柴油机排气后处理DPF失效时故障特征

姚广涛， 伍 恒

(军事交通学院军用车辆系， 天津 300161)

柴油机排气后处理DPF失效时故障特征

姚广涛， 伍 恒

(军事交通学院军用车辆系， 天津 300161)

针对柴油机颗粒物过滤器(Diesel Particulate Filter, DPF)在使用过程中出现的失效状态，通过台架实验研究了DPF破损或堵塞时柴油机排气特性参数变化规律，分析了DPF失效时故障特征及敏感程度。结果表明：DPF的前、后温度和排气背压对DPF破损与堵塞故障表现出较好的敏感程度，可以作为DPF故障诊断的主要故障特征参数。

柴油机；DPF；故障特征；OBD

柴油机颗粒物过滤器(Diesel Particulate Filter, DPF)对柴油机有害颗粒物(Particulate Matter,PM)排放捕集效率在90%以上，对颗粒物数量(Particulate Number,PN)的捕集效率达到99%[1]。因此，柴油机排气后处理采用DPF是满足欧Ⅵ及以上排放法规中PN限制的有效手段[2]。

在使用过程中，由于再生控制系统故障以及振动、热冲击等问题，DPF会出现失效,如：再生温度过高导致的烧熔,温度梯度过大导致的烧裂，灰分累积过多、再生失败或者再生不完全导致的DPF堵塞，以及机械振动导致的DPF结构损坏等[3]。DPF失效若不能被及时发现并进行处理，不仅会影响发动机的动力性和经济性，还会使发动机启动困难，出现熄火现象，甚至会使安装在发动机上的转矩限制器发挥作用而影响车辆正常行驶，而且还会使得排放超过排放标准限值，对环境造成危害。

DPF故障诊断是柴油机在线故障诊断(On-Board Diagnostics,OBD)系统的重要组成部分[4]，对DPF失效的故障形式与程度进行快速有效的检测是DPF技术的研究热点之一[5]。笔者通过台架实验研究了DPF破损或堵塞时柴油机排气特性参数变化规律，分析了DPF失效时故障特征及敏感程度，为实现对DPF失效的准确判断提供了理论支持。

1 实验装置与方法

由于DPF系统发生故障时，多个排气特性参数会发生改变,为了提取在不同故障类型和故障程度中变化最明显的排气参数，笔者设计了排气阻力实验台，并针对过滤器不同的失效形式，开展了排气温度和排气背压敏感程度研究。

排气阻力实验台主要由变频调速风机、流量计、空气加热器和DPF实验装置组成，其中：DPF实验装置分别在DPF前、后装有温度传感器(T1、T2)和压力传感器(P1、P2)，如图1所示。实验目的为:分析排气流量和排气温度可控时，不同形式(健康或者不同故障形式)的DPF前、后温度和压力的变化规律。具体的实验流程是：在不同的排气流量下，采集7种不同测试形式DPF(如表1所示)在气道流体升温和降温过程中过滤器前、后的温度和压力数据。

图1 排气阻力实验台

表1 测试DPF的类型

名称DPF故障类型健康DPF无损坏故障1型DPF人工损坏9.1%故障2型DPF人工损坏13.4%故障3型DPF人工损坏18.2%故障4型DPFPM负载量6.9g/L(模拟堵塞)故障5型DPFPM负载量9.1g/L(模拟堵塞)故障6型DPFPM负载量12.5g/L(模拟堵塞)

2 DPF失效故障特征与敏感程度

2.1 排气温度对DPF破损敏感程度

排气流量分别为180、336 kg/h时，在设定的加热规律(150～200 ℃)条件下，健康DPF、故障1型和故障3型DPF的前、后排气温度T随时间t的变化曲线分别如图2、3所示。

图2 不同破损程度DPF前温度随时间变化曲线

图3 不同破损程度DPF后温度随时间变化曲线

由图2可知：1)随着DPF破损程度的增大，DPF前温度达到稳定所需要的时间逐渐增加，其中，图2(a)中的健康DPF、故障1型以及故障3型DPF所需时间分别为140、180、300 s,这是因为DPF破损程度越大，其对排气流动的阻力就越小，从而导致前温度积聚上升效应减弱，温度上升缓慢；2)在排气流量分别为180、336 kg/h时，故障1型DPF前温度达到稳定所需时间分别为180、350 s，这是因为DPF破损程度相同时，排气流量越大，排气流速越快，从而导致前温度积聚上升效应减弱，温度上升缓慢。

由图3可以看出：1)DPF后温度上升的过程也存在一定的延时，但相比之下，不同破损程度的DPF后温度达到稳定时的幅值明显不同，DPF破损程度越大，DPF后温度达到稳定时的幅值越低；2)在排气流量分别为180、336 kg/h时，故障1型DPF后温度达到稳定的幅值分别为185、165 ℃，这主要是因为在DPF同一破损程度下，排气流量越大，排气带走的热量越多，稳定后DPF后温度越低。

