻所導(dǎo)致的GPF 壓差特性變化問題，診斷策略中將其視為GPF 整體壓差的組成部分，針對(duì)GPF 空管狀態(tài)建立壓差模型，并加入最終的FGC計(jì)算過程，使之能夠真實(shí)表征GPF 載體狀態(tài)。

（3）實(shí)車策略驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在WLTC 工況中，后管脫落與管路接反診斷均在所設(shè)定的診斷窗口對(duì)應(yīng)階段內(nèi)完成；在WLTC 循環(huán)結(jié)束時(shí)，F(xiàn)GC計(jì)算完成次數(shù)達(dá)到6 次以上，輸出診斷結(jié)果并釋放IUPR分子。同時(shí)，對(duì)GPF 移除狀態(tài)的診斷結(jié)果統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，故障狀態(tài)閾值設(shè)置與正常狀態(tài)區(qū)分度明顯，不會(huì)存在誤判概率，診斷統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合3σ標(biāo)準(zhǔn)。