柴油车DPF系统的OBD故障诊断策略研究

戴金池，庞海龙，俞妍，卜建国，资新运

(1.陆军军事交通学院研究生队，天津 300161；2.陆军军事交通学院军用车辆工程系，天津 300161)

柴油机是机动车排放污染物中颗粒物(Particulate Matter，PM)的主要来源，城市大气PM2.5源解析工作的结果显示，移动源对PM2.5浓度有着重要的影响。研究表明，受PM影响形成的雾霾可能会导致癌变和各种心血管疾病，包括中国在内，世界各地都制定了相应的排放法规来限制柴油机的PM排放[1-2]。

减少柴油机PM排放最有效的措施是给柴油机加装颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，其能够过滤掉柴油机尾气中90%以上的PM和接近99%的PN[3-4]。但在使用过程中，由于再生控制策略失效以及振动、热冲击等问题的影响，可能会造成DPF失效并带来诸多问题，如：DPF吸附颗粒物过载导致排气背压过高，影响发动机的动力性和经济性，甚至造成起动困难、熄火等现象；再生过程温度过高会导致DPF烧熔，温度梯度过大则会导致DPF破裂，影响DPF对PM的捕集效率；而灰分的累积或者再生不完全会导致DPF堵塞[5-7]。作为保证柴油机PM排放满足排放标准限值的关键后处理装置，DPF发生故障不但会影响车辆的正常行驶，还会使得车辆排放不再满足排放法规的要求，对环境造成严重危害。

因此，DPF故障诊断一直是柴油机车载自动诊断系统(On-Board Diagnostics，OBD)的重要组成部分，面对国六排放法规对PM排放和DPF监测的更高要求，如何快速有效地确定DPF的故障状态与程度对DPF-OBD至关重要，有必要针对DPF不同故障的故障特征及诊断策略开展研究。本研究通过发动机台架试验获得循环工况数据，结合仿真模拟，探究了国六后处理条件下DPF关键功能性故障的故障特征和敏感程度，以及用于区分各故障的OBD诊断策略。

1 DPF-OBD功能简述

1.1 DPF与OBD系统构成

国六柴油机后处理系统通常由柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，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，DPF子系统利用DPF自身相间堵孔结构将排气中的PM在过滤壁面上拦截下来，使排放水平达到排放法规的要求。PM的累积会造成排气背压逐渐上升，达到一定程度时需要通过主动或被动再生手段去除捕集的PM，因此压差传感器和DPF前、后温度传感器是用以判断DPF再生时机必要的传感器，DPF的各种故障也会带来DPF压降与前、后温度的变化和差异，它们是OBD用来监测DPF状态的主要依据。

图1 国六后处理系统结构

OBD对DPF系统的诊断项目主要可分为部件级诊断、功能性诊断和OBD限值(OBD Threshold Limits，OTLs)诊断3个部分。部件级诊断包括与DPF相关的电路线路故障和传感器自诊断故障，以及针对重要组件信号的简单的限值监测；功能性诊断主要是依据监测信号的变化以及各参数之间的关联性来判断DPF系统是否能够实现正常的功能；OTLs诊断是监测DPF系统是否实现排放法规要求的减排能力的诊断项目。DPF-OBD整体框架[8]见图2。

图2 DPF-OBD模块结构

其中，功能性诊断是DPF-OBD诊断项目中较为重要的部分，OTLs诊断需要使用到价格不菲的PM传感器来测量DPF出口处的PM浓度，因此通常会利用DPF功能性故障的程度与PM排放的关联进行诊断。而部件级诊断虽然在国六OBD故障诊断中占据了绝大部分的比例，如图3所示，但是由于诊断内容是简单的限值诊断和电路故障等，在OBD系统标定中占据的工作量并不大。与功能性诊断相关的故障则由于涉及到需要动态标定的故障、需要标定模型的故障和需要根据排放循环标定的限值故障，是OBD诊断策略研究的重点。

