戴金池，龐海龍，俞妍，卜建國，資新運(yùn)

(1.陸軍軍事交通學(xué)院研究生隊(duì)，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系，天津 300161)

柴油機(jī)是機(jī)動車排放污染物中顆粒物(Particulate Matter，PM)的主要來源，城市大氣PM2.5源解析工作的結(jié)果顯示，移動源對PM2.5濃度有著重要的影響。研究表明，受PM影響形成的霧霾可能會導(dǎo)致癌變和各種心血管疾病，包括中國在內(nèi)，世界各地都制定了相應(yīng)的排放法規(guī)來限制柴油機(jī)的PM排放[1-2]。

減少柴油機(jī)PM排放最有效的措施是給柴油機(jī)加裝顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，其能夠過濾掉柴油機(jī)尾氣中90%以上的PM和接近99%的PN[3-4]。但在使用過程中，由于再生控制策略失效以及振動、熱沖擊等問題的影響，可能會造成DPF失效并帶來諸多問題，如：DPF吸附顆粒物過載導(dǎo)致排氣背壓過高，影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，甚至造成起動困難、熄火等現(xiàn)象；再生過程溫度過高會導(dǎo)致DPF燒熔，溫度梯度過大則會導(dǎo)致DPF破裂，影響DPF對PM的捕集效率；而灰分的累積或者再生不完全會導(dǎo)致DPF堵塞[5-7]。作為保證柴油機(jī)PM排放滿足排放標(biāo)準(zhǔn)限值的關(guān)鍵后處理裝置，DPF發(fā)生故障不但會影響車輛的正常行駛，還會使得車輛排放不再滿足排放法規(guī)的要求，對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。

因此，DPF故障診斷一直是柴油機(jī)車載自動診斷系統(tǒng)(On-Board Diagnostics，OBD)的重要組成部分，面對國六排放法規(guī)對PM排放和DPF監(jiān)測的更高要求，如何快速有效地確定DPF的故障狀態(tài)與程度對DPF-OBD至關(guān)重要，有必要針對DPF不同故障的故障特征及診斷策略開展研究。本研究通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)獲得循環(huán)工況數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真模擬，探究了國六后處理?xiàng)l件下DPF關(guān)鍵功能性故障的故障特征和敏感程度，以及用于區(qū)分各故障的OBD診斷策略。

1 DPF-OBD功能簡述

1.1 DPF與OBD系統(tǒng)構(gòu)成

國六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)通常由柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)、DPF、選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器(Selective Catalytic Reduction，SCR)和氨逃逸催化器(Ammonia Slip Catalyst，ASC)組成(見圖1)。其中，DPF子系統(tǒng)利用DPF自身相間堵孔結(jié)構(gòu)將排氣中的PM在過濾壁面上攔截下來，使排放水平達(dá)到排放法規(guī)的要求。PM的累積會造成排氣背壓逐漸上升，達(dá)到一定程度時(shí)需要通過主動或被動再生手段去除捕集的PM，因此壓差傳感器和DPF前、后溫度傳感器是用以判斷DPF再生時(shí)機(jī)必要的傳感器，DPF的各種故障也會帶來DPF壓降與前、后溫度的變化和差異，它們是OBD用來監(jiān)測DPF狀態(tài)的主要依據(jù)。

圖1 國六后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OBD對DPF系統(tǒng)的診斷項(xiàng)目主要可分為部件級診斷、功能性診斷和OBD限值(OBD Threshold Limits，OTLs)診斷3個(gè)部分。部件級診斷包括與DPF相關(guān)的電路線路故障和傳感器自診斷故障，以及針對重要組件信號的簡單的限值監(jiān)測；功能性診斷主要是依據(jù)監(jiān)測信號的變化以及各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性來判斷DPF系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)正常的功能；OTLs診斷是監(jiān)測DPF系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)排放法規(guī)要求的減排能力的診斷項(xiàng)目。DPF-OBD整體框架[8]見圖2。