2.2 排气温度对DPF堵塞敏感程度

排气流量分别为180、336 kg/h时，在设定的加热规律(400～650 ℃)条件下，健康DPF、故障4型和故障5型DPF前、后温度T随t的变化曲线分别如图4、5所示。

由图4可知：1)随着DPF堵塞程度的增大，DPF前温度达到稳定所需要的时间逐渐减少，图4(a)中健康DPF、故障4型以及故障5型DPF前温度稳定所需时间分别为140、90、50 s，这主要是因为DPF堵塞程度越大，对空气流动的阻力就越大，从而导致DPF前温度积聚上升效应加强，温度上升迅速；2)当排气流量分别为180、336 kg/h时，故障4型DPF前温度达到稳定所需要的时间分别为90、250 s，主要是因为排气流量越大，排气流速越快，从而导致前温度积聚上升效应减弱，温度上升缓慢。

图4 不同堵塞程度DPF前温度随时间变化曲线

图5 不同堵塞程度DPF后温度随时间变化曲线

由图5可知：1)由于DPF堵塞程度不同，DPF后温度上升的过程也存在一定的延时，但相比之下，DPF堵塞程度越大，DPF后温度达到稳定时的幅值越低； 2)排气流量分别为180、336 kg/h时，故障4型DPF后温度达到稳定时的幅值分别为550、600 ℃，这主要是因为同一DPF堵塞程度下，排气流量越大，排气与DPF摩擦产生的热量就越大，从而导致DPF后温度稳定时幅值就越大。

2.3 排气背压对DPF破损与堵塞敏感程度

排气流量分别为180、336 kg/h时，在设定的加热规律(150～200 ℃)条件下，健康DPF、故障1型DPF和故障3型DPF排气背压ΔP随t的变化曲线分别如图6所示。可见：DPF破损程度越大，排气背压值越低；排气流量越大，排气背压值相对越高。

图6 不同破损程度DPF排气背压随时间变化曲线

排气流量分别为180、336 kg/h时，在设定的加热规律(400～650 ℃)条件下，健康DPF、故障4型和故障5型DPF排气背压ΔP随t的变化曲线如图7所示。可见：不同堵塞程度的DPF排气背压值区别很明显，DPF堵塞程度越大，排气流量越大，排气背压越高。

图7 不同堵塞程度DPF排气背压随时间变化曲线

3 结论

1) DPF破损或堵塞程度不同，DPF前、后温度达到稳定所需要的时间(即延时特性)就不同，DPF后温度达到稳定时的幅值也不同,DPF前、后压差幅值会发生明显的变化，这表明:排气温度、排气背压对DPF破损与堵塞故障均表现出较好的敏感程度，可以作为DPF故障诊断的主要故障特征参数。

2) 要实现柴油机后处理DPF-OBD功能，应当结合排气温度、排气背压的变化，对DPF失效形式与程度进行准确判断。

[1] 李骏.汽车发动机节能减排先进技术[M].北京：北京理工大学出版社，2011：216-222.

[2] 帅石金，唐韬，赵彦光,等．柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J]．汽车安全与节能学报，2012，3(3)：200-217．

[3] Dabhoiwala R H，Johnson J H，Naber J D，et al． A Methodology to Estimate the Mass of Particulate Matter Retained in a Catalyzed Particulate Filter as Applied to Active Regeneration and On-Board Diagnostics to Detect Filter Failures[J]． SAE Technical Paper 2008-01-0764, 2008,doi:10.4271/2008-01-0764.

[4] 卜建国,张卫锋,资新运，等.基于OBD技术的轻型柴油车DPF系统诊断策略的研究[J]. 汽车工程，2011(3)：203-207.

[5] Atsuo K，Shoji Y，Takayuki S，et al．New Particulate Matter Sensor for On Board Diagnosis[J]．SAE International Paper, 2001-01-0302，2011，doi:10.4271/2011-01-0302.

(责任编辑: 尚菲菲)

Fault Characteristics Research on Diesel Exhaust After-treatment DPF

YAO Guang-tao, WU Heng

(Department of Military Vehicle, Academy of Military Transportation, Tianjin 300161, China)

According to the failure state of DPF (Diesel Particulate Filter) in use, diesel exhaust characteristic parameter variation, fault characteristics and the degree of sensitivity are analyzed by bench research methods when the DPF clogged or damaged. The results show that DPF inlet temperature, DPF outlet temperature and exhaust back pressure can be used as the main characteristic parameters for DPF fault analysis because they exhibit better sensitivity degree to DPF clogged and damaged.

diesel; Diesel Particulate Filter (DPF); fault characteristics; On-Board Diagnostics (OBD)

1672-1497(2015)03-0055-04

2015-03-12

国家“863”计划项目(2013AA065303)

姚广涛(1962-)，男，教授，博士。

TK421+.5; TK428

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.011