柴油機排氣后處理DPF失效時故障特征

姚廣濤， 伍 恒

(軍事交通學院軍用車輛系， 天津 300161)

柴油機排氣后處理DPF失效時故障特征

姚廣濤， 伍 恒

(軍事交通學院軍用車輛系， 天津 300161)

針對柴油機顆粒物過濾器(Diesel Particulate Filter, DPF)在使用過程中出現的失效狀態，通過臺架實驗研究了DPF破損或堵塞時柴油機排氣特性參數變化規律，分析了DPF失效時故障特征及敏感程度。結果表明：DPF的前、后溫度和排氣背壓對DPF破損與堵塞故障表現出較好的敏感程度，可以作為DPF故障診斷的主要故障特征參數。

柴油機；DPF；故障特征；OBD

柴油機顆粒物過濾器(Diesel Particulate Filter, DPF)對柴油機有害顆粒物(Particulate Matter,PM)排放捕集效率在90%以上，對顆粒物數量(Particulate Number,PN)的捕集效率達到99%[1]。因此，柴油機排氣后處理采用DPF是滿足歐Ⅵ及以上排放法規中PN限制的有效手段[2]。

在使用過程中，由于再生控制系統故障以及振動、熱沖擊等問題，DPF會出現失效,如：再生溫度過高導致的燒熔,溫度梯度過大導致的燒裂，灰分累積過多、再生失敗或者再生不完全導致的DPF堵塞，以及機械振動導致的DPF結構損壞等[3]。DPF失效若不能被及時發現并進行處理，不僅會影響發動機的動力性和經濟性，還會使發動機啟動困難，出現熄火現象，甚至會使安裝在發動機上的轉矩限制器發揮作用而影響車輛正常行駛，而且還會使得排放超過排放標準限值，對環境造成危害。

DPF故障診斷是柴油機在線故障診斷(On-Board Diagnostics,OBD)系統的重要組成部分[4]，對DPF失效的故障形式與程度進行快速有效的檢測是DPF技術的研究熱點之一[5]。筆者通過臺架實驗研究了DPF破損或堵塞時柴油機排氣特性參數變化規律，分析了DPF失效時故障特征及敏感程度，為實現對DPF失效的準確判斷提供了理論支持。

1 實驗裝置與方法

由于DPF系統發生故障時，多個排氣特性參數會發生改變,為了提取在不同故障類型和故障程度中變化最明顯的排氣參數，筆者設計了排氣阻力實驗臺，并針對過濾器不同的失效形式，開展了排氣溫度和排氣背壓敏感程度研究。

排氣阻力實驗臺主要由變頻調速風機、流量計、空氣加熱器和DPF實驗裝置組成，其中：DPF實驗裝置分別在DPF前、后裝有溫度傳感器(T1、T2)和壓力傳感器(P1、P2)，如圖1所示。實驗目的為:分析排氣流量和排氣溫度可控時，不同形式(健康或者不同故障形式)的DPF前、后溫度和壓力的變化規律。具體的實驗流程是：在不同的排氣流量下，采集7種不同測試形式DPF(如表1所示)在氣道流體升溫和降溫過程中過濾器前、后的溫度和壓力數據。

圖1 排氣阻力實驗臺

表1 測試DPF的類型

名稱DPF故障類型健康DPF無損壞故障1型DPF人工損壞9.1%故障2型DPF人工損壞13.4%故障3型DPF人工損壞18.2%故障4型DPFPM負載量6.9g/L(模擬堵塞)故障5型DPFPM負載量9.1g/L(模擬堵塞)故障6型DPFPM負載量12.5g/L(模擬堵塞)

2 DPF失效故障特征與敏感程度

2.1 排氣溫度對DPF破損敏感程度

排氣流量分別為180、336 kg/h時，在設定的加熱規律(150～200 ℃)條件下，健康DPF、故障1型和故障3型DPF的前、后排氣溫度T隨時間t的變化曲線分別如圖2、3所示。

圖2 不同破損程度DPF前溫度隨時間變化曲線

圖3 不同破損程度DPF后溫度隨時間變化曲線

由圖2可知：1)隨著DPF破損程度的增大，DPF前溫度達到穩定所需要的時間逐漸增加，其中，圖2(a)中的健康DPF、故障1型以及故障3型DPF所需時間分別為140、180、300 s,這是因為DPF破損程度越大，其對排氣流動的阻力就越小，從而導致前溫度積聚上升效應減弱，溫度上升緩慢；2)在排氣流量分別為180、336 kg/h時，故障1型DPF前溫度達到穩定所需時間分別為180、350 s，這是因為DPF破損程度相同時，排氣流量越大，排氣流速越快，從而導致前溫度積聚上升效應減弱，溫度上升緩慢。

由圖3可以看出：1)DPF后溫度上升的過程也存在一定的延時，但相比之下，不同破損程度的DPF后溫度達到穩定時的幅值明顯不同，DPF破損程度越大，DPF后溫度達到穩定時的幅值越低；2)在排氣流量分別為180、336 kg/h時，故障1型DPF后溫度達到穩定的幅值分別為185、165 ℃，這主要是因為在DPF同一破損程度下，排氣流量越大，排氣帶走的熱量越多，穩定后DPF后溫度越低。