图3 OBD故障分类与所占比重

1.2 DPF功能性诊断的关键诊断内容

DPF功能性故障主要包括DPF移除、DPF吸附颗粒物过载、DPF过滤效率过低、DPF再生频率过高、DPF堵塞和DPF压差传感器信号不可信。其中，DPF过滤效率的精确计算依赖于PM传感器的使用，而DPF过滤效率过低通常是由载体破损造成的，因此通常以对DPF破损的诊断作为代替。

DPF压差传感器信号合理性诊断属于国六OBD系统新增加的监测要求，当DPF破损、移除和堵塞故障发生时，压差传感器信号同样会偏离正常水平[9-10]，使其与压差传感器信号合理性的诊断无法有效地区分开来。因此，建立有效区分DPF移除、破损、堵塞和压差传感器合理性故障的诊断策略是国六DPF-OBD功能性诊断研究的关键部分。

2 DPF关键功能性故障的诊断研究

DPF故障诊断的研究可以通过进行失效DPF的发动机台架试验来获得故障数据，提取故障特征。但是，台架试验需要大面积地破坏DPF样件，条件较为苛刻。因此，本研究采用基于AVL BOOST仿真软件的故障注入方法，后处理系统的输入参数如排气流量、排气温度、排气组分以及DPF的结构参数均由台架WHTC循环试验获得(见图4)。

图4 台架试验的总体布局

试验在AVL部分流发动机台架上进行，发动机为东风DDi75系列X7国六重型柴油发动机，其技术参数见表1。

排气后处理系统采用能够满足国六排放标准的集成后处理系统，由DOC、DPF、SCR和ASC组成，其中DOC、DPF和SCR的详细技术参数见表2。

表1 发动机相关参数

表2 集成后处理系统的结构参数

2.1 DPF堵塞的故障特征

DPF堵塞通常是由于灰分累积堵塞孔道造成的。能够与氧气反应的炭烟颗粒是DPF通过主动或被动再生去除的主要物质，但是来自润滑油、燃油添加剂燃烧后的无机物和部分发动机磨损颗粒无法通过燃烧去除，这些颗粒被称为灰分。

灰分累积过多会直接导致DPF孔道内的有效流通面积减小，因此可以通过改变流通面积来模拟DPF不同程度的堵塞情况[11]。利用AVL Boost仿真软件建立国六后处理系统模型，入口边界条件由台架试验数据导入，出口边界条件设置为标准大气压。将DPF模块的流通面积依次设置为原面积的100%，75%和50%，初始碳载量设置为4 g/L，在台架试验获得的WHTC工况数据下进行仿真，结果见图5。

由图5可见，DPF压降随着堵塞程度的增大不断增加，当流通面积为正常值的50%时，压降的陡然上升已经相当明显，达到了正常DPF压降的2.5倍左右。还可见，DPF后温度随着堵塞程度的增加延时性不断增加，这是因为DPF堵塞让其入口温度向出口传递的过程中遭遇了很大的阻碍，因此造成了DPF前、后温度的延时性。

图5 DPF堵塞时相关传感器数值随时间的变化

直接对DPF前后温度的时间延迟进行观察是较为困难的，根据DPF前后温度延时性产生的原理，可以利用DPF前温度与后温度的相关系数作为故障诊断的依据，计算方法如下[12]：

(1)

分别计算在WHTC循环下和起动阶段(取WHTC循环前200 s)正常DPF(碳载量10 g/L、碳载量4 g/L)、75%正面流通面积(碳载量4 g/L)、50%正面流通面积(碳载量4 g/L)条件下DPF前温度与后温度的相关系数，结果见表3。

表3 DPF堵塞故障的相关系数计算结果

可以看出，利用DPF前温度与后温度的相关系数能够很好地分辨出堵塞的DPF与正常DPF，其受碳载量影响极小，而流通面积的改变影响较为显著。在起动阶段，DPF迅速升温的过程让相关系数的差异更加明显，因此DPF压降与DPF前温度、后温度的相关系数可以作为DPF堵塞故障的诊断依据。

2.2 DPF破损的故障特征

DPF载体壁面受热冲击和振动的影响容易出现破损，排气在DPF载体中的流通空间变大是DPF出现破损时最直接的影响，因此可以通过改变DPF的微孔密度来模拟载体的不同破损程度。设置DPF碳载量为4 g/L时的仿真结果见图6。

