柴油機(jī)DPF系統(tǒng)失效故障特征分析

王欣偉，程德新，張 軍，任憲豐，趙樹(shù)恩

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 濰坊 261000； 2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 重慶 400074； 3.濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261000)

1 引言

柴油機(jī)以其優(yōu)越的熱效率、功率特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，是當(dāng)前重型商用車、船舶及其他大型運(yùn)載裝備的主要?jiǎng)恿χ?。隨著《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法》(中國(guó)第六階段)全面實(shí)施，對(duì)重型柴油機(jī)排放的物氮氧化物(NO)和顆粒物(particulate matter，PM)排放限值分別提升了77%和67%，并新增了粒子數(shù)量(particulate number，PN)的限值要求。通過(guò)加裝柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(Diesel Particulate Filter，DPF)對(duì)尾氣排放顆粒物(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)的捕集效率可以達(dá)到90%和99%。但隨著汽車的行駛里程增加，由于熱沖擊、振動(dòng)以及惡劣工況，使得氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、DPF出現(xiàn)載體堵塞、破損、老化等故障，故障的出現(xiàn)會(huì)使得柴油機(jī)的動(dòng)力性能變差以及油耗和排放增加。如顆粒物累積、再生不完全或失敗將導(dǎo)致后處理裝置堵塞，造成背壓增加出現(xiàn)燃燒變差、熄火和啟動(dòng)困難等現(xiàn)象，甚至?xí)ㄟ^(guò)ECU降低發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩，限制車輛的行駛車速；此外，碳煙積載過(guò)多使得再生溫度過(guò)高導(dǎo)致載體基質(zhì)燒融，溫度梯度過(guò)大導(dǎo)致燒裂，以及機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破損，使得部分氣體未進(jìn)行處理直接排向大氣；過(guò)濾器老化使得催化反應(yīng)減弱，引起后端污染物濃度增加。

因此，國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制車載診斷(OBD)系統(tǒng)的功能提出了新要求，如OBD系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)DPF的部件和性能參數(shù)等。如何快速有效地進(jìn)行DPF故障辨識(shí)與預(yù)警，對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放及故障自診斷至關(guān)重要。

2 柴油機(jī)后處理系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 柴油機(jī)后處理系統(tǒng)構(gòu)成

國(guó)六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)通常由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(jiàn)圖1)。其中，在后處理裝置中加裝DPF是處理尾氣顆粒物的最佳方式，其工作原理是通過(guò)微粒捕集器自身相間的堵孔結(jié)構(gòu)，將排氣中較大PM收集在入口通道內(nèi)并適時(shí)燃燒，來(lái)降低排向大氣的PM，達(dá)到凈化排氣的目的。隨著柴油機(jī)不斷運(yùn)行，DPF會(huì)不斷捕集排氣中的PM，使得排氣背壓逐漸增大，當(dāng)背壓達(dá)到一定值時(shí)將觸發(fā)主動(dòng)再生程序，通過(guò)燃燒DPF中的碳煙顆粒來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一個(gè)良好的背壓環(huán)境下，在此過(guò)程中需要得到DPF的壓降信號(hào)以及進(jìn)出口溫度信號(hào)來(lái)判斷再生。當(dāng)DPF出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)使得DPF相關(guān)信號(hào)出現(xiàn)差異，故通過(guò)DPF壓降和進(jìn)出口溫度信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別DPF的工作狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)有效再生和故障診斷的前提。

圖1 國(guó)六后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 搭建后處理系統(tǒng)仿真模型

運(yùn)用AVL-Boost軟件建立柴油機(jī)后處理系統(tǒng)仿真模型(見(jiàn)圖2)，其關(guān)鍵零部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 后處理系統(tǒng)仿真模型示意圖Fig.2 Simulation model of post-processing system

表1 關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

仿真模型的入口邊界條件(Aftertreatment Boundary 1，ATB1)采用世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況，其進(jìn)口流量、溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖3、圖4所示，出口邊界條件(ATB2)的壓力和溫度分別為0.1 MPa、25 ℃。

圖3 入口流量隨時(shí)間變化曲線

圖4 入口溫度隨時(shí)間變化曲線

3 DPF系統(tǒng)失效時(shí)故障特征仿真分析

3.1 載體堵塞對(duì)DPF壓降及出口溫度的影響

隨著顆粒捕集器裝車?yán)锍痰脑龃?，碳煙在捕集器中逐漸累積，再生失效或再生不完全，會(huì)對(duì)排氣背壓產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，碳煙累積量過(guò)大，再生時(shí)會(huì)導(dǎo)致載體溫度過(guò)高，影響DPF的使用壽命。

