柴油機DPF系統失效故障特征分析

王欣偉，程德新，張 軍，任憲豐，趙樹恩

(1.內燃機可靠性國家重點實驗室， 山東 濰坊 261000； 2.重慶交通大學 機電與車輛工程學院， 重慶 400074； 3.濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261000)

1 引言

柴油機以其優越的熱效率、功率特性和燃油經濟性，是當前重型商用車、船舶及其他大型運載裝備的主要動力之一。隨著《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》(中國第六階段)全面實施，對重型柴油機排放的物氮氧化物(NO)和顆粒物(particulate matter，PM)排放限值分別提升了77%和67%，并新增了粒子數量(particulate number，PN)的限值要求。通過加裝柴油機顆粒過濾器(Diesel Particulate Filter，DPF)對尾氣排放顆粒物(PM)和顆粒物數量(PN)的捕集效率可以達到90%和99%。但隨著汽車的行駛里程增加，由于熱沖擊、振動以及惡劣工況，使得氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、DPF出現載體堵塞、破損、老化等故障，故障的出現會使得柴油機的動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致后處理裝置堵塞，造成背壓增加出現燃燒變差、熄火和啟動困難等現象，甚至會通過ECU降低發動機的峰值扭矩，限制車輛的行駛車速；此外，碳煙積載過多使得再生溫度過高導致載體基質燒融，溫度梯度過大導致燒裂，以及機械振動導致其結構破損，使得部分氣體未進行處理直接排向大氣；過濾器老化使得催化反應減弱，引起后端污染物濃度增加。

因此，國Ⅵ排放標準對發動機排放控制車載診斷(OBD)系統的功能提出了新要求，如OBD系統要監測DPF的部件和性能參數等。如何快速有效地進行DPF故障辨識與預警，對柴油機顆粒物排放及故障自診斷至關重要。

2 柴油機后處理系統仿真模型建立

2.1 柴油機后處理系統構成

國六柴油機后處理系統通常由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，在后處理裝置中加裝DPF是處理尾氣顆粒物的最佳方式，其工作原理是通過微粒捕集器自身相間的堵孔結構，將排氣中較大PM收集在入口通道內并適時燃燒，來降低排向大氣的PM，達到凈化排氣的目的。隨著柴油機不斷運行，DPF會不斷捕集排氣中的PM，使得排氣背壓逐漸增大，當背壓達到一定值時將觸發主動再生程序，通過燃燒DPF中的碳煙顆粒來保證發動機運行在一個良好的背壓環境下，在此過程中需要得到DPF的壓降信號以及進出口溫度信號來判斷再生。當DPF出現故障時，會使得DPF相關信號出現差異，故通過DPF壓降和進出口溫度信號來準確識別DPF的工作狀態是實現有效再生和故障診斷的前提。

圖1 國六后處理系統結構示意圖

2.2 搭建后處理系統仿真模型

運用AVL-Boost軟件建立柴油機后處理系統仿真模型(見圖2)，其關鍵零部件的主要結構參數如表1所示。

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

表1 關鍵部件的主要結構參數

仿真模型的入口邊界條件(Aftertreatment Boundary 1，ATB1)采用世界統一瞬態循環(WHTC)工況，其進口流量、溫度與時間的關系如圖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 入口流量隨時間變化曲線

圖4 入口溫度隨時間變化曲線

3 DPF系統失效時故障特征仿真分析

3.1 載體堵塞對DPF壓降及出口溫度的影響

隨著顆粒捕集器裝車里程的增大，碳煙在捕集器中逐漸累積，再生失效或再生不完全，會對排氣背壓產生嚴重影響。此外，碳煙累積量過大，再生時會導致載體溫度過高，影響DPF的使用壽命。

由壁流式陶瓷過濾器結構可知，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載體堵塞現象。為了分析DPF載體堵塞時的故障特性，在仿真過程中，通過增加壁厚(Wall Thickness)來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。同時，隨著堵塞程度的加大，熱流流過過濾體的阻力增加，在啟動階段，故障狀態下的DPF出口溫度升溫明顯延遲，隨著工作時間延長，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壓降隨時間變化曲線

圖7 DPF出口溫度隨時間變化曲線

3.2 載體破損對DPF壓降及出口溫度的影響

汽車在行使過程中，為了滿足速度需要而頻繁變速，使得發動機排氣流量迅速波動，可能導致DPF反復受到熱應力而引起基質破裂；此外，再生異常使得DPF升溫過高，而引起基質燒融，均會造成DPF捕集效率下降，導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載體破損失效時的故障特性，在仿真過程中，通過改變載體通道數量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，部分氣流不再流經過濾壁，而直接從破損處流向出口通道，流動阻力減小而致。同時，氣體溫度流過過濾器面的熱損失減小，使得DPF出口溫度上升較快。