圖2 DPF-OBD模塊結(jié)構(gòu)

其中，功能性診斷是DPF-OBD診斷項(xiàng)目中較為重要的部分，OTLs診斷需要使用到價(jià)格不菲的PM傳感器來測量DPF出口處的PM濃度，因此通常會利用DPF功能性故障的程度與PM排放的關(guān)聯(lián)進(jìn)行診斷。而部件級診斷雖然在國六OBD故障診斷中占據(jù)了絕大部分的比例，如圖3所示，但是由于診斷內(nèi)容是簡單的限值診斷和電路故障等，在OBD系統(tǒng)標(biāo)定中占據(jù)的工作量并不大。與功能性診斷相關(guān)的故障則由于涉及到需要動態(tài)標(biāo)定的故障、需要標(biāo)定模型的故障和需要根據(jù)排放循環(huán)標(biāo)定的限值故障，是OBD診斷策略研究的重點(diǎn)。

圖3 OBD故障分類與所占比重

1.2 DPF功能性診斷的關(guān)鍵診斷內(nèi)容

DPF功能性故障主要包括DPF移除、DPF吸附顆粒物過載、DPF過濾效率過低、DPF再生頻率過高、DPF堵塞和DPF壓差傳感器信號不可信。其中，DPF過濾效率的精確計(jì)算依賴于PM傳感器的使用，而DPF過濾效率過低通常是由載體破損造成的，因此通常以對DPF破損的診斷作為代替。

DPF壓差傳感器信號合理性診斷屬于國六OBD系統(tǒng)新增加的監(jiān)測要求，當(dāng)DPF破損、移除和堵塞故障發(fā)生時(shí)，壓差傳感器信號同樣會偏離正常水平[9-10]，使其與壓差傳感器信號合理性的診斷無法有效地區(qū)分開來。因此，建立有效區(qū)分DPF移除、破損、堵塞和壓差傳感器合理性故障的診斷策略是國六DPF-OBD功能性診斷研究的關(guān)鍵部分。

2 DPF關(guān)鍵功能性故障的診斷研究

DPF故障診斷的研究可以通過進(jìn)行失效DPF的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)來獲得故障數(shù)據(jù)，提取故障特征。但是，臺架試驗(yàn)需要大面積地破壞DPF樣件，條件較為苛刻。因此，本研究采用基于AVL BOOST仿真軟件的故障注入方法，后處理系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)如排氣流量、排氣溫度、排氣組分以及DPF的結(jié)構(gòu)參數(shù)均由臺架WHTC循環(huán)試驗(yàn)獲得(見圖4)。

圖4 臺架試驗(yàn)的總體布局

試驗(yàn)在AVL部分流發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行，發(fā)動機(jī)為東風(fēng)DDi75系列X7國六重型柴油發(fā)動機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表1。

排氣后處理系統(tǒng)采用能夠滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的集成后處理系統(tǒng)，由DOC、DPF、SCR和ASC組成，其中DOC、DPF和SCR的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)

表2 集成后處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 DPF堵塞的故障特征

DPF堵塞通常是由于灰分累積堵塞孔道造成的。能夠與氧氣反應(yīng)的炭煙顆粒是DPF通過主動或被動再生去除的主要物質(zhì)，但是來自潤滑油、燃油添加劑燃燒后的無機(jī)物和部分發(fā)動機(jī)磨損顆粒無法通過燃燒去除，這些顆粒被稱為灰分。

灰分累積過多會直接導(dǎo)致DPF孔道內(nèi)的有效流通面積減小，因此可以通過改變流通面積來模擬DPF不同程度的堵塞情況[11]。利用AVL Boost仿真軟件建立國六后處理系統(tǒng)模型，入口邊界條件由臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，出口邊界條件設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。將DPF模塊的流通面積依次設(shè)置為原面積的100%，75%和50%，初始碳載量設(shè)置為4 g/L，在臺架試驗(yàn)獲得的WHTC工況數(shù)據(jù)下進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖5。

