DPF捕集效率故障诊断方法研究.pdf

年第 期D P F捕集效率故障诊断方法研究周文瑾,郑春芳,白晓鑫(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津 )摘要:随着全球排放法规的加严,柴油机对颗粒物排放的要求越来越高.目前,重型柴油机主要采用D P F(柴油机颗粒过滤器或颗粒捕集器)来减少排气中颗粒物排放.根据国六排放法规,柴油机后处理带有D P F时,必需对D P F捕集效率故障进行诊断.本文以采用B O S CH系统的某款重型柴油机为研究对象,通过分析颗粒物传感器和D P F压差传感器不同故障诊断策略,基于WHT C循环探究这两种诊断策略对D P F捕集效率故障判定的适用工况.研究发现,压差传感器法监测D PM捕集效率故障只适用于在高负荷工况与D P F堵塞故障监测及无故障车辆区分度较大的发动机,颗粒物传感器法测D P F捕集效率故障适用于绝大多数工况.关键词:D P F捕集效率;压差传感器;O B D诊断中图分类号:T K 文献标识码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nF a u l tD i a g n o s i sM e t h o do fD P FC a p t u r eE f f i c i e n c yZ h o uW e n j i n,Z h e n gC h u n f a n g,B a iX i a o x i n(C h i n aA u t o m o t i v eT e c h n o l o g y&R e s e a r c hT i a n j i nC e n t e rC o L t d,T i a n j i n )A b s t r a c t:W i t ht h e t i g h t e n i n go fg l o b a l e m i s s i o nr e g u l a t i o n s,d i e s e l e n g i n e sh a v eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t s f o rPMe m i s s i o n s A t p r e s e n t,h e a v y d u t yd i e s e l e n g i n e sm a i n l ya d o p t sD P F(D i e s e l P a r t i c l eF i l t e r o rP a r t i c l eC a t c h e r)t op u r i f yp a r t i c u l a t em a t t e r i ne x h a u s t A c c o r d i n gt o t h es i x t hN a t i o n a lR e g u l a t i o n s,D P Fc a p t u r ee f f i c i e n c yf a u l td i a g n o s i s i s r e q u i r e d I nt h i sp a p e r,w e t a k e sah e a v y d u t yd i e s e l e n g i n eo nt h eB O S CHp l a t f o r ma s t h e r e s e a r c ho b j e c t,a n a l y z e s t h ed i f f e r e n t f a u l t d i a g n o s i s s t r a t e g i e so f p a r t i c u l a t em a t t e r s e n s o r a n dD P Fp r e s s u r ed i f f e r e n t i a l s e n s o r,e x p l o r e s t h e a p p l i c a t i o n c o n d i t i o n s o f t h e s e t w od i a g n o s i s s t r a t e g i e s t o t h e f a u l t d e t e r m i n a t i o no fD P Fc a p t u r e e f f i c i e n c yb a s e do nWHT Cc y c l e I t i s f o u n d t h a t t h e d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s e n s o rm e t h o d i s o n l y a p p l i c a b l e t ot h e e n g i n ew i t hh i g hl o a dc o n d i t i o na n dD P Fc l o g g i n gf a u l tm o n i t o r i n g,a n dt h ee n g i n ew i t hl a r g ed i s t i n c t i o nb e t w e e nf a u l t f r e ev e h i c l e s,w h i l e t h ep a r t i c l e s e n s o rm e t h o d i s a p p l i c a b l e t om o s tw o r k i n gc o n d i t i o n s K e yw o r d s:D P Fc a p t u r ee f f i c i e n c y;P r e s s u r ed i f f e r e n c es e n s o r;O B Dd i a g n o s i s作者简介:周文瑾(),女,汉族,河南省洛阳市人,工程师,研究生(硕士),研究方向为O B D开发标定.