GPF故障診斷策略研究

王成君，黎 蘇，周文瑾，白曉鑫，郭向陽(yáng)

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)六法規(guī)”）對(duì)輕型車(chē)污染物排放限值提出了更高的要求，在顆粒物排放方面，PM的限值要求由50 mg/km降低至12 mg/km。為滿(mǎn)足法規(guī)要求，汽油車(chē)后處理系統(tǒng)加裝顆粒捕集器（簡(jiǎn)稱(chēng)GPF）已成為降低汽油機(jī)顆粒物排放的一種重要技術(shù)路徑[1]。“OBD”是一種車(chē)載診斷系統(tǒng)，用于排放控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)與排放相關(guān)的任何部件發(fā)生故障時(shí)，OBD系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)顯示出現(xiàn)了故障[2]。作為后處理系統(tǒng)的重要組成部分，國(guó)六法規(guī)明確要求OBD系統(tǒng)對(duì)GPF的正常工作進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

作為OBD系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的新增部件，GPF故障診斷的研究目前還處于起步階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了一些相關(guān)研究。軍事交通學(xué)院的姚廣濤[3]通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲取了不同故障程度下柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）的溫度數(shù)據(jù)，提出了基于溫度數(shù)據(jù)相關(guān)分析的故障診斷策略，為顆粒捕集器故障診斷技術(shù)的發(fā)展提供了一種理論依據(jù)。清華大學(xué)的劉洋[4]設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷算法，該算法建模簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、泛化能力強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。國(guó)外的Husted H[5]和Sappok Alexander[6]等人分別研究了基于PM傳感器的診斷算法和基于射頻傳感器的診斷算法。利用PM傳感器可以直接測(cè)量顆粒物的濃度，測(cè)試方法簡(jiǎn)單有效，但PM傳感器價(jià)格比較昂貴，大規(guī)模應(yīng)用尚不具備條件。射頻傳感器可以直接測(cè)量碳煙和灰分的加載量，并具有監(jiān)測(cè)GPF結(jié)構(gòu)損壞的能力，其相關(guān)應(yīng)用還在研究中。目前應(yīng)用較多的是壓差傳感器信號(hào)分析法[7]，該方法相對(duì)成熟，已在DPF監(jiān)測(cè)上得到廣泛應(yīng)用[8-10]。

本文基于一款國(guó)六輕型汽油車(chē)OBD系統(tǒng)，對(duì)壓差傳感器信號(hào)分析法的診斷原理和相應(yīng)GPF故障診斷策略進(jìn)行了闡述，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了診斷策略驗(yàn)證，檢驗(yàn)了該方法及其診斷策略在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。

1 壓差傳感器信號(hào)分析法

圖1為所用車(chē)輛中GPF及監(jiān)測(cè)用壓差傳感器、溫度傳感器的布置示意圖。

圖1 GPF及其傳感器布置

如圖所示，GPF布置于三元催化器（TWC）的后端，內(nèi)部為璧流式結(jié)構(gòu)，排氣在流經(jīng)GPF時(shí)會(huì)受到進(jìn)出口產(chǎn)生的沿程阻力、壁面和顆粒物產(chǎn)生的流動(dòng)阻力以及孔道截面變化產(chǎn)生的壓縮/膨脹阻力，使得GPF兩端差生壓力差。壓差傳感器布置于GPF前后兩端，壓差測(cè)量方法為Bosch雙膜法，兩個(gè)膜片分別在GPF上游壓力和環(huán)境壓力及GPF下游壓力和環(huán)境壓力作用下產(chǎn)生形變，從而改變內(nèi)部電路電阻，內(nèi)置芯片最終將GPF壓差和下游壓力傳遞給ECU。溫度傳感器布置于GPF前端，用來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行中GPF的入口溫度，以便預(yù)估GPF的載體溫度，防止再生過(guò)程溫度過(guò)高損壞載體，起到輔助診斷的作用。當(dāng)GPF發(fā)生故障時(shí)，其兩端壓差會(huì)發(fā)生變化，據(jù)此可以診斷出相應(yīng)故障。如：當(dāng)GPF載體被移除時(shí)，GPF內(nèi)部為空管，管內(nèi)流動(dòng)阻力非常小，導(dǎo)致壓差傳感器檢測(cè)到的壓差幾乎為零，遠(yuǎn)小于正常情況的壓差，據(jù)此可以診斷出GPF載體移除故障，當(dāng)GPF載體中累碳量過(guò)多時(shí)，會(huì)造成GPF背壓增大，此時(shí)壓差傳感器檢測(cè)到的壓差與正常情況的壓差也有一定的區(qū)分度，據(jù)此可以診斷出GPF背壓過(guò)高故障。

