柴油机排气后处理系统CRT故障诊断研究*

胡 杰 李泽西 林 峰 颜伏伍 刘志成

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1) 武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2) 武汉 430070)

柴油机排气后处理系统CRT故障诊断研究*

胡 杰1,2)李泽西1,2)林 峰1,2)颜伏伍1,2)刘志成1,2)

(武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室1)武汉 430070)(汽车零部件技术湖北省协同创新中心2)武汉 430070)

以柴油机排气后处理系统连续被动再生颗粒捕集器(CRT)为研究对象，建立GT-Power仿真模型，通过对比台架试验数据与仿真数据验证了模型的准确性.通过故障仿真,分析了氧化催化器(DOC)和催化型颗粒物捕集器(CDPF)不同程度的破损与堵塞对其两端温差和压差的影响.结果表明，压差参数对故障较为敏感.基于压差提出了参数K作为CRT系统的故障诊断参数，工况对参数K影响较小，在稳态和NEDC循环下验证了该参数对CRT系统破损和堵塞故障敏感，通过参数K能够判断出故障程度及破损、堵塞等故障类型.

柴油机；CRT系统；仿真；故障诊断

0 引 言

我国汽车排放法规日益严格，但依然存在排放污染物大大超过现行排放法规限值的“黄标车”，其污染物的平均排放量超过新车平均排放量的6倍以上[1].为此我国部分城市开展了在用车排放改造项目，采用DOC(氧化催化器)/DPF(柴油机颗粒物捕集器)/DOC+CDPF(催化型颗粒物捕集器)等后处理方式降低此类车辆的排放污染物[2-4].其中DOC+CDPF组成的CRT系统(连续被动再生颗粒捕集器)因其成本较低、再生温度窗口宽等优势前景广阔.为防止CRT系统在使用过程中出现堵塞或损坏等性能问题，需要对CRT系统的性能进行实时在线远程监测，文中主要通过研究CRT系统破损和堵塞故障的表征参数，建立基于在线数据的CRT系统的故障诊断方法.

吕明等[5]基于DOC模型，分析了不同故障状态下DOC两端排气温度和背压的变化情况，研究表明DOC两端温度和背压能在一定程度上表征故障状态.张卫峰等[6]基于传统压降模型使用正交最小二乘法拟合的故障诊断方法来判断DPF泄露与堵塞故障.刘婷婷[7]选取排气温度和压力原始信号作为故障诊断特征参数，使用大量仿真数据建立了CRT故障诊断模型.Kumar等[8]研究了DOC和DPF氧化过程中生成硫化物导致催化剂中毒失效的机理.目前还没有一种针对在用车改造的CRT系统故障诊断方法得到普遍应用，文中根据某CRT系统的结构参数，利用GT-Power仿真软件建立了仿真模型，对不同故障类型与故障程度进行仿真分析，提出一种可以表征DOC和CDPF故障的特征参数和故障诊断方法，为机载环境下实时诊断CRT系统提供基础.

1 CRT系统建模与验证

1.1 DOC模型

CRT系统的主要特征参数见表1.

GT-Power中的DOC模型主要包含催化器本体模块和化学反应模块两部分，为了便于观察DOC的状态还加入了一个监视模块，仿真模型的结构见图1.

表1 CRT系统的主要特征参数

图1 DOC的GT模型

DOC_cat为DOC催化器主体，需要对催化器的结构和换热参数等进行设定.结构参数可以参照表1进行设定，离散尺度为2.5 mm；换热参数设定为外部温度为300 K，与空气的对流换热系数为15 W/(m2K)——通风良好的实验室环境，基底和涂层的材料和厚度分别为0.163 mm堇青石和0.015 mm氧化铝，外壳为3 mm的碳钢.

DOC_Reactions为表面化学反应模块，主要是对DOC中的化学反应参数进行设置.假设PM排放均为碳烟，且忽略生成的硫酸盐对PM排放的影响.由于HC的种类过于复杂，本研究采用C3H6作为HC的代表[9].DOC中发生的主要化学反应为

CO + 0.5O2→ CO2

(1)

C3H6+ 4.5O2→ 3CO2+ 3H2O

(2)

NO + 0.5O2→ NO2

(3)

由于柴油机一般工作在过量空气系数大于1的工况，因此，排气中有足量的氧气保证上述反应的发生.

求解器选择为Advanced Adaptive，求解器能够自己调整网格和时间步长，速度快且鲁棒性好；根据涂覆的质量和催化剂的分子量来设置活性位参数；表面反应中的反应速率满足Arrhenius定律，反应速率为

(4)

式中：R为反应速率；A为反应系数常数；T为壁面温度；b为温度指数常数；Ea为活化温度；{conc}为浓度表达式；f(Gi)为其他系数；g(Θ)为覆盖率表达式，Θ为活性位的覆盖率.

