碳罐冲洗控制参数对整车振动的影响

刘子强

联合汽车电子有限公司 上海市 200120

国六法规《轻型汽车污染物排放限值及测量方法-中国第六阶段》新增了对蒸发系统的诊断要求，OBD系统应监测蒸发系统的脱附流量，以及监测除炭罐阀与进气歧管之间的管路和接头之外的整个蒸发系统的完整性，防止燃油蒸气泄漏到大气中。随着排放物限值要求的提高，为了满足国六蒸发排放要求，必需增大炭罐脱附量，则炭罐电磁阀在怠速工况需要长时间开启，此时带来了新的噪声振动以及舒适性（NVH）问题。

本文以某整车厂市场上某款车辆振动噪音投诉出发，针对投诉车辆进行实车调查，找到振动真正原因，并且通过更改炭罐阀控制频率来避开的共振区间作为改进措施，为整车厂的国六项目顺利开展提供有利的保障及支持。

根据法规的要求，蒸发系统如图1所示，以炭罐电磁阀为界，其左侧为泄露诊断部分，右侧的冲洗管路（不包括发动机进气系统管路）为脱附流量诊断部分。对于脱附流量诊断，如果脱附管路发生断裂或堵塞，将导致系统不能进行炭罐脱附，油气将在炭罐内不断累积，最终击穿炭罐泄露至大气造成污染，此时应检测出脱附流量故障。

图1 蒸发系统示意图

炭罐电磁阀通过电脉冲宽度的调制来控制炭罐发挥净化作用，即活性炭罐贮存来自油箱和燃料系统的燃油蒸气，并用电磁阀来控制清污工作。来自炭罐的热燃油蒸汽不应该而且一定不可以直接泄露到空气中，燃油蒸汽在炭罐系统中被吸附到活性炭过滤装置中。为了防止活性碳过溢，它会间断性的用新鲜空气冲洗（脱附）。当条件合适时，发动机控制单元（ECU）会控制炭罐电磁阀打开，燃油蒸气脱附，从炭罐经电磁阀进入发动机燃烧。因为这种方法会多供给一部分燃油，因此必须修正喷油时长，使混合气保持在lambda=1并且空燃比闭环恢复正常。为了精确修正，需要在每个工况点都能够及时获取冲洗流量和HC浓度。HC浓度会根据闭环控制偏差调整。

某整车厂市场上某款车辆，热机怠速时，偶发地板及座椅传递过来一种不规则的抖动，严重影响乘员舒适性。当前该整车厂正处在走高阶段，对整车舒适性及NVH要求非常严格。

对于投诉车偶发整车怠速抖动引起客户抱怨这类投诉。现场调查时，首先考虑是否是由发动机怠速不稳引起的抖动，测试了怠速时的发动机各参数表现如图2。

从图2的测试结果看，该抖动发生在碳罐冲洗工况，碳罐阀停止工作时，抖动也相应消失。

图2 怠速时各参数表现

对于发动机转速波动幅度及点火角跳动均在合理的范围之内，尝试调整抖动阶段怠速控制的相应参数，对抖动没有改善。上述排除了发动机怠速过程喷油、进气、点火等控制参数对抖动的影响，依据过往的经验，不正常的抖动，可能来自动力总成的共振。

对该车实际测试噪音进行频谱分析，发现抖动频率在11.8Hz附近。整车振动频谱结果见图3。

图3 投诉车整车振动频谱

从整车在11.8Hz附近振动突出的测试结果出发，排查相关零件可能的模态及振动激励源调查，结论如下：动力总成在整车姿态的一阶模态为11.8Hz；
发动机热机怠速转速为710rpm，即转速频率为710/60=11.8Hz；
碳罐冲洗周期为60-105ms，而怠速工况根据计算更多停留在87ms，即冲洗频率为1/0.087=11.8Hz。因此锁定和11.8Hz相关的发动机怠速转速频率、碳罐怠速冲洗频率与动力总成的一阶固有频率发生耦合共振，是车辆发生不规则抖动导致投诉的根本原因。对于上述三个相关因素进行排查分析。

