王欣伟，程德新，张 军，任宪丰，赵树恩

(1.内燃机可靠性国家重点实验室， 山东 潍坊 261000； 2.重庆交通大学 机电与车辆工程学院， 重庆 400074； 3.潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261000)

1 引言

柴油机以其优越的热效率、功率特性和燃油经济性，是当前重型商用车、船舶及其他大型运载装备的主要动力之一。随着《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》(中国第六阶段)全面实施，对重型柴油机排放的物氮氧化物(NO)和颗粒物(particulate matter，PM)排放限值分别提升了77%和67%，并新增了粒子数量(particulate number，PN)的限值要求。通过加装柴油机颗粒过滤器(Diesel Particulate Filter，DPF)对尾气排放颗粒物(PM)和颗粒物数量(PN)的捕集效率可以达到90%和99%。但随着汽车的行驶里程增加，由于热冲击、振动以及恶劣工况，使得氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、DPF出现载体堵塞、破损、老化等故障，故障的出现会使得柴油机的动力性能变差以及油耗和排放增加。如颗粒物累积、再生不完全或失败将导致后处理装置堵塞，造成背压增加出现燃烧变差、熄火和启动困难等现象，甚至会通过ECU降低发动机的峰值扭矩，限制车辆的行驶车速；此外，碳烟积载过多使得再生温度过高导致载体基质烧融，温度梯度过大导致烧裂，以及机械振动导致其结构破损，使得部分气体未进行处理直接排向大气；过滤器老化使得催化反应减弱，引起后端污染物浓度增加。

因此，国Ⅵ排放标准对发动机排放控制车载诊断(OBD)系统的功能提出了新要求，如OBD系统要监测DPF的部件和性能参数等。如何快速有效地进行DPF故障辨识与预警，对柴油机颗粒物排放及故障自诊断至关重要。

2 柴油机后处理系统仿真模型建立

2.1 柴油机后处理系统构成

国六柴油机后处理系统通常由DOC、DPF、选择性催化还原转化器(selective catalytic reduction，SCR)和氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)组成(见图1)。其中，在后处理装置中加装DPF是处理尾气颗粒物的最佳方式，其工作原理是通过微粒捕集器自身相间的堵孔结构，将排气中较大PM收集在入口通道内并适时燃烧，来降低排向大气的PM，达到净化排气的目的。随着柴油机不断运行，DPF会不断捕集排气中的PM，使得排气背压逐渐增大，当背压达到一定值时将触发主动再生程序，通过燃烧DPF中的碳烟颗粒来保证发动机运行在一个良好的背压环境下，在此过程中需要得到DPF的压降信号以及进出口温度信号来判断再生。当DPF出现故障时，会使得DPF相关信号出现差异，故通过DPF压降和进出口温度信号来准确识别DPF的工作状态是实现有效再生和故障诊断的前提。

图1 国六后处理系统结构示意图

2.2 搭建后处理系统仿真模型

运用AVL-Boost软件建立柴油机后处理系统仿真模型(见图2)，其关键零部件的主要结构参数如表1所示。

图2 后处理系统仿真模型示意图Fig.2 Simulation model of post-processing system

表1 关键部件的主要结构参数

仿真模型的入口边界条件(Aftertreatment Boundary 1，ATB1)采用世界统一瞬态循环(WHTC)工况，其进口流量、温度与时间的关系如图3、图4所示，出口边界条件(ATB2)的压力和温度分别为0.1 MPa、25 ℃。

图3 入口流量随时间变化曲线

图4 入口温度随时间变化曲线

3 DPF系统失效时故障特征仿真分析

3.1 载体堵塞对DPF压降及出口温度的影响

随着颗粒捕集器装车里程的增大，碳烟在捕集器中逐渐累积，再生失效或再生不完全，会对排气背压产生严重影响。此外，碳烟累积量过大，再生时会导致载体温度过高，影响DPF的使用寿命。

由壁流式陶瓷过滤器结构可知，随着颗粒物的增加，碳烟和灰分积载量增大，通道有效流通截面积减小，从而造成DPF载体堵塞现象。为了分析DPF载体堵塞时的故障特性，在仿真过程中，通过增加壁厚(Wall Thickness)来模拟不同程度的堵塞情况，如图5所示。

图5 DPF堵塞示意图

图6、图7分别为不同堵塞情况下，DPF压降及出口温度的变化曲线。从其中可以看出，随着堵塞程度的加大，气流阻力增加，DPF整体压降下降幅度增大，即前后压差变大，且压降与堵塞程度呈正相关。同时，随着堵塞程度的加大，热流流过过滤体的阻力增加，在启动阶段，故障状态下的DPF出口温度升温明显延迟，随着工作时间延长，DPF出口温度缓慢上升，且随着堵塞增加温度幅度变化减弱。

图6 DPF压降随时间变化曲线

图7 DPF出口温度随时间变化曲线

3.2 载体破损对DPF压降及出口温度的影响

汽车在行使过程中，为了满足速度需要而频繁变速，使得发动机排气流量迅速波动，可能导致DPF反复受到热应力而引起基质破裂；此外，再生异常使得DPF升温过高，而引起基质烧融，均会造成DPF捕集效率下降，导致排气直接从破损处直接流出，引起排放污染物增加，如图8所示。为了分析DPF载体破损失效时的故障特性，在仿真过程中，通过改变载体通道数量CPSI(Cell Density)模拟不同程度的破损和烧蚀情况。