由圖5可見，DPF壓降隨著堵塞程度的增大不斷增加，當(dāng)流通面積為正常值的50%時(shí)，壓降的陡然上升已經(jīng)相當(dāng)明顯，達(dá)到了正常DPF壓降的2.5倍左右。還可見，DPF后溫度隨著堵塞程度的增加延時(shí)性不斷增加，這是因?yàn)镈PF堵塞讓其入口溫度向出口傳遞的過程中遭遇了很大的阻礙，因此造成了DPF前、后溫度的延時(shí)性。

圖5 DPF堵塞時(shí)相關(guān)傳感器數(shù)值隨時(shí)間的變化

直接對DPF前后溫度的時(shí)間延遲進(jìn)行觀察是較為困難的，根據(jù)DPF前后溫度延時(shí)性產(chǎn)生的原理，可以利用DPF前溫度與后溫度的相關(guān)系數(shù)作為故障診斷的依據(jù)，計(jì)算方法如下[12]：

(1)

分別計(jì)算在WHTC循環(huán)下和起動階段(取WHTC循環(huán)前200 s)正常DPF(碳載量10 g/L、碳載量4 g/L)、75%正面流通面積(碳載量4 g/L)、50%正面流通面積(碳載量4 g/L)條件下DPF前溫度與后溫度的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表3。

表3 DPF堵塞故障的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

可以看出，利用DPF前溫度與后溫度的相關(guān)系數(shù)能夠很好地分辨出堵塞的DPF與正常DPF，其受碳載量影響極小，而流通面積的改變影響較為顯著。在起動階段，DPF迅速升溫的過程讓相關(guān)系數(shù)的差異更加明顯，因此DPF壓降與DPF前溫度、后溫度的相關(guān)系數(shù)可以作為DPF堵塞故障的診斷依據(jù)。

2.2 DPF破損的故障特征

DPF載體壁面受熱沖擊和振動的影響容易出現(xiàn)破損，排氣在DPF載體中的流通空間變大是DPF出現(xiàn)破損時(shí)最直接的影響，因此可以通過改變DPF的微孔密度來模擬載體的不同破損程度。設(shè)置DPF碳載量為4 g/L時(shí)的仿真結(jié)果見圖6。

圖6 DPF破損時(shí)相關(guān)傳感器數(shù)值隨時(shí)間的變化

從圖6中可知，DPF破損的故障特征與DPF堵塞時(shí)正好相反：1)DPF壓降隨著破損程度的增加而減??；2)DPF后溫度隨著破損程度的增加延時(shí)性不斷減小，這是因?yàn)镈PF破損時(shí)入口端與出口端的貫通程度增加，DPF入口溫度能夠不受阻礙地傳遞到出口，因此造成了DPF后溫度的延時(shí)性降低。

驗(yàn)證了DPF前溫度與后溫度的相關(guān)系數(shù)對載體不同程度破損的敏感程度，結(jié)果見表4。

表4 DPF破損故障的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，與DPF堵塞故障相似，利用DPF前溫度與后溫度的相關(guān)性系數(shù)可以很好地區(qū)分正常DPF與故障DPF，相關(guān)系數(shù)的差異在起動階段尤為明顯。

2.3 DPF移除的故障特征

在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，存在DPF載體完全損壞、被人為移除、被一個(gè)消音器或直管所替代的現(xiàn)象，此時(shí)DPF已經(jīng)完全喪失了其過濾顆粒物的功能。為了模擬此類故障，在AVL Boost中使用一段排氣管替代DPF來模擬DPF失效故障，如圖7所示。

