王欣偉,程德新,張 軍,任憲豐,趙樹(shù)恩
(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濰坊 261000; 2.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院, 重慶 400074; 3.濰柴動(dòng)力股份有限公司, 山東 濰坊 261000)
柴油機(jī)以其優(yōu)越的熱效率、功率特性和燃油經(jīng)濟(jì)性,是當(dāng)前重型商用車、船舶及其他大型運(yùn)載裝備的主要?jiǎng)恿χ?。隨著《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法》(中國(guó)第六階段)全面實(shí)施,對(duì)重型柴油機(jī)排放的物氮氧化物(NO)和顆粒物(particulate matter,PM)排放限值分別提升了77%和67%,并新增了粒子數(shù)量(particulate number,PN)的限值要求。通過(guò)加裝柴油機(jī)顆粒過(guò)濾器(Diesel Particulate Filter,DPF)對(duì)尾氣排放顆粒物(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)的捕集效率可以達(dá)到90%和99%。但隨著汽車的行駛里程增加,由于熱沖擊、振動(dòng)以及惡劣工況,使得氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、DPF出現(xiàn)載體堵塞、破損、老化等故障,故障的出現(xiàn)會(huì)使得柴油機(jī)的動(dòng)力性能變差以及油耗和排放增加。如顆粒物累積、再生不完全或失敗將導(dǎo)致后處理裝置堵塞,造成背壓增加出現(xiàn)燃燒變差、熄火和啟動(dòng)困難等現(xiàn)象,甚至?xí)ㄟ^(guò)ECU降低發(fā)動(dòng)機(jī)的峰值扭矩,限制車輛的行駛車速;此外,碳煙積載過(guò)多使得再生溫度過(guò)高導(dǎo)致載體基質(zhì)燒融,溫度梯度過(guò)大導(dǎo)致燒裂,以及機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破損,使得部分氣體未進(jìn)行處理直接排向大氣;過(guò)濾器老化使得催化反應(yīng)減弱,引起后端污染物濃度增加。
因此,國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制車載診斷(OBD)系統(tǒng)的功能提出了新要求,如OBD系統(tǒng)要監(jiān)測(cè)DPF的部件和性能參數(shù)等。如何快速有效地進(jìn)行DPF故障辨識(shí)與預(yù)警,對(duì)柴油機(jī)顆粒物排放及故障自診斷至關(guān)重要。
國(guó)六柴油機(jī)后處理系統(tǒng)通常由DOC、DPF、選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器(selective catalytic reduction,SCR)和氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst,ASC)組成(見(jiàn)圖1)。其中,在后處理裝置中加裝DPF是處理尾氣顆粒物的最佳方式,其工作原理是通過(guò)微粒捕集器自身相間的堵孔結(jié)構(gòu),將排氣中較大PM收集在入口通道內(nèi)并適時(shí)燃燒,來(lái)降低排向大氣的PM,達(dá)到凈化排氣的目