基于PM 傳感器的DPF 故障診斷方法

王秋花， 李延紅， 劉永春， 高發(fā)廷

（中國(guó)重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心， 山東 濟(jì)南 250000）

隨著我國(guó)環(huán)境壓力的日益增大，國(guó)家對(duì)車輛的排放法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《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） 標(biāo)準(zhǔn)［1］。為了滿足國(guó)Ⅵ排放法規(guī)要求，系統(tǒng)通常采用DPF顆粒捕集器來(lái)降低尾氣中顆粒，而且國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中明確提出系統(tǒng)應(yīng)該具備監(jiān)測(cè)DPF不能捕集顆粒的故障或DPF過(guò)濾效率低的故障。本文介紹了一種使用PM顆粒傳感器來(lái)判斷DPF故障的方法。

1 國(guó)Ⅵ后處理系統(tǒng)構(gòu)成

國(guó)Ⅵ后處理系統(tǒng)主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。系統(tǒng)安裝有2個(gè)NOx傳感器、4個(gè)排溫傳感器、1個(gè)壓差傳感器以及1個(gè)PM傳感器。

圖1 國(guó)Ⅵ后處理系統(tǒng)構(gòu)成

1） DOC （氧化催化器，Diesel Oxidation Catalyst）：催化氧化發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的HC、CO、NO等氣態(tài)排放物，生成NO2和CO2。其中，HC氧化放熱用于DPF主動(dòng)再生，NO2用于DPF的被動(dòng)再生。

2） DPF （柴油顆粒過(guò)濾器，Diesel Particulate Filter）：壁流式結(jié)構(gòu)，用于捕集排氣中的碳顆粒。其中，DPF的再生可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種。

3） SCR （選擇性催化還原，Selective Catalytic Reduction）：SCR系統(tǒng)采用的還原劑是尿素，尿素NH2CONH2和H2O在高溫下分解成NH3和CO2，其工作原理是將還原劑噴入排氣管，排氣中的氮氧化合物與NH3反應(yīng)生成N2和H2O。

4） ASC （氨過(guò)濾器，Ammonia Slip Catalyst）：為防止氨氣的泄露，SCR催化器后有氨催化器，在這個(gè)催化器中NH3與O2反應(yīng)生成N2和H2O。

2 PM傳感器

2.1 PM傳感器工作原理

PM （顆粒物） 傳感器，安裝在排氣管的出口位置處，通常用來(lái)測(cè)量尾氣中顆粒物的含量，按照設(shè)計(jì)原理可分為電化學(xué)式、光散射式、靜電放電式以及顆粒物電特性式幾種［2］，其中基于顆粒物特性的可分為電阻式和電容式兩種。本文使用的是BOSCH公司開(kāi)發(fā)的基于電阻式的顆粒物傳感器。

電阻式顆粒物傳感器的工作原理是基于對(duì)電阻的測(cè)量。顆粒物吸附在梳子狀的叉指電極上 （interdigital electrode），并在電極之間形成了導(dǎo)電的通路［3］，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的顆粒物流經(jīng)其表面時(shí)，被叉指電極收集并填補(bǔ)在電極間的縫隙中，由于顆粒物具有導(dǎo)電性，相鄰電極之間形成電接觸使電阻值減小，傳感器輸出電流值增加。電阻式PM傳感器工作原理如圖2所示。在每個(gè)測(cè)量階段之前，傳感器元件通過(guò)自身加熱再生，以保證在測(cè)量過(guò)程開(kāi)始的時(shí)候它處于初始狀態(tài)，然后根據(jù)測(cè)得的電流，結(jié)合DPF的實(shí)際標(biāo)定數(shù)據(jù)分析DPF的性能。

圖2 電阻式PM傳感器工作原理

2.2 PM傳感器工作過(guò)程簡(jiǎn)介

在DPF失效的情況下，通過(guò)DPF抵達(dá)PM傳感器的顆粒物也會(huì)相應(yīng)的增加。因此，如果DPF損壞得越嚴(yán)重，相應(yīng)的過(guò)濾效果就越差。顆粒物流經(jīng)PM傳感器，并在其內(nèi)部IDE上累積聚集，導(dǎo)致電流增大。