2 GPF故障診斷策略

通過(guò)解讀國(guó)六法規(guī)，總結(jié)出OBD系統(tǒng)關(guān)于GPF的監(jiān)測(cè)要求如下：（1）OBD系統(tǒng)應(yīng)在GPF性能下降而導(dǎo)致顆粒排放超過(guò)OBD閾值之前檢測(cè)出故障，以及在GPF載體完全損壞、移除、丟失時(shí)檢測(cè)出故障。（2）對(duì)單獨(dú)的電子部件，要按照綜合部件監(jiān)測(cè)的要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。即，除了監(jiān)測(cè)上述GPF自身故障外，對(duì)于監(jiān)測(cè)所用壓差傳感器和溫度傳感器，OBD系統(tǒng)應(yīng)監(jiān)測(cè)其電路故障、數(shù)值超范圍故障、合理性故障以及其他能導(dǎo)致排放超過(guò)OBD閾值的故障。

基于以上分析，本文將GPF的故障診斷分為零部件級(jí)的診斷和系統(tǒng)級(jí)的診斷。零部件級(jí)的故障診斷指監(jiān)測(cè)用壓差傳感器和溫度傳感器的故障診斷，系統(tǒng)級(jí)的故障診斷指對(duì)GPF自身進(jìn)行的故障診斷，所有診斷項(xiàng)如表1所示。

表1 GPF診斷故障項(xiàng)

2.1 零部件級(jí)故障診斷策略

零部件級(jí)故障診斷中的電路故障診斷和通訊診斷，都是芯片自診斷完成的，其診斷策略在此不展開(kāi)說(shuō)明。

2.1.1 GPF壓差傳感器數(shù)值超范圍診斷

GPF壓差傳感器數(shù)值超范圍故障指GPF壓差傳感器的測(cè)量信號(hào)值超過(guò)了傳感器的正常工作范圍。其診斷策略為：在診斷條件滿(mǎn)足后，將一段時(shí)間（如10 ms）內(nèi)取樣的GPF壓差傳感器原始信號(hào)值與GPF壓差傳感器數(shù)值超范圍故障閾值進(jìn)行比較，如果壓差傳感器原始信號(hào)值超過(guò)了故障閾值范圍，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF壓差傳感器數(shù)值超范圍故障（為避免誤判，常設(shè)定一定的容錯(cuò)時(shí)間來(lái)消除信號(hào)干擾，此過(guò)程稱(chēng)為debounce）。

2.1.2 GPF壓差傳感器靜態(tài)合理性診斷

GPF壓差傳感器靜態(tài)合理性故障指GPF壓差傳感器自身的偏移量過(guò)大，超過(guò)了允許范圍，此診斷應(yīng)在沒(méi)有排氣作用于壓差傳感器上時(shí)進(jìn)行。因此，在后運(yùn)行階段（從車(chē)輛下電到休眠之前）進(jìn)行該項(xiàng)診斷。其診斷策略為：在后運(yùn)行階段，發(fā)動(dòng)機(jī)靜止，由于沒(méi)有氣流通過(guò)排氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力假定等于大氣壓力。當(dāng)偏移量計(jì)算被釋放后，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)六個(gè)壓差傳感器偏移量自學(xué)習(xí)值，去掉其中的最大值和最小值，剩下的四個(gè)值做算數(shù)平均。將平均值與上一個(gè)后運(yùn)行的壓差傳感器偏移量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，再將最終得到的偏移量與GPF壓差傳感器靜態(tài)合理性故障閾值進(jìn)行比較，如果它超過(guò)了閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF壓差傳感器靜態(tài)合理性故障。

2.1.3 GPF壓差傳感器動(dòng)態(tài)合理性診斷

GPF壓差傳感器動(dòng)態(tài)合理性故障指在車(chē)輛運(yùn)行中，GPF壓差傳感器未正確響應(yīng)GPF的壓差變化。其診斷策略為：在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，隨著排氣流量的不斷變化，GPF前后壓差也不斷改變，壓差-排氣流量模型根據(jù)排氣流量大小以及GPF溫度輸出GPF的壓差變化曲線。如果一段時(shí)間內(nèi)壓差傳感器測(cè)得的GPF壓差變化梯度和模型中的GPF壓差變化梯度相差較大，超過(guò)了GPF壓差傳感器動(dòng)態(tài)合理性診斷閾值范圍，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則確認(rèn)壓差傳感器的測(cè)量信號(hào)與排氣流量變化不一致，判斷出現(xiàn)了GPF壓差傳感器動(dòng)態(tài)合理性故障。