由壁流式陶瓷過(guò)濾器結(jié)構(gòu)可知，隨著顆粒物的增加，碳煙和灰分積載量增大，通道有效流通截面積減小，從而造成DPF載體堵塞現(xiàn)象。為了分析DPF載體堵塞時(shí)的故障特性，在仿真過(guò)程中，通過(guò)增加壁厚(Wall Thickness)來(lái)模擬不同程度的堵塞情況，如圖5所示。

圖5 DPF堵塞示意圖

圖6、圖7分別為不同堵塞情況下，DPF壓降及出口溫度的變化曲線。從其中可以看出，隨著堵塞程度的加大，氣流阻力增加，DPF整體壓降下降幅度增大，即前后壓差變大，且壓降與堵塞程度呈正相關(guān)。同時(shí)，隨著堵塞程度的加大，熱流流過(guò)過(guò)濾體的阻力增加，在啟動(dòng)階段，故障狀態(tài)下的DPF出口溫度升溫明顯延遲，隨著工作時(shí)間延長(zhǎng)，DPF出口溫度緩慢上升，且隨著堵塞增加溫度幅度變化減弱。

圖6 DPF壓降隨時(shí)間變化曲線

圖7 DPF出口溫度隨時(shí)間變化曲線

3.2 載體破損對(duì)DPF壓降及出口溫度的影響

汽車在行使過(guò)程中，為了滿足速度需要而頻繁變速，使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量迅速波動(dòng)，可能導(dǎo)致DPF反復(fù)受到熱應(yīng)力而引起基質(zhì)破裂；此外，再生異常使得DPF升溫過(guò)高，而引起基質(zhì)燒融，均會(huì)造成DPF捕集效率下降，導(dǎo)致排氣直接從破損處直接流出，引起排放污染物增加，如圖8所示。為了分析DPF載體破損失效時(shí)的故障特性，在仿真過(guò)程中，通過(guò)改變載體通道數(shù)量CPSI(Cell Density)模擬不同程度的破損和燒蝕情況。

圖8 DPF破損示意圖

圖9、圖10分別展示了DPF載體不同破損情況下，DPF壓降及出口溫度的變化曲線。從其中可以看出，隨著載體破損程度增大，DPF壓降減小，主要原因是由于載體破損加劇，部分氣流不再流經(jīng)過(guò)濾壁，而直接從破損處流向出口通道，流動(dòng)阻力減小而致。同時(shí)，氣體溫度流過(guò)過(guò)濾器面的熱損失減小，使得DPF出口溫度上升較快。

圖9 DPF壓降隨時(shí)間變化曲線

圖10 DPF出口溫度隨時(shí)間變化曲線

3.3 DOC+DPF復(fù)合失效時(shí)DPF故障特征的變化

由圖1可以看出，柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中DOC與DPF工作過(guò)程密切關(guān)聯(lián)，DPF故障特征的表征參數(shù)DPF壓降及出口溫度直接受到DOC出口溫度和壓力的影響，且在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，后處理系統(tǒng)的故障往往是綜合性的，單純通過(guò)DPF壓降或出口溫度較難準(zhǔn)確診斷DPF和相關(guān)載體堵塞、破損等故障的嚴(yán)重程度。因此，有必要對(duì)柴油機(jī)DOC與DPF復(fù)合故障下DPF的故障特征變化進(jìn)行研究。DOC和DPF結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 DOC+DPF結(jié)構(gòu)示意圖

在仿真模型中分別對(duì)DOC正常、堵塞25%、破損25%、老化45%與DPF正常、堵塞25%、破損25%等故障情況進(jìn)行組合仿真，可得到11種不同狀態(tài)組合。采用前文仿真分析方法，分別得到圖12～圖16所示的DOC與DPF故障特征參數(shù)變化曲線。

圖12 DOC前端溫度隨時(shí)間變化曲線

圖13 DOC后端溫度曲線

圖14 DOC前端壓力曲線

圖15 DPF壓降曲線

圖16 DPF出口溫度曲線

由圖12～圖14可以看出，DOC與DPF的復(fù)合故障，均對(duì)DOC入口溫度無(wú)影響，而DOC出口溫度僅與自身堵塞、破損及老化等故障有關(guān)，與DPF的故障無(wú)明顯關(guān)系，但DOC和DPF的復(fù)合故障對(duì)DOC前端壓力影響較大。由圖15可以看出DPF壓降并不能較好地體現(xiàn)DOC故障，但是能夠明顯地體現(xiàn)DPF自身故障，與前文分析的單一DPF故障結(jié)果趨于一致。圖16可以看出，DPF的末端溫度是由DOC和DPF共同決定，即DOC發(fā)生堵塞、破損和老化時(shí)將對(duì)下游溫度造成影響，加之與DPF故障(堵塞、破損)復(fù)合后，使得DPF末端溫度有較大變化。