图6 DPF破损时相关传感器数值随时间的变化

从图6中可知，DPF破损的故障特征与DPF堵塞时正好相反：1)DPF压降随着破损程度的增加而减小；2)DPF后温度随着破损程度的增加延时性不断减小，这是因为DPF破损时入口端与出口端的贯通程度增加，DPF入口温度能够不受阻碍地传递到出口，因此造成了DPF后温度的延时性降低。

验证了DPF前温度与后温度的相关系数对载体不同程度破损的敏感程度，结果见表4。

表4 DPF破损故障的相关系数计算结果

计算结果表明，与DPF堵塞故障相似，利用DPF前温度与后温度的相关性系数可以很好地区分正常DPF与故障DPF，相关系数的差异在起动阶段尤为明显。

2.3 DPF移除的故障特征

在车辆实际运行过程中，存在DPF载体完全损坏、被人为移除、被一个消音器或直管所替代的现象，此时DPF已经完全丧失了其过滤颗粒物的功能。为了模拟此类故障，在AVL Boost中使用一段排气管替代DPF来模拟DPF失效故障，如图7所示。

图7 DPF失效故障仿真

WHTC工况下DPF前后温度与DPF压降变化的仿真结果见图8。

图8 DPF失效时相关传感器数值随时间的变化

由图8可知：1)DPF压降在DPF被移除时有着明显的变化，即使是空载状态，正常的DPF压降与被替代为直管后压降依然有着3个数量级的差异，这是因为DPF压降是由其相间堵孔结构引起的，DPF被移除意味着这种相间堵孔结构完全消失，由此引起的压降也随之消失。2)正常DPF的后温度的变化过程相较DPF前温度存在一定的延时，这是因为DPF的结构对温度的传导具有一定的阻碍作用，当DPF被移除后，会导致DPF入口温度没有任何阻碍地传递到DPF出口，造成前后温度的变化近乎完全一致。

因此，当DPF被移除时，其前温度和后温度的变化与DPF破损时较为相似，前后温度的相关性大幅增加，而压降则有着几个数量级的差异，可以用作区分DPF破损和被移除故障的故障特征。

2.4 OBD诊断策略

OBD诊断逻辑见图9。由于DPF堵塞、破损和移除故障同样会导致压降信号的变化，因此单凭压降信号无法区分它们。但是，压差传感器信号合理性故障并不会改变DPF的结构和功能，因此不会对DPF前后温度产生影响，结合这两点，便能够确定DPF压差传感器信号合理性的故障诊断策略。

图9 DPF关键功能性诊断的诊断逻辑

颗粒物在DPF中的累积是一个连续变化的过程，不存在突变的情况，而当发生压差传感器信号不合理、DPF堵塞、破损等故障时，会导致基于压降预测的DPF碳载量出现较大的变化。如果基于碳载量反算的压降与压差传感器的测量值偏差过大，则能够初步判断DPF系统存在潜在故障。

确定存在潜在故障后，在下一个OBD循环起动阶段利用DPF前后温度的相关系数来区分具体的故障类型，若相关系数过低，则判定为DPF堵塞故障，过高则判定为DPF破损故障，在合理范围内则确认为压差传感器信号不合理，这样便能够按照法规要求在两个OBD循环内完成故障诊断。

在不增加额外传感器的情况下，OBD只能够通过增加诊断策略的复杂性来提高诊断的准确度，而OBD诊断策略中涉及到许多计算模型，更为有效和准确的诊断仍依赖于模型精度的提高和更加有效的信号处理方法[13]。

3 结论

a) DPF破损时，DPF前后温度的延时特性会降低，而在DPF堵塞时，其前后温度的延时特性会增加，DPF被移除后DPF压降与正常状态有着3个数量级的差异，几乎接近于0；

b) DPF前温度与后温度的相关系数可以较为有效地反映DPF的故障情况，尤其是在起动阶段，正常DPF与故障DPF的相关系数差异更加明显；

c) 结合压降信号和DPF前后温度的相关系数，可以建立有效区分压差传感器合理性故障、DPF破损、堵塞和移除故障的诊断策略。