圖7 DPF失效故障仿真

WHTC工況下DPF前后溫度與DPF壓降變化的仿真結(jié)果見圖8。

圖8 DPF失效時(shí)相關(guān)傳感器數(shù)值隨時(shí)間的變化

由圖8可知：1)DPF壓降在DPF被移除時(shí)有著明顯的變化，即使是空載狀態(tài)，正常的DPF壓降與被替代為直管后壓降依然有著3個(gè)數(shù)量級的差異，這是因?yàn)镈PF壓降是由其相間堵孔結(jié)構(gòu)引起的，DPF被移除意味著這種相間堵孔結(jié)構(gòu)完全消失，由此引起的壓降也隨之消失。2)正常DPF的后溫度的變化過程相較DPF前溫度存在一定的延時(shí)，這是因?yàn)镈PF的結(jié)構(gòu)對溫度的傳導(dǎo)具有一定的阻礙作用，當(dāng)DPF被移除后，會導(dǎo)致DPF入口溫度沒有任何阻礙地傳遞到DPF出口，造成前后溫度的變化近乎完全一致。

因此，當(dāng)DPF被移除時(shí)，其前溫度和后溫度的變化與DPF破損時(shí)較為相似，前后溫度的相關(guān)性大幅增加，而壓降則有著幾個(gè)數(shù)量級的差異，可以用作區(qū)分DPF破損和被移除故障的故障特征。

2.4 OBD診斷策略

OBD診斷邏輯見圖9。由于DPF堵塞、破損和移除故障同樣會導(dǎo)致壓降信號的變化，因此單憑壓降信號無法區(qū)分它們。但是，壓差傳感器信號合理性故障并不會改變DPF的結(jié)構(gòu)和功能，因此不會對DPF前后溫度產(chǎn)生影響，結(jié)合這兩點(diǎn)，便能夠確定DPF壓差傳感器信號合理性的故障診斷策略。

圖9 DPF關(guān)鍵功能性診斷的診斷邏輯

顆粒物在DPF中的累積是一個(gè)連續(xù)變化的過程，不存在突變的情況，而當(dāng)發(fā)生壓差傳感器信號不合理、DPF堵塞、破損等故障時(shí)，會導(dǎo)致基于壓降預(yù)測的DPF碳載量出現(xiàn)較大的變化。如果基于碳載量反算的壓降與壓差傳感器的測量值偏差過大，則能夠初步判斷DPF系統(tǒng)存在潛在故障。

確定存在潛在故障后，在下一個(gè)OBD循環(huán)起動階段利用DPF前后溫度的相關(guān)系數(shù)來區(qū)分具體的故障類型，若相關(guān)系數(shù)過低，則判定為DPF堵塞故障，過高則判定為DPF破損故障，在合理范圍內(nèi)則確認(rèn)為壓差傳感器信號不合理，這樣便能夠按照法規(guī)要求在兩個(gè)OBD循環(huán)內(nèi)完成故障診斷。

在不增加額外傳感器的情況下，OBD只能夠通過增加診斷策略的復(fù)雜性來提高診斷的準(zhǔn)確度，而OBD診斷策略中涉及到許多計(jì)算模型，更為有效和準(zhǔn)確的診斷仍依賴于模型精度的提高和更加有效的信號處理方法[13]。

3 結(jié)論

a) DPF破損時(shí)，DPF前后溫度的延時(shí)特性會降低，而在DPF堵塞時(shí)，其前后溫度的延時(shí)特性會增加，DPF被移除后DPF壓降與正常狀態(tài)有著3個(gè)數(shù)量級的差異，幾乎接近于0；

b) DPF前溫度與后溫度的相關(guān)系數(shù)可以較為有效地反映DPF的故障情況，尤其是在起動階段，正常DPF與故障DPF的相關(guān)系數(shù)差異更加明顯；

c) 結(jié)合壓降信號和DPF前后溫度的相關(guān)系數(shù)，可以建立有效區(qū)分壓差傳感器合理性故障、DPF破損、堵塞和移除故障的診斷策略。