随着国内外排放法规的不断加强,对重型车辆P M(颗粒物)排放的限制要求越来越高.当前,在降低柴油机P M排放方面,D P F(柴油颗粒捕集器)被广泛认为是最有效的后处理装置,也是使柴油机满足国V I及以上排放法规所必需的设备.D P F安装在柴油机排气系统中,通过对排气中的颗粒物拦截储存并在特定工况下把颗粒物转化成气态污染物排出来减少颗粒物排放.尾气温度高、D P F工作环境恶劣,且使用过程中,由于再生控制以及振动、热冲击等问题,容易导致D P F失效,如果不能尽早发现并处理D P F失效的情况,不仅影响汽车的动力性和燃油经济性,还会导致汽车尾气排放超出法规限值,污染大气环境,因此保证D P F工作的可靠性变得尤为重要.年 月 日国家环保部发布 的G B 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)(以下简称“国六法规”)中对柴油机的D P F提出了更加详细的监测要求,D P F移除、堵塞、效率诊断都是O B D监测必需项.所以,采取适当的方法技术进行D P F相关故障诊断,是D P F乃至整个后处理系统能够稳定运行的强有力保障.目前,国内外对D P F效率故障的相关诊断方法进行了一系列研究.年,德国博世集团的T h o r s t e nO c h s等人,对P M传感器的结构及性能进行了详细研究,在D P F两端布置P M传感器,监测D P F前后管的颗粒物浓度,通过对P M传感器信号的处理分析来判断当前是否存在D P F故障.随后,A n k l e tG u p t a,M a t t h e wF r a n c h e k等人根据排气系统的动态特性随D P F故障出现的变化提出了该故障的另一种检测方法.他们在传统压降模型的基础上,建立了多元回归数学模型,并采用正交最小二乘算法来估算回归系数,从而得到完好和不同故障模式下的D P F模型所对应的系数矩阵.通过引入系数误差向量,在广义故障空间内表征出D P F不 同 的 故 障 型 式,并 进 行 了 可 行 性 验证.年,姚广涛教授等人通过设计搭建排气阻力试验台架,研究了D P F破损或堵塞时的柴油机主要排气参数的变化规律,从而得出结论,D P F故障诊断可以通过发动机排气温度和背压作为特征参数进行分析.随后,在研究特性参数的基础上,提出了基于温度信号相关分析以及基于压力信号谱分析的诊断方法.这两种诊断方法主要是基于信号处理的方法,更适用于那些对系统机理不完全掌握,不能够利用解析的方法建立完整模型的系统 .目前,主流的D P F捕集效率诊断方法主要是以上三种,这些研究对于D P F捕集效率故障的诊断具有重要意义.本文主要介绍博世系统采用的两种D P F捕集效率故障的诊断方法,基于采用博世系统的某款发动机,研究采用内燃机与配件w w w n r j p j c n颗粒物传感器和D P F压差传感器不同方法诊断D P F捕集效率,研究实际应用中这两种方法的优缺点及其适合工况.试验所用D P F正常件及D P F捕集效率故障件如图所示.(a)D P F正常件(b)D P F捕集效率故障件图D P F示意图D P F捕集效率故障法规要求G B 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)F C 规定:监测D P F的过滤和再生过程,在D P F性能下降并导致颗粒排放超过O B D限值时,O B D系统应检测出故障排放限值监测.所以D P F捕集效率监测为法规规定的排放限值监测必须项.基于柴油机D P F的工作原理,目前博世系统D P F捕集效率监测的故障监测方法主要有以下两种:一是基于PM传感器监测D P F过滤效率超O B D限值;二是基于压差传感器的故障监测方法.目前基于压差传感器的故障监测方法主要分两种:大废气流量区域,D P F压差过小故障(基于压差传感器)和D P F过滤效率过低故障(基于压差传感器).大废气流量区域,D P F压差过小故障(基于压差传感器)法是根据D P F破损或堵塞时的柴油机主要排气压力参数的变化规律,基于压差传感器的采集数据来诊断D P F捕集效率故障.D P F过滤效率过低故障(基于压差传感器)法是通过压差传感器的压降模拟D P F前后管的流阻变化,来诊断D P F捕集效率故障.只是计算方法有所区别从,目前来说,大废气流量区域,D P F压差过小故障应用更为广泛.D P F捕集效率诊断原理 D P F过滤效率故障(基于PM传感器)诊断原理柴油机P M传感器,安装在排气管的出口位置处,通常用来测量尾气中颗粒物的含量,按照设计原理可分为电化学式、光散射式、静电放电式以及颗粒物电特性式几种,其中基于颗粒物特性的可分为电阻式和电容式两种.本文试验所用的是B O S C H公司开发的基于电阻式的颗粒物传感器.D P F失效的时,通过D P F抵达PM传感器的颗粒物也会相应的增加.因此,D P F损坏得越严重,其的工作效率就越差.此时颗粒物流经PM传感器,并在其内部I D E上累积聚集,导致电流增大.由于PM传感器的自身特性,PM传感器在发动机再生状态或排气水汽过多时电流偏大,不能用来诊断D P F捕集效率故障.所以,PM传感器法测D P F效率故障的诊断方法是发动机运行一段时间后,在非再生条件下,采集PM传感器的电流,得到D P F的实际过滤效果,与正常状态下的标定阈值相比较,若测量电流值远大于标定阈值,且累计达到一定的次数,则可判定当前发动机存在D P F捕集效率故障,此方法满足O B D法规要求.图D P F过滤效率故障(基于PM传感器)PM传感器法测D P F捕集效率如图.基于压差传感器的压差法故障诊断原理压差法测D P F捕集效率故障是一种常用的诊断方法,其原理是通过在D P F上下游安装压差传感器进行实时监测D P F的压降.