圖9 DPF壓降隨時間變化曲線

圖10 DPF出口溫度隨時間變化曲線

3.3 DOC+DPF復合失效時DPF故障特征的變化

由圖1可以看出，柴油機后處理系統中DOC與DPF工作過程密切關聯，DPF故障特征的表征參數DPF壓降及出口溫度直接受到DOC出口溫度和壓力的影響，且在柴油機實際運行過程中，后處理系統的故障往往是綜合性的，單純通過DPF壓降或出口溫度較難準確診斷DPF和相關載體堵塞、破損等故障的嚴重程度。因此，有必要對柴油機DOC與DPF復合故障下DPF的故障特征變化進行研究。DOC和DPF結構示意圖如圖11所示。

圖11 DOC+DPF結構示意圖

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

圖12 DOC前端溫度隨時間變化曲線

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的復合故障，均對DOC入口溫度無影響，而DOC出口溫度僅與自身堵塞、破損及老化等故障有關，與DPF的故障無明顯關系，但DOC和DPF的復合故障對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DOC故障，但是能夠明顯地體現DPF自身故障，與前文分析的單一DPF故障結果趨于一致。圖16可以看出，DPF的末端溫度是由DOC和DPF共同決定，即DOC發生堵塞、破損和老化時將對下游溫度造成影響，加之與DPF故障(堵塞、破損)復合后，使得DPF末端溫度有較大變化。

4 DPF故障診斷策略

通過上述定性研究，采用觀察法難以直接有效地對故障進行判別。近年來，相關學者對顆粒捕集器故障診斷做了大量研究，文獻[5]中引入了故障限值系數，通過計算各工況下的壓差限值，并進行實車試驗，實現了對DPF載體故障的檢測；文獻[8]中根據DPF前后壓力推導出它的傳遞函數，通過對比不同狀態下DPF傳遞函數的特征，實現對DPF載體的故障診斷；文獻[7，9]中分別對不同故障下DPF前后溫度的相關性進行了分析，并將DPF前后溫度的相關系數作為過濾體是否發生故障的診斷依據。文獻[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，并引入了錯誤系數向量，通過計算該向量實現了對DPF不同故障及其程度的識別。此外，在對DPF故障診斷中還較為廣泛采用時域、頻域和時-頻域分析方法等。

以上研究對診斷數據的維度利用較少，通過前文對DPF失效時故障特征分析，本研究可選擇DPF的前后壓差和溫差信號作為故障診斷研究參數。兼顧早期故障的穩定性和敏感性，選擇均方根值、裕度和峭度指標作為故障計算依據。相關指標定義如下：

1) 均方根值

(1)

2) 裕度指標

(2)

3) 峭度指標

(3)

式中：為幅值；為觀測時間。

在WHTC仿真工況下，對不同狀態的DPF前后壓差(Δ/kPa)和溫差(Δ/℃)信號進行相關計算，結果如表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

表3 DPF不同故障前后溫差的均方根值、裕度和峭度指標

從表2和表3數據顯示，僅選擇壓差或溫差的相關指標為故障診斷參數不太理想，特別是對不同破損故障的辨識較差。因此，為了增強不同故障的區分度，提高故障診斷的可靠性，本文采用加權平均融合算法(mean value fusion algorithm，MVFA)，即將前后壓差和溫差的相關指標以加權平均的方式相融合，得到故障診斷參數：

=rms_Δ+_Δ+_Δ+

rms_Δ+_Δ+_Δ

(4)

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

通過計算得到不同故障下的故障診斷參數S值，結果如表4所示。

表4 DPF不同故障類型對應的故障診斷參數S值

計算結果表明：故障診斷參數能夠對DPF不同故障極其程度進行表征。故選用故障診斷參數是可行的。

DPF故障診斷流程如圖17所示，在不額外增加傳感器情況下，通過讀取ECU上DPF前后溫度傳感器和壓差傳感器信號，對該信號進行相應計算，將計算結果(故障診斷參數)作為DPF故障診斷的判定依據。

圖17 DPF故障診斷流程框圖

5 結論

1) DPF載體堵塞會引起壓降上升，出口溫度響應時延增加，特別在啟動階段溫度時延更加明顯；相反，載體破損會使得壓降降低，出口溫度響應提前，且對溫度變化更敏感。

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

3) 通過對DPF壓差和溫差的相關指標進行加權融合所得的故障診斷參數，可以實現對DPF不同故障的甄別。故DPF前后溫度和壓差信號可以作為它的故障表征參數。