柴油車DPF系統的OBD故障診斷策略研究

戴金池，龐海龍，俞妍，卜建國，資新運

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

柴油機是機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致癌變和各種心血管疾病，包括中國在內，世界各地都制定了相應的排放法規來限制柴油機的PM排放[1-2]。

減少柴油機PM排放最有效的措施是給柴油機加裝顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，其能夠過濾掉柴油機尾氣中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吸附顆粒物過載導致排氣背壓過高，影響發動機的動力性和經濟性，甚至造成起動困難、熄火等現象；再生過程溫度過高會導致DPF燒熔，溫度梯度過大則會導致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致DPF堵塞[5-7]。作為保證柴油機PM排放滿足排放標準限值的關鍵后處理裝置，DPF發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的要求，對環境造成嚴重危害。

因此，DPF故障診斷一直是柴油機車載自動診斷系統(On-Board Diagnostics，OBD)的重要組成部分，面對國六排放法規對PM排放和DPF監測的更高要求，如何快速有效地確定DPF的故障狀態與程度對DPF-OBD至關重要，有必要針對DPF不同故障的故障特征及診斷策略開展研究。本研究通過發動機臺架試驗獲得循環工況數據，結合仿真模擬，探究了國六后處理條件下DPF關鍵功能性故障的故障特征和敏感程度，以及用于區分各故障的OBD診斷策略。

1 DPF-OBD功能簡述

1.1 DPF與OBD系統構成

國六柴油機后處理系統通常由柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)、DPF、選擇性催化還原轉化器(Selective Catalytic Reduction，SCR)和氨逃逸催化器(Ammonia Slip Catalyst，ASC)組成(見圖1)。其中，DPF子系統利用DPF自身相間堵孔結構將排氣中的PM在過濾壁面上攔截下來，使排放水平達到排放法規的要求。PM的累積會造成排氣背壓逐漸上升，達到一定程度時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再生時機必要的傳感器，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用來監測DPF狀態的主要依據。

圖1 國六后處理系統結構

OBD對DPF系統的診斷項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個部分。部件級診斷包括與DPF相關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測；功能性診斷主要是依據監測信號的變化以及各參數之間的關聯性來判斷DPF系統是否能夠實現正常的功能；OTLs診斷是監測DPF系統是否實現排放法規要求的減排能力的診斷項目。DPF-OBD整體框架[8]見圖2。

圖2 DPF-OBD模塊結構

其中，功能性診斷是DPF-OBD診斷項目中較為重要的部分，OTLs診斷需要使用到價格不菲的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排放的關聯進行診斷。而部件級診斷雖然在國六OBD故障診斷中占據了絕大部分的比例，如圖3所示，但是由于診斷內容是簡單的限值診斷和電路故障等，在OBD系統標定中占據的工作量并不大。與功能性診斷相關的故障則由于涉及到需要動態標定的故障、需要標定模型的故障和需要根據排放循環標定的限值故障，是OBD診斷策略研究的重點。

圖3 OBD故障分類與所占比重

1.2 DPF功能性診斷的關鍵診斷內容

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系統新增加的監測要求，當DPF破損、移除和堵塞故障發生時，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分開來。因此，建立有效區分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鍵部分。

2 DPF關鍵功能性故障的診斷研究

DPF故障診斷的研究可以通過進行失效DPF的發動機臺架試驗來獲得故障數據，提取故障特征。但是，臺架試驗需要大面積地破壞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，后處理系統的輸入參數如排氣流量、排氣溫度、排氣組分以及DPF的結構參數均由臺架WHTC循環試驗獲得(見圖4)。

圖4 臺架試驗的總體布局

試驗在AVL部分流發動機臺架上進行，發動機為東風DDi75系列X7國六重型柴油發動機，其技術參數見表1。

排氣后處理系統采用能夠滿足國六排放標準的集成后處理系統，由DOC、DPF、SCR和ASC組成，其中DOC、DPF和SCR的詳細技術參數見表2。

表1 發動機相關參數

表2 集成后處理系統的結構參數

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。能夠與氧氣反應的炭煙顆粒是DPF通過主動或被動再生去除的主要物質，但是來自潤滑油、燃油添加劑燃燒后的無機物和部分發動機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致DPF孔道內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模型，入口邊界條件由臺架試驗數據導入，出口邊界條件設置為標準大氣壓。將DPF模塊的流通面積依次設置為原面積的100%，75%和50%，初始碳載量設置為4 g/L，在臺架試驗獲得的WHTC工況數據下進行仿真，結果見圖5。