1.2 CDPF模型

由于DPF模块内部自带再生反应选项，可以引入0～3维的再生反应对象来进行CDPF模型的再生过程仿真，因此,只需要DPF模块就可以建立CDPF的仿真模型.对CDPF模型同样加入一个监测模块进行各状态参数的监测.仿真模型的结构见图2.

图2 CDPF的GT模型

CDPF模块外部环境参数与DOC相同；模型的结构参数参照表1进行设定，根据催化器的结构，设置壁面捕集孔的平均直径为0.012 5 mm，过滤孔隙率为0.456；模型的再生反应模型选择为内部模型，CDPF中的反应均满足Arrhenius定律及其扩展定律.

CDPF催化剂上发生的主要反应为

NO+0.5O2→NO2

(5)

NO2+C→CO+NO

(6)

(1-0.5f)O2+C→(1-f)CO2+fCO

(7)

碳烟的氧化主要由式(6)～(7)反应完成，其中NO2的氧化性比较强，在250 ℃以上时就能达到较高的反应速率，O2对碳烟的氧化性能较差，需要在较高温度下才能达到可观的反应速率.

NO被氧化成NO2的反应属于可逆反应，反应速率计算公式为

(8)

碳烟被NO2氧化的氧化速率计算公式为

(9)

CDPF中碳烟催化氧化的氧化速率速率计算公式为

(10)

K1=ATTexp(-E3/T)

(11)

1.3 模型的验证

为了验证仿真模型的有效性，搭建了发动机-CRT的试验台架.使用玉柴YC6L-42柴油机做为试验发动机.柴油机为直列六缸、增压水冷、四冲程、高压共轨的柴油机，主要技术参数见表2.

表2 YC6L-42参数

后处理装置安装于涡轮增压器的后端，后处理装置的入口与涡轮增压器的出口距离为2 000 mm，后处理装置及采样装置的安装见图3.根据生产厂家的要求，进行实验之前需要对后处理装置进行激活，激活方式为：发动机在额定功率下运行2.5 h，此时发动机转速为2 300 r/min，油门开度100%，后处理装置的入口温度为800 K.

图3 试验设备安装示意图

选取八个稳态工况点对模型的准确性进行验证.测试工况点的原始排放，加装CRT系统后的试验结果和GT模型的仿真结果见表3.由表3可知，仿真结果与试验结果之间的误差基本保持在5%以内，仿真模型满足使用要求，可以基于该模型展开进一步的仿真研究和预测分析.

2 CRT系统的故障诊断研究

2.1 故障状态对CRT系统的影响

本节研究堵塞和破损这两种典型故障对CRT系统性能的影响，基本方法为减小CRT系统的截面积模拟堵塞故障，减小DOC的长度模拟破损故障，增大壁面捕集孔密度模拟CDPF破损故障.CRT系统仿真模型的入口排气参数为试验柴油机在转速为1 800 r/min负荷分别为20%，50%和90%工况下的原始排气参数.污染物的转化效率、DPF单位时间碳烟加载量、排气温度和压差对CRT系统的工作状态变化较敏感[10-11].考虑实用性、稳定性与成本因素选用DOC和DPF两端温差和压差作为参数分析CRT系统破损与堵塞对其的影响.

表3 试验与仿真模型对比结果

DOC两端的压差和温差随破损程度的变化见表4，随着破损程度的增加，相同负荷下的DOC两端的压差温差都逐渐减小.由于DOC的破损程度增加，DOC对排气的阻力减小，因此两端的压差逐渐减小，同时由于DOC中反应面积减小，导致DOC对排气中未燃物的氧化性能下降，对排气的升温作用降低导致DOC两端的温差逐渐减小.

表4 DOC两端的压差和温差随破损程度的变化

DOC两端的压差和温差随堵塞程度的变化见表5，随着DOC堵塞程度的增加，相同负荷下的DOC两端压差逐渐增加，但是两端温差逐渐减小.随着堵塞程度增加，DOC的流通面积逐渐减小，对于排气的阻碍作用增强，导致两端的压差增加；对于温差的影响与破损类似，由于堵塞造成反应面积减少，造成DOC升温效果降低，温差减小.

表5 DOC两端的压差和温差随堵塞程度的变化

CDPF两端压差和温差随破损程度的变化见表6，在相同负荷下，随着破损程度的增加，DPF对于排气的阻力减小，导致DPF两端的压差逐渐减小；破损程度对温差的影响较小，温差对DPF破损故障的敏感性较差.