更换故障车辆悬置，改变动力总成刚体的一阶模态，进行整车振动频谱对比，如图4。

图4 改变动力总成刚体整车振动频谱

提高怠速转速，改变发动机怠速转速频率，进行整车振动频谱对比，如图5。

图5 改变发动机怠速转速频率整车振动频谱

通过频谱结果来看，更换全车悬置、提高怠速转速都可以避免在11.8Hz频率发生耦合共振，从而改善抖动。但是更换全车悬置会相应增加维修费用、提高怠速转速会增加整车油耗，不能作为可行性的改进投诉的措施。下面重点介绍一下从炭罐阀冲洗开度及频率方向，尝试更改炭罐阀控制参数。

炭罐控制阀是一个普通的电磁阀，电信号的高低位控制阀体的开启关闭，因此整个开度控制是一个占空比控制，可用占空比大小表示控制阀开度的大小，而控制频率决定了占空比的控制周期。

炭罐控制目的将燃油系统蒸发的燃油利用活性炭收集起来，重新送入进气管，以减少蒸发物的排放，达到法规要求。炭罐控制对高温环境下的怠速性能，驾驶性能等影响重大。一方面炭罐冲洗不足会造成燃油蒸发排放加剧，炭罐冲洗过大会对空燃比控制造成影响，因此，选择合适的炭罐冲洗占空比，是炭罐控制的重点，为了解决碳罐冲洗带来的共振问题，首先尝试减小怠速时的炭罐阀开度。

炭罐阀开度决定着空燃比稳定。空燃比冲击大的话（一般碳罐阀刚打开会偏浓），会造成转速不稳，加速无力甚至是熄火。因此在低速低负荷区采取小开度限制，在对空燃比冲击较大的情况下“慢开”甚至是“快关”。而反之如果冲洗不够而造成碳罐高负荷的话，则会增加蒸发物排放，甚至在车里能闻到汽油味（一般出现在夏季高温时节）。所以在安全的条件和工况下应尽可能开大以增大冲洗气流量，而且要“快开”，从而更快地减少碳罐中油气的含量，达到减少蒸发物排放的目的。

图6和图7分别为减小炭罐阀开度对怠速影响的发动机电喷控制系统（EMS）参数测试表现和整车抖动频域测试表现。从图中可以看到炭罐阀开度从15-＞7-＞2.2逐渐减小的过程中从EMS参数的表现来看怠速抖动问题并无太大改善，从频域测试结果看随着开度的减小，抖动强度有所改善，但问题依然存在。另外，考虑到炭罐冲洗需求，也不能把怠速时的开度调得太小。因此从炭罐阀开度这方面无法解决该问题。

图6 减小炭罐阀开度怠速各参数表现

图7 减小炭罐阀开度对怠速抖动的影响

基于炭罐冲洗HC含量的波动和控制延迟时间的影响，炭罐控制阀控制频率的设置选取一个最佳的平衡，尽量使每周期HC含量平均，减小冲洗的波动，同时减少延迟时间对阀控制的影响。通常在炭罐控制阀小开度，发动机低转速工况下，控制频率为10Hz左右，这样可使冲洗气流平稳，每个周期冲洗的HC含量均匀，同时保证控制阀延迟时间偏移对控制阀开度控制的影响较小。在较高转速，占空比为30%～70%工况下，控制阀在30Hz左右的控制频率下工作，这样可使冲洗气流时间上均匀分配，较小HC波动的冲击。

对EMS发动机控制单元里软件数据进行调整，更改炭罐阀控制频率12.5Hz、14.3Hz和16.7Hz，均对共振有一定降低左右，但综合考虑碳罐阀控制频率对炭罐里油气在怠速阶段的冲洗效果，最终确定炭罐阀控制频率即炭罐冲洗频率12.5Hz，更改炭罐阀控制频率整车振动频谱见图8。

图8 更改炭罐阀控制频率整车振动频谱

通过对投诉车辆进行调查，找到发生不规则抖动真正原因来自发动机怠速转速频率、碳罐怠速冲洗频率与动力总成的一阶固有频率发生耦合共振。综合评估车辆维修费用、油耗及碳罐冲洗，通过优化EMS发动机控制单元里软件数据进行调整，更改炭罐阀控制频率12.5Hz来避开共振区间，最终解决终端客户的抱怨，避免投诉的同时，也为整车厂的国六项目顺利开展提供保障及支持。