2.2 排氣溫度對DPF堵塞敏感程度

排氣流量分別為180、336 kg/h時，在設定的加熱規律(400～650 ℃)條件下，健康DPF、故障4型和故障5型DPF前、后溫度T隨t的變化曲線分別如圖4、5所示。

由圖4可知：1)隨著DPF堵塞程度的增大，DPF前溫度達到穩定所需要的時間逐漸減少，圖4(a)中健康DPF、故障4型以及故障5型DPF前溫度穩定所需時間分別為140、90、50 s，這主要是因為DPF堵塞程度越大，對空氣流動的阻力就越大，從而導致DPF前溫度積聚上升效應加強，溫度上升迅速；2)當排氣流量分別為180、336 kg/h時，故障4型DPF前溫度達到穩定所需要的時間分別為90、250 s，主要是因為排氣流量越大，排氣流速越快，從而導致前溫度積聚上升效應減弱，溫度上升緩慢。

圖4 不同堵塞程度DPF前溫度隨時間變化曲線

圖5 不同堵塞程度DPF后溫度隨時間變化曲線

由圖5可知：1)由于DPF堵塞程度不同，DPF后溫度上升的過程也存在一定的延時，但相比之下，DPF堵塞程度越大，DPF后溫度達到穩定時的幅值越低； 2)排氣流量分別為180、336 kg/h時，故障4型DPF后溫度達到穩定時的幅值分別為550、600 ℃，這主要是因為同一DPF堵塞程度下，排氣流量越大，排氣與DPF摩擦產生的熱量就越大，從而導致DPF后溫度穩定時幅值就越大。

2.3 排氣背壓對DPF破損與堵塞敏感程度

排氣流量分別為180、336 kg/h時，在設定的加熱規律(150～200 ℃)條件下，健康DPF、故障1型DPF和故障3型DPF排氣背壓ΔP隨t的變化曲線分別如圖6所示。可見：DPF破損程度越大，排氣背壓值越低；排氣流量越大，排氣背壓值相對越高。

圖6 不同破損程度DPF排氣背壓隨時間變化曲線

排氣流量分別為180、336 kg/h時，在設定的加熱規律(400～650 ℃)條件下，健康DPF、故障4型和故障5型DPF排氣背壓ΔP隨t的變化曲線如圖7所示?？梢姡翰煌氯潭鹊腄PF排氣背壓值區別很明顯，DPF堵塞程度越大，排氣流量越大，排氣背壓越高。

圖7 不同堵塞程度DPF排氣背壓隨時間變化曲線

3 結論

1) DPF破損或堵塞程度不同，DPF前、后溫度達到穩定所需要的時間(即延時特性)就不同，DPF后溫度達到穩定時的幅值也不同,DPF前、后壓差幅值會發生明顯的變化，這表明:排氣溫度、排氣背壓對DPF破損與堵塞故障均表現出較好的敏感程度，可以作為DPF故障診斷的主要故障特征參數。

2) 要實現柴油機后處理DPF-OBD功能，應當結合排氣溫度、排氣背壓的變化，對DPF失效形式與程度進行準確判斷。

[1] 李駿.汽車發動機節能減排先進技術[M].北京：北京理工大學出版社，2011：216-222.

[2] 帥石金，唐韜，趙彥光,等．柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望[J]．汽車安全與節能學報，2012，3(3)：200-217．

[3] Dabhoiwala R H，Johnson J H，Naber J D，et al． A Methodology to Estimate the Mass of Particulate Matter Retained in a Catalyzed Particulate Filter as Applied to Active Regeneration and On-Board Diagnostics to Detect Filter Failures[J]． SAE Technical Paper 2008-01-0764, 2008,doi:10.4271/2008-01-0764.

[4] 卜建國,張衛鋒,資新運，等.基于OBD技術的輕型柴油車DPF系統診斷策略的研究[J]. 汽車工程，2011(3)：203-207.

[5] Atsuo K，Shoji Y，Takayuki S，et al．New Particulate Matter Sensor for On Board Diagnosis[J]．SAE International Paper, 2001-01-0302，2011，doi:10.4271/2011-01-0302.

(責任編輯: 尚菲菲)

Fault Characteristics Research on Diesel Exhaust After-treatment DPF

YAO Guang-tao, WU Heng

(Department of Military Vehicle, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

According to the failure state of DPF (Diesel Particulate Filter) in use, diesel exhaust characteristic parameter variation, fault characteristics and the degree of sensitivity are analyzed by bench research methods when the DPF clogged or damaged. The results show that DPF inlet temperature, DPF outlet temperature and exhaust back pressure can be used as the main characteristic parameters for DPF fault analysis because they exhibit better sensitivity degree to DPF clogged and damaged.

diesel; Diesel Particulate Filter (DPF); fault characteristics; On-Board Diagnostics (OBD)

1672-1497(2015)03-0055-04

2015-03-12

國家“863”計劃項目(2013AA065303)

姚廣濤(1962-)，男，教授，博士。

TK421+.5; TK428

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.011