①九麦2号、②中麦895、③小偃22（CK）、④秦农578、⑤西农223、⑥陕农33、⑦武农6号、⑧凳峰168。

表6 CDPF两端压差和温差随破损程度的变化

CDPF两端压差和温差随堵塞程度的变化见表7，在相同负荷下，随着堵塞程度的增加，DPF的流通面积减小，排气阻力增加，CDPF两端的压差增加；同时DPF两端的温差有些许增加.

表7 CDPF两端压差和温差随堵塞程度的变化

由表4～7可知，当发生破损和堵塞故障时，DOC和CDPF两端的温度以及压差会产生相应的变化.当发生破损故障和堵塞故障时，DOC两端的温差都会下降，而CDPF两端的温差变化不明显，不宜作为故障判断的直接依据.工况对温差和压差也有较大影响，由表5可知，发动机负荷为90%时完好DOC两端压差与发动机负荷为20%时严重堵塞DOC(载体面积为40%)两端压差相差不足5%，若直接采用单一原始信号作为诊断参数会造成误诊现象，因此以压差作为重要参数展开进一步的研究.

2.2 故障诊断参数

DOC两端的压差主要受到工作状态、排气质量流量和温度的影响，CDPF两端的压差，除了以上三个因素影响外，还会受到CDPF中碳烟加载量的影响.DOC和洁净CDPF两端的压差随温度和排气质量流量的变化见图4.

图4 DOC和CDPF两端压差随排气质量流量的变化

由图4可知，在同一温度下，DOC和CDPF两端的压差与排气质量流量呈线性相关，随着排气质量流量的增加，两端的压差值线性增加.同时，排气温度会对压差产生一定的影响，相同质量流量下，随着温度的升高，压差增大.进一步分析CRT系统两端压差与排气体积流量的关系见图5.

图5 DOC和CDPF两端压差随排气体积流量的变化

DOC和CDPF两端的压差与排气体积流量基本呈线性相关，压差随着排气体积流量的增大而增大.在相同排气体积流量下，当温度发生变化时，压差还是会发生些许变化.因此文中提出一个用于故障诊断的参数K，该参数的计算公式为

(13)

式中：pdif为CRT系统两端的压差；v为流过CRT系统的体积流量；T为气体的温度.

质量流量与体积流量的转化关系为

v=101.3mT/(1.293×273.15p)

(14)

式中：m为质量流量；T为排气温度；p为排气压力.

按3.1中的工况进行仿真，并计算在不同条件下的参数K的值，结果见表8～11.

表8 破损程度对DOC参数K的影响

表9 堵塞程度对DOC参数K的影响

表10 破损程度对CDPF参数K的影响

表11 堵塞程度对CDPF参数K的影响

由表8～表11可知，参数K对于工况的变化不敏感，当CRT系统的状态不变时，参数K随负荷改变的变化很小；但是当DOC或者CDPF发生较严重的堵塞或者破损故障时，参数K会发生明显变化.当CRT系统发生破损故障时，参数K会减小，当CRT系统发生阻塞故障时，参数K会增大，并且随着故障程度的加深，参数K与正常状态CRT系统K值的差值增大,因此,在稳态工况下可以通过判断参数K是否处在正常范围来判断CRT系统是否发生故障.

同时进行NEDC循环工况来测试参数K在瞬态工况下的变化情况.由于是瞬态工况，计算结果有较大的波动，通过对100个计算结果取均值的方式对K值曲线进行平滑，平滑后的结果见图6.

图6 NEDC循环平滑后的K值曲线

经过平滑后K值曲线的波动大大减小，且基本上围绕某个值上下波动.其中CDPF等效面积为40%的K值曲线，随着时间的增加而逐渐上升，主要是由于CDPF等效面积缩小，体积也随之缩小，导致单位体积的DPF在单位时间内加载的碳烟量增加，造成了参数K的增加.经过取平均值的方法平滑后，参数K的值在瞬态工况下可作为表征CDPF和DOC故障状态的参数.

NEDC循环下，催化器的参数K的随初始碳烟加载量的变化见图7.碳烟加载量增加时，CDPF的参数K也会增加，对参数K的影响与CDPF堵塞故障的表现相似.由于在用车改造CRT系统不具备主动再生功能，所以当碳烟加载量超过一定限值后，需要在维修点进行维护，经过再生之后才能再次使用.因此对堵塞故障和碳烟加载量过高两种会导致CDPF参数K超过限值的故障可以由维修人员做具体的区分和处理.