在发动机运行一段时间、非再生状态、无相关故障抑制、环境温度、环境压力、发动机转速、排气流量、D P F温 度 等 条 件 满 足 的情况下,该方法将压降测量值和标定阈值作比较,若该测量值小于标定阈值,且累计达到一定的时间,则可判定当前循环存在D P F捕集效率故障.具体而言,当D P F滤纸堵塞或出现损坏时,会导致D P F上下游的压差增加.因此,通过检测D P F上下游的压差变化,可以判断D P F捕集效率是否正常.压差法D P F捕集效率判断原理如图所示.图大废气流量区域,D P F压差过小故障如果压差持续增加且达到一定的阈值,就说明D P F捕集效率已经下降,需要及时进行维修或更换需要注意的是,由于该方法的诊断结果受到多种因素的影响,因此必须保证诊断条件的稳定性和可靠性,才能得出准确的诊断结果.基于压差传感器的流阻变化故障诊断原理这种方法可以用于诊断D P F过滤效率故障.在此方法中,有一些诊断条件需要满足:首先,D P F必须处于非再生状态;其次,排气流量必须大于D P F捕获效率诊断阈值;第三,D P F中的水汽必须被排出(例如,发动机运行一段时间);接下来,在碳载量的模型值达到标定质量后,通过压差传感器检测D P F流阻变化,以模拟D P F捕获的碳质量.然后,使用碳载量模型计算生成的碳质量与所检测到的碳质量进行比较,以确定D P F捕集效率是否下降.如果所检测到的碳质量小于标定阈值,并且超过一定次数,则认为该循环存在D P F捕集效率故障当D P F捕集效率故障被检测到时,D P F过滤效率故障会报警.这种方法的原理如图所示.通过使用这种方法进行D P F过滤 年第 期图D P F过滤效率故障(基于D P F压差传感器)效率故 障 诊 断,可 以 及 时 发现问题 并 采 取 措 施 解 决,从而确保车辆的正常运行和减少排放.D P F捕集效率试验结果分析 PM传感器法利用PM传感器电流变化测颗 粒 物 浓 度,如 图所示,PM传感器电流值可以直接反应D P F颗粒物的浓度,D P F正常件时,PM传感器电流值 近 似 为,当 存 在D P F捕集效率故障时,PM传感器有电流值通过.该测试方法直接有效,不易误报.图D P F故障件与正常件PM测量值 压差法发动机试验台架上D P F压差随发动机转速扭矩的变化,对于正常状态,D P F故障件效率状态及D P F移除状态的发动机,D P F压差变化在大负荷工况相对差距较大.大废气流量区域,D P F压差过小故障(压差法)发动机分别安装D P F正常件,D P F效率故障件,D P F移除故障件时,D P F上下游压差随排气体积流量的变化如图所示.在D P F排气体积流量较大的区域,D P F正常件与D P F捕集效率故障件和D P F移除故障件对应的的D P F上下游压差区分度较大,D P F捕集效率和D P F移除区分度相对较小.本项目,P F捕集效率和D P F移除后前后管压差在排气流量大于 m/h的区域,D P F上下游压差相差 h P a左右,符合要求.图D P F故障件与正常件上下游压差图 D P F过滤效率过低故障(基于压差)发动机分别安装D P F正常件,D P F效率故障件,D P F移除故障件时,D P F的流阻随排气体积流量的变化如图所示.对新鲜D P F,D P F流阻随D P F排气体积流量变化较大,大废气流量区域,D P F流阻大于 h P a/(m/h);对存在D P F效率故障的发动机,D P F流阻随排气体积流量的变化较小,试验中已小于 h P a/(m/h);对安装D P F移除故障件的发动机,发动机起动一段时间后,D P F流阻依然为.对安装D P F正常件,D P F效率故障件,D P F移除故障件的发动机,D P F流阻在大废气流量区域差别较大.图D P F故障件与正常件D P F流阻变化图结论本文以采用B O S CH平台的某款重型柴油机为研究对象,试验得出如下结论:)压差传感器法监测D PM捕集效率故障适用于在高负荷工况与D P F堵塞故障监测及无故障车辆区分度较大的发动机.对于长时间处于低转速低负荷工况的发动机,除了D P F移除故障和D P F效率故障容易报错外,还可能导致D P F故障诊断的I U P R率过低.)PM传感器法测D PM捕集效率故障适用于绝大多数机型,但由于PM传感器价格比较昂贵,结构相对复杂,且易损坏,适用于不能通过压差传感器法监测D PM捕集效率故障的机型.参考文献:G B ,轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)S中国:环境保护部,T h o r s t e nO c h s,H e n r i kS c h i t t e n h e l m,A n d r e a sG e n s s l e P a r t i c u l a t eM a t t e rS e n s o rf o rO nB o a r dD i a g n o s t i c s(O B D)o fD i e s e lP a r t i c u l a t eF i l t e r s(D P F)J ,():AG u p t a,M F r a n c h e k M o d e lB a s e dF a i l u r eD e t e c t i o no fD i e s e lP a r t i c u l a t eF i l t e rJ Am e r i c a nC o n t r o lC o n f e r e n c e,():姚广涛,伍恒等柴油机排气后处理D P F失效时故障特征J装甲兵工程学院学报,():姚 广 涛,伍 恒,张 卫 锋基 于 温 度 数 据 相 关 分 析 的D P F故障诊断策略J内燃机工程,():姚广涛,郭子荣基于压力信号谱分析的D P F故障诊断策略研究J汽车工程,():章慧敏重型柴油机D P F的O B D故障诊断策略研究D山东大学,资新运,张谷雨,庞海龙,等柴油机颗粒物实时诊断传感器技术研究发展J传感器与微系统,():