PM傳感器通常有3個(gè)工作階段。

1） 等待階段——該階段是為了確保所有上游的水汽蒸發(fā)。

2） 再生階段——該階段通過(guò)內(nèi)部集成的加熱器提高傳感器元件的溫度，上一周期累積的顆粒物在高溫條件下被氧化，在IDE再生完成后，PM傳感器即完成測(cè)量準(zhǔn)備。

3） 測(cè)量階段——該階段進(jìn)行顆粒物的測(cè)量，如果顆粒物持續(xù)累積，則測(cè)量電流將會(huì)增加。

如圖3所示，為失效DPF的三階段工作情況。實(shí)際上，對(duì)于未故障的DPF來(lái)說(shuō)，測(cè)試的電流基本上接近于零。

圖3 PM傳感器測(cè)試失效DPF的工作過(guò)程

3 基于PM傳感器的DPF故障診斷

3.1 OBD法規(guī)要求

根據(jù)GB17691-2018《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）》 附件FC要求，OBD系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)DPF系統(tǒng)的部件和性能參數(shù)［1］。

DPF性能：①DPF堵塞—嚴(yán)重功能性故障監(jiān)測(cè)；②監(jiān)測(cè)DPF的過(guò)濾和再生過(guò)程，在DPF性能下降并導(dǎo)致顆粒排放超過(guò)OBD限值時(shí)，OBD系統(tǒng)應(yīng)檢測(cè)出故障—排放限值監(jiān)測(cè)。

3.2 DPF故障診斷

系統(tǒng)采用上述電阻式PM傳感器進(jìn)行DPF故障診斷。在每次測(cè)量之前，需要進(jìn)行露點(diǎn)檢測(cè)，用于保護(hù)傳感器不被損壞。露點(diǎn)檢測(cè)完成之后，PM傳感器隨即進(jìn)入加熱模式（再生階段），清除之前累積在電極之間的顆粒，確保每次測(cè)量都是從零開(kāi)始。如圖4所示的DPF故障診斷流程，根據(jù)模型累計(jì)積分時(shí)間，對(duì)比實(shí)測(cè)傳感器電流的大小，用于評(píng)估當(dāng)前DPF是否為故障DPF。

圖4 DPF故障診斷流程

以再生結(jié)束時(shí)刻開(kāi)始，直至實(shí)際采集的IDE叉指電極之間的電流大于預(yù)設(shè)電流閾值的時(shí)間為預(yù)估觸發(fā)時(shí)間tR，tR的計(jì)算主要考慮尾氣中顆粒的濃度、排氣速度、溫度以及傳感器的靈敏度。

OBD的比值包含R1和R2的計(jì)算：

式中：R1——DPF正常狀態(tài)判定；R2——DPF故障狀態(tài)判定；ISen——傳感器實(shí)測(cè)電流；IC——標(biāo)定的電流閾值；IIDE——PM傳感器溫度補(bǔ)償值。

按照式（1），當(dāng)R1的值在1～2之間，當(dāng)R1=2時(shí)，表示DPF完全無(wú)問(wèn)題；當(dāng)R1=1時(shí)，表示DPF處于臨界狀態(tài)。

按照式 （2），R2的值在0～1之間，DPF過(guò)濾效率越低，則R2的值越小。

3.3 臺(tái)架驗(yàn)證

如圖5所示為故障DPF的實(shí)物圖，圖6為正常DPF和故障DPF在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上測(cè)得的PM傳感器的電流值。通過(guò) （1） 和 （2） 公式，可以準(zhǔn)確地診斷出DPF 的過(guò)濾效果，滿足OBD法規(guī)要求。

圖5 故障DPF

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于PM傳感器的DPF故障診斷方法，通過(guò)采集PM傳感器的電流，可以得到DPF的實(shí)際過(guò)濾效果，可以快捷、方便地診斷出DPF過(guò)濾效率低的故障，滿足OBD法規(guī)要求。

圖6 故障DPF和正常DPF實(shí)測(cè)電流值