2.1.4 GPF壓差傳感器后管脫落診斷

GPF壓差傳感器后管脫落故障指壓差傳感器與GPF后端連接的管路發(fā)生脫落從而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)得GPF的下游壓力。其診斷策略為：將后管壓力測(cè)量信號(hào)經(jīng)帶通濾波后取平方，得到后管壓力測(cè)量信號(hào)能量值。將后管壓力測(cè)量信號(hào)能量值和模型中后管壓力信號(hào)能量值進(jìn)行比較，若能量比值小于GPF壓差傳感器后管脫落故障閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF壓差傳感器后管脫落故障。理論上，如果GPF壓差傳感器后管管路連接無(wú)誤，能量比應(yīng)該是1.0左右，因?yàn)楹蠊軌毫Φ臏y(cè)量值和模型值是近似相同的，因此它們的能量值也是近似相同的。在后管脫落的情況下，能量比將為零，因?yàn)楹蠊艿臏y(cè)量壓力為零，因此測(cè)量信號(hào)的能量值也為零。

2.1.5 GPF壓差傳感器前管脫落診斷

GPF壓差傳感器前管脫落故障指壓差傳感器與GPF前端連接的管路發(fā)生脫落從而導(dǎo)致無(wú)法測(cè)得GPF的壓差，診斷策略和后管脫落診斷策略類(lèi)似。不同的是，如果GPF壓差傳感器前管管路連接無(wú)誤，由于GPF中顆粒物的加載，能量比會(huì)大于1.0，因?yàn)轭w粒物增加了GPF上的壓差，但模型中GPF上的壓差只考慮了空的GPF。

2.1.6 GPF壓差傳感器前后管接反診斷

GPF壓差傳感器前后管接反故障指由于人為因素造成的壓差傳感器與GPF前、后端連接的管路發(fā)生了互換，從而導(dǎo)致壓差傳感器輸出錯(cuò)誤信號(hào)。其診斷策略為：當(dāng)GPF壓差傳感器前后管接反后，前管所測(cè)壓力實(shí)際為GPF下游壓力，后管所測(cè)壓力實(shí)際為GPF上游壓力，GPF前后壓差的測(cè)量值將為負(fù)值。將GPF壓差的測(cè)量值與模型值相比，得到一個(gè)變量CCF（cross-correlation factor），若檢測(cè)到CCF值小于GPF壓差傳感器前后管接反故障閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF壓差傳感器前后管接反故障。

2.1.7 GPF溫度傳感器合理性診斷

GPF溫度傳感器合理性故障指在車(chē)輛運(yùn)行中，GPF溫度傳感器的測(cè)量值未正確反映GPF的入口溫度。其診斷策略為：在診斷條件滿(mǎn)足后，將GPF入口溫度測(cè)量值與模型中GPF入口溫度值進(jìn)行比較，如果兩者差值大于GPF溫度傳感器合理性故障閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF溫度傳感器合理性故障。

2.1.8 GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯診斷

GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障指車(chē)輛起動(dòng)后，GPF溫度傳感器未正確響應(yīng)GPF的入口溫度變化。其診斷策略為：在診斷條件滿(mǎn)足后，將車(chē)輛上電后GPF的入口測(cè)量溫度與車(chē)輛起動(dòng)后排期流量達(dá)到診斷所需值時(shí)GPF的入口測(cè)量溫度進(jìn)行比較，如果兩者差值小于GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，表明GPF溫度傳感器未正確響應(yīng)GPF入口處的溫度變化，判斷出現(xiàn)了GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障。

2.1.9 GPF溫度傳感器冷啟動(dòng)校驗(yàn)

GPF溫度傳感器冷起動(dòng)校驗(yàn)指在冷起動(dòng)階段對(duì)GPF溫度傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查。其診斷策略為：診斷條件滿(mǎn)足后，將冷起動(dòng)時(shí)GPF溫度傳感器的測(cè)量值與可供所有可用溫度傳感器進(jìn)行冷啟動(dòng)校驗(yàn)的參考值進(jìn)行比較。如果兩者差值大于冷起動(dòng)校驗(yàn)不合理（正偏差）閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF溫度傳感器冷啟動(dòng)校驗(yàn)不合理（正偏差）故障；如果兩者差值小于冷起動(dòng)校驗(yàn)不合理（負(fù)偏差）閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF溫度傳感器冷啟動(dòng)校驗(yàn)不合理（負(fù)偏差）故障。

2.2 系統(tǒng)級(jí)故障診斷策略

2.2.1 GPF背壓過(guò)高診斷

GPF背壓過(guò)高指因GPF中累積了過(guò)多的顆粒物造成GPF的總流阻遠(yuǎn)大于GPF載體自身的流阻從而導(dǎo)致背壓明顯增大，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致GPF堵塞，更會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。其診斷策略為：排氣流經(jīng)GPF時(shí)，壓差傳感器測(cè)量GPF的總壓降，包括GPF自身的壓降以及在GPF中捕集的碳煙和灰分造成的壓降。當(dāng)GPF兩端壓差過(guò)大，導(dǎo)致計(jì)算的CCF值大于GPF背壓過(guò)高故障閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF背壓過(guò)高故障。