图8 DPF破损示意图

图9、图10分别展示了DPF载体不同破损情况下，DPF压降及出口温度的变化曲线。从其中可以看出，随着载体破损程度增大，DPF压降减小，主要原因是由于载体破损加剧，部分气流不再流经过滤壁，而直接从破损处流向出口通道，流动阻力减小而致。同时，气体温度流过过滤器面的热损失减小，使得DPF出口温度上升较快。

图9 DPF压降随时间变化曲线

图10 DPF出口温度随时间变化曲线

3.3 DOC+DPF复合失效时DPF故障特征的变化

由图1可以看出，柴油机后处理系统中DOC与DPF工作过程密切关联，DPF故障特征的表征参数DPF压降及出口温度直接受到DOC出口温度和压力的影响，且在柴油机实际运行过程中，后处理系统的故障往往是综合性的，单纯通过DPF压降或出口温度较难准确诊断DPF和相关载体堵塞、破损等故障的严重程度。因此，有必要对柴油机DOC与DPF复合故障下DPF的故障特征变化进行研究。DOC和DPF结构示意图如图11所示。

图11 DOC+DPF结构示意图

在仿真模型中分别对DOC正常、堵塞25%、破损25%、老化45%与DPF正常、堵塞25%、破损25%等故障情况进行组合仿真，可得到11种不同状态组合。采用前文仿真分析方法，分别得到图12～图16所示的DOC与DPF故障特征参数变化曲线。

图12 DOC前端温度随时间变化曲线

图13 DOC后端温度曲线

图14 DOC前端压力曲线

图15 DPF压降曲线

图16 DPF出口温度曲线

由图12～图14可以看出，DOC与DPF的复合故障，均对DOC入口温度无影响，而DOC出口温度仅与自身堵塞、破损及老化等故障有关，与DPF的故障无明显关系，但DOC和DPF的复合故障对DOC前端压力影响较大。由图15可以看出DPF压降并不能较好地体现DOC故障，但是能够明显地体现DPF自身故障，与前文分析的单一DPF故障结果趋于一致。图16可以看出，DPF的末端温度是由DOC和DPF共同决定，即DOC发生堵塞、破损和老化时将对下游温度造成影响，加之与DPF故障(堵塞、破损)复合后，使得DPF末端温度有较大变化。

4 DPF故障诊断策略

通过上述定性研究，采用观察法难以直接有效地对故障进行判别。近年来，相关学者对颗粒捕集器故障诊断做了大量研究，文献[5]中引入了故障限值系数，通过计算各工况下的压差限值，并进行实车试验，实现了对DPF载体故障的检测；文献[8]中根据DPF前后压力推导出它的传递函数，通过对比不同状态下DPF传递函数的特征，实现对DPF载体的故障诊断；文献[7，9]中分别对不同故障下DPF前后温度的相关性进行了分析，并将DPF前后温度的相关系数作为过滤体是否发生故障的诊断依据。文献[10]中提出了一种基于正交最小二乘法模型拟合的DPF故障诊断方法，并引入了错误系数向量，通过计算该向量实现了对DPF不同故障及其程度的识别。此外，在对DPF故障诊断中还较为广泛采用时域、频域和时-频域分析方法等。

以上研究对诊断数据的维度利用较少，通过前文对DPF失效时故障特征分析，本研究可选择DPF的前后压差和温差信号作为故障诊断研究参数。兼顾早期故障的稳定性和敏感性，选择均方根值、裕度和峭度指标作为故障计算依据。相关指标定义如下：

1) 均方根值

(1)

2) 裕度指标

(2)

3) 峭度指标

(3)

式中：为幅值；为观测时间。

在WHTC仿真工况下，对不同状态的DPF前后压差(Δ/kPa)和温差(Δ/℃)信号进行相关计算，结果如表2和表3所示。

表2 DPF不同故障前后压差的均方根值、裕度和峭度指标

表3 DPF不同故障前后温差的均方根值、裕度和峭度指标

从表2和表3数据显示，仅选择压差或温差的相关指标为故障诊断参数不太理想，特别是对不同破损故障的辨识较差。因此，为了增强不同故障的区分度，提高故障诊断的可靠性，本文采用加权平均融合算法(mean value fusion algorithm，MVFA)，即将前后压差和温差的相关指标以加权平均的方式相融合，得到故障诊断参数：

=rms_Δ+_Δ+_Δ+

rms_Δ+_Δ+_Δ

(4)

式中：，…，为加权系数，==…==16；_Δ、_Δ为压差、温差均方根值；_Δ、_Δ为压差、温差的裕度指标；_Δ、_Δ为压差、温差的峭度指标。

通过计算得到不同故障下的故障诊断参数S值，结果如表4所示。

表4 DPF不同故障类型对应的故障诊断参数S值

计算结果表明：故障诊断参数能够对DPF不同故障极其程度进行表征。故选用故障诊断参数是可行的。

DPF故障诊断流程如图17所示，在不额外增加传感器情况下，通过读取ECU上DPF前后温度传感器和压差传感器信号，对该信号进行相应计算，将计算结果(故障诊断参数)作为DPF故障诊断的判定依据。

图17 DPF故障诊断流程框图

5 结论

1) DPF载体堵塞会引起压降上升，出口温度响应时延增加，特别在启动阶段温度时延更加明显；相反，载体破损会使得压降降低，出口温度响应提前，且对温度变化更敏感。

2) 在DOC与DPF的复合故障中，DOC前端压力是由DOC和DPF载体状态共同决定，DPF故障对DOC出口温度与无影响；DPF压降主要受到自身状态的影响，其出口温度由上游DOC和DPF状态共同决定。

3) 通过对DPF压差和温差的相关指标进行加权融合所得的故障诊断参数，可以实现对DPF不同故障的甄别。故DPF前后温度和压差信号可以作为它的故障表征参数。