图7 NEDC循环下初始碳烟加载量对参数K的影响

2.3 基于参数K的故障诊断方法

不同故障类型与故障程度的CRT系统均可以得到相应的故障特征参数K.相反，只要针对不同故障类型的CRT系统，采集不同运行条件下DOC和CDPF两端的温度、压差以及发动机排气流量数据，并计算故障特征参数K，绘制平滑后的K值曲线，就可以利用未知不同故障类型的CRT系统故障特征参数K与正常状态的CRT系统的参数K之间的偏移方向与偏移量，来对故障类型和故障程度进行分析判断.偏移方向表征着不同的故障类型，参数K向上偏移表明发生堵塞故障或CDPF碳载量过高，向下偏移表明发生破损故障，偏移量表征着故障程度，偏移量越大表明故障程度越深.

3 结 论

1) 发生破损或堵塞故障时，DOC两端温差表现为下降趋势.CDPF两端温差变化对破损故障不敏感，发生堵塞故障时CDPF两端温差有些许增加.发生破损故障时，DOC和CDPF两端压差减小，而发生堵塞故障时，DOC和CDPF两端压差增加.同时，发动机工况对的温差和压差也有很大影响.

2) 故障诊断参数K对工况的变化不敏感，但发生故障时，参数K变化明显，可以表征CRT系统的故障状态.CRT系统发生破损故障时，参数K减小；发生堵塞故障或CDPF碳载量增加时，参数K增大.利用未知故障类型CRT系统K值与正常状态CRT系统K值之间的偏移方向和偏移量可以判断CRT系统的故障类型和故障程度，是一种可行的CRT系统故障诊断方法.

[1] 中华人民共和国环境保护部.中国机动车污染防治年报[Z].北京：中华人民共和国环境保护部，2015.

[2] 武汉市环境保护局.武汉市高污染排放机动车排气后处理系统改造管理办法(试行)[Z].武汉：武汉市环境保护局，2016.

[3] 上海市城市交通运输管理处.关于本市开展国三集卡加装尾气净化装置工作实施方案的通知[Z].上海：上海市城市交通运输管理处，2016.

[4] 南京市环境保护局.关于南京市在用柴油车排放治理改造指南的通知[Z].南京：南京市环境保护局，2013.

[5] 吕明，阎凯，宁智.柴油机排气氧化催化转化器故障诊断技术方案的仿真分析[J].车辆与动力技术,2011,121(1):39-43.

[6] 张卫峰，伍恒，姚广涛,等.基于正交最小二乘模型拟合的DPF故障诊断方法[J].内燃机工程,2017,38(1):18-23.

[7] 刘婷婷.柴油机排气后处理系统CRT老化及失效故障诊断研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[8] KUMAR A, LI J, LUO J, et al. Catalyst sulfur poisoning and recovery behaviors: key for designing advanced emission control systems[J]. SAE Technical Paper,2017(1):55-58.

[9] KOLTSAKIS G, KANDYLAS I, GULAKHE. Synergetic DOC-DPF system optimization using advanced models[J]. SAE Int J Engines,2017,10(1):82-94.

[10] 姚广涛，伍恒.柴油机排气后处理DPF失效时故障特征[J].装甲兵工程学院学报,2015,29(3):55-58.

[11] 吕明，阎凯，宁智.柴油机氧化催化转化器故障的排气参数敏感度分析[J].车用发动机,2011,192(1):22-26.

Research on Fault Diagnosis of Exhaust After-treatment System CRT for Diesel Engine

HUJie1,2)LIZexi1,2)LINFeng1,2)YANFuwu1,2)LIUZhicheng1,2)

(WuhanUniversityofTechnology,HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

Taking the exhaust after-treatment system CRT (Continuously Regenerating Trap) of diesel engine as the research object, the simulation model of GT-Power was established and verified by comparing bench test data and simulation data. The fault simulation was carried out to analyze the influence of different degrees of damage and blockage on temperature and pressure difference between two ends of DOC (Diesel Oxidation Catalyst) and CDPF (Catalytic Diesel Particulate Filter), The results show that the fault is sensitive to the pressure difference. Based on pressure difference, the parameterKwas proposed as the fault diagnosis parameter of CRT system and the working condition has little effect on parameterK. Under the steady state and NEDC cycle, it is proved that the parameterKis sensitive to the damage and blockage of CRT system.Kcan be used to judge the fault degree and fault types.

diesel engine; CRT system; simulation; fault diagnosis

U464.172

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.006

2017-09-14

胡杰 (1984—)：男，博士，副教授，主要研究领域为发动机电控及排放控制技术、车载诊断技术、汽车电子

*国家自然科学基金项目(51406140)、校企合作项目资助