由圖5可見，DPF壓降隨著堵塞程度的增大不斷增加，當流通面積為正常值的50%時，壓降的陡然上升已經相當明顯，達到了正常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性不斷增加，這是因為DPF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、后溫度的延時性。

圖5 DPF堵塞時相關傳感器數值隨時間的變化

直接對DPF前后溫度的時間延遲進行觀察是較為困難的，根據DPF前后溫度延時性產生的原理，可以利用DPF前溫度與后溫度的相關系數作為故障診斷的依據，計算方法如下[12]：

(1)

分別計算在WHTC循環下和起動階段(取WHTC循環前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系數，結果見表3。

表3 DPF堵塞故障的相關系數計算結果

可以看出，利用DPF前溫度與后溫度的相關系數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系數的差異更加明顯，因此DPF壓降與DPF前溫度、后溫度的相關系數可以作為DPF堵塞故障的診斷依據。

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破損，排氣在DPF載體中的流通空間變大是DPF出現破損時最直接的影響，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。設置DPF碳載量為4 g/L時的仿真結果見圖6。

圖6 DPF破損時相關傳感器數值隨時間的變化

從圖6中可知，DPF破損的故障特征與DPF堵塞時正好相反：1)DPF壓降隨著破損程度的增加而減小；2)DPF后溫度隨著破損程度的增加延時性不斷減小，這是因為DPF破損時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后溫度的延時性降低。

驗證了DPF前溫度與后溫度的相關系數對載體不同程度破損的敏感程度，結果見表4。

表4 DPF破損故障的相關系數計算結果

計算結果表明，與DPF堵塞故障相似，利用DPF前溫度與后溫度的相關性系數可以很好地區分正常DPF與故障DPF，相關系數的差異在起動階段尤為明顯。

2.3 DPF移除的故障特征

在車輛實際運行過程中，存在DPF載體完全損壞、被人為移除、被一個消音器或直管所替代的現象，此時DPF已經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壓降變化的仿真結果見圖8。

圖8 DPF失效時相關傳感器數值隨時間的變化

由圖8可知：1)DPF壓降在DPF被移除時有著明顯的變化，即使是空載狀態，正常的DPF壓降與被替代為直管后壓降依然有著3個數量級的差異，這是因為DPF壓降是由其相間堵孔結構引起的，DPF被移除意味著這種相間堵孔結構完全消失，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，這是因為DPF的結構對溫度的傳導具有一定的阻礙作用，當DPF被移除后，會導致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DPF被移除時，其前溫度和后溫度的變化與DPF破損時較為相似，前后溫度的相關性大幅增加，而壓降則有著幾個數量級的差異，可以用作區分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致壓降信號的變化，因此單憑壓降信號無法區分它們。但是，壓差傳感器信號合理性故障并不會改變DPF的結構和功能，因此不會對DPF前后溫度產生影響，結合這兩點，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關鍵功能性診斷的診斷邏輯

顆粒物在DPF中的累積是一個連續變化的過程，不存在突變的情況，而當發生壓差傳感器信號不合理、DPF堵塞、破損等故障時，會導致基于壓降預測的DPF碳載量出現較大的變化。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系統存在潛在故障。

確定存在潛在故障后，在下一個OBD循環起動階段利用DPF前后溫度的相關系數來區分具體的故障類型，若相關系數過低，則判定為DPF堵塞故障，過高則判定為DPF破損故障，在合理范圍內則確認為壓差傳感器信號不合理，這樣便能夠按照法規要求在兩個OBD循環內完成故障診斷。

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雜性來提高診斷的準確度，而OBD診斷策略中涉及到許多計算模型，更為有效和準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 結論

a) DPF破損時，DPF前后溫度的延時特性會降低，而在DPF堵塞時，其前后溫度的延時特性會增加，DPF被移除后DPF壓降與正常狀態有著3個數量級的差異，幾乎接近于0；

b) DPF前溫度與后溫度的相關系數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的相關系數差異更加明顯；

c) 結合壓降信號和DPF前后溫度的相關系數，可以建立有效區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。