2.2.2 GPF載體移除診斷

GPF載體被移除會(huì)導(dǎo)致GPF功能失效，從而使顆粒物排放超過(guò)法規(guī)限值，因此，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)GPF載體移除故障。其診斷策略為：在發(fā)生GPF載體移除時(shí)，GPF內(nèi)部為空管狀態(tài)，此時(shí)雖然GPF內(nèi)的流動(dòng)阻力不是零，但仍然比完整GPF的流動(dòng)阻力小得多。當(dāng)GPF兩端壓差過(guò)小，導(dǎo)致計(jì)算的CCF值小于GPF載體移除故障診斷閾值，且持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定的debounce時(shí)間，則判斷出現(xiàn)了GPF載體移除故障。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在對(duì)上述診斷項(xiàng)進(jìn)行標(biāo)定后，在標(biāo)定車(chē)輛上對(duì)故障診斷 策略進(jìn)行了驗(yàn)證。考慮到篇幅，上述各診斷項(xiàng)的驗(yàn)證過(guò)程不一一舉出，以GPF壓差傳感器后管脫落故障、GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障、GPF背壓過(guò)高故障的驗(yàn)證情況為例對(duì)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 GPF壓差傳感器后管脫落診斷

車(chē)輛起動(dòng)前，斷開(kāi)GPF壓差傳感器后管，起動(dòng)車(chē)輛行駛一段時(shí)間使?jié)M足診斷條件后，因壓差傳感器后管壓力過(guò)低，后管測(cè)量信號(hào)能量值過(guò)低，導(dǎo)致后管能量比值小于診斷閾值，DFC_PPfilDifSnsrHslnDs故障正常報(bào)出，診斷結(jié)果如圖2所示。將GPF壓差傳感器后管正確連接后，后管測(cè)量信號(hào)能量值恢復(fù)正常，故障修復(fù)，系統(tǒng)無(wú)誤報(bào)。

圖2 GPF壓差傳感器后管脫落故障報(bào)出

3.2 GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯診斷

車(chē)輛停機(jī)一小時(shí)以上，使GPF溫度接近環(huán)境溫度。車(chē)輛起動(dòng)后，將GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障閾值設(shè)置為正常閾值的五倍，然后逐漸增大排氣流量使之滿(mǎn)足診斷條件后，與 車(chē)輛上電時(shí)相比，GPF入口處測(cè)量溫度的溫差小于設(shè)定閾值，DFC_TPFltUsStuck故障正常報(bào)出，診斷結(jié)果如圖3所示。將診斷閾值恢復(fù)后，測(cè)量溫差超過(guò)閾值，故障修復(fù)，系統(tǒng)無(wú)誤報(bào)。

圖3 GPF溫度傳感器信號(hào)粘滯故障報(bào)出

3.3 GPF背壓過(guò)高診斷

GPF背壓過(guò)高往往是GPF中累碳過(guò)多導(dǎo)致內(nèi)部流阻增大造成，原則上要用經(jīng)過(guò)累碳后的標(biāo)準(zhǔn)故障件來(lái)模擬故障，但因累碳花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，故選擇修改診斷閾值來(lái)驗(yàn)證診斷策略的正確性。起動(dòng)車(chē)輛正常行駛，行駛過(guò)程中，修改GPF背壓過(guò)高診斷閾值，使CCF值大于診斷閾值，一段時(shí)間后，DFC_PFltEgpHighP-Basd故障正常報(bào)出，診斷結(jié)果如圖4所示。將診斷閾值恢復(fù)后，CCF值回到閾值范圍內(nèi)，故障修復(fù)，系統(tǒng)無(wú)誤報(bào)。

圖4 GPF背壓過(guò)高故障報(bào)出

4 結(jié)論

壓差傳感器信號(hào)分析法是當(dāng)前對(duì)GPF進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)的主要方法。本文解讀了輕型車(chē)國(guó)六排放法規(guī)對(duì)GPF的OBD監(jiān)測(cè)要求，對(duì)壓差傳感器信號(hào)分析法及其故障診斷策略進(jìn)行了闡述，包括監(jiān)測(cè)用壓差傳感器、溫度傳感器的故障診斷策略和GPF自身的故障診斷策略，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了診斷策略驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用壓差傳感器信號(hào)分析法的GPF故障診斷策略可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)，在GPF自身發(fā)生故障以及監(jiān)測(cè)用傳感器發(fā)生故障時(shí)均能正常識(shí)別并報(bào)出故障，系統(tǒng)無(wú)誤報(bào)，診斷模型與實(shí)際跟隨性較好，符合國(guó)六排放法規(guī)OBD診斷要求。