4 DPF故障診斷策略

通過(guò)上述定性研究，采用觀察法難以直接有效地對(duì)故障進(jìn)行判別。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)顆粒捕集器故障診斷做了大量研究，文獻(xiàn)[5]中引入了故障限值系數(shù)，通過(guò)計(jì)算各工況下的壓差限值，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPF載體故障的檢測(cè)；文獻(xiàn)[8]中根據(jù)DPF前后壓力推導(dǎo)出它的傳遞函數(shù)，通過(guò)對(duì)比不同狀態(tài)下DPF傳遞函數(shù)的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF載體的故障診斷；文獻(xiàn)[7，9]中分別對(duì)不同故障下DPF前后溫度的相關(guān)性進(jìn)行了分析，并將DPF前后溫度的相關(guān)系數(shù)作為過(guò)濾體是否發(fā)生故障的診斷依據(jù)。文獻(xiàn)[10]中提出了一種基于正交最小二乘法模型擬合的DPF故障診斷方法，并引入了錯(cuò)誤系數(shù)向量，通過(guò)計(jì)算該向量實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPF不同故障及其程度的識(shí)別。此外，在對(duì)DPF故障診斷中還較為廣泛采用時(shí)域、頻域和時(shí)-頻域分析方法等。

以上研究對(duì)診斷數(shù)據(jù)的維度利用較少，通過(guò)前文對(duì)DPF失效時(shí)故障特征分析，本研究可選擇DPF的前后壓差和溫差信號(hào)作為故障診斷研究參數(shù)。兼顧早期故障的穩(wěn)定性和敏感性，選擇均方根值、裕度和峭度指標(biāo)作為故障計(jì)算依據(jù)。相關(guān)指標(biāo)定義如下：

1) 均方根值

(1)

2) 裕度指標(biāo)

(2)

3) 峭度指標(biāo)

(3)

式中：為幅值；為觀測(cè)時(shí)間。

在WHTC仿真工況下，對(duì)不同狀態(tài)的DPF前后壓差(Δ/kPa)和溫差(Δ/℃)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 DPF不同故障前后壓差的均方根值、裕度和峭度指標(biāo)

表3 DPF不同故障前后溫差的均方根值、裕度和峭度指標(biāo)

從表2和表3數(shù)據(jù)顯示，僅選擇壓差或溫差的相關(guān)指標(biāo)為故障診斷參數(shù)不太理想，特別是對(duì)不同破損故障的辨識(shí)較差。因此，為了增強(qiáng)不同故障的區(qū)分度，提高故障診斷的可靠性，本文采用加權(quán)平均融合算法(mean value fusion algorithm，MVFA)，即將前后壓差和溫差的相關(guān)指標(biāo)以加權(quán)平均的方式相融合，得到故障診斷參數(shù)：

=rms_Δ+_Δ+_Δ+

rms_Δ+_Δ+_Δ

(4)

式中：，…，為加權(quán)系數(shù)，==…==16；_Δ、_Δ為壓差、溫差均方根值；_Δ、_Δ為壓差、溫差的裕度指標(biāo)；_Δ、_Δ為壓差、溫差的峭度指標(biāo)。

通過(guò)計(jì)算得到不同故障下的故障診斷參數(shù)S值，結(jié)果如表4所示。

表4 DPF不同故障類型對(duì)應(yīng)的故障診斷參數(shù)S值

計(jì)算結(jié)果表明：故障診斷參數(shù)能夠?qū)PF不同故障極其程度進(jìn)行表征。故選用故障診斷參數(shù)是可行的。

DPF故障診斷流程如圖17所示，在不額外增加傳感器情況下，通過(guò)讀取ECU上DPF前后溫度傳感器和壓差傳感器信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果(故障診斷參數(shù))作為DPF故障診斷的判定依據(jù)。

圖17 DPF故障診斷流程框圖

5 結(jié)論

1) DPF載體堵塞會(huì)引起壓降上升，出口溫度響應(yīng)時(shí)延增加，特別在啟動(dòng)階段溫度時(shí)延更加明顯；相反，載體破損會(huì)使得壓降降低，出口溫度響應(yīng)提前，且對(duì)溫度變化更敏感。

2) 在DOC與DPF的復(fù)合故障中，DOC前端壓力是由DOC和DPF載體狀態(tài)共同決定，DPF故障對(duì)DOC出口溫度與無(wú)影響；DPF壓降主要受到自身狀態(tài)的影響，其出口溫度由上游DOC和DPF狀態(tài)共同決定。

3) 通過(guò)對(duì)DPF壓差和溫差的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)融合所得的故障診斷參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF不同故障的甄別。故DPF前后溫度和壓差信號(hào)可以作為它的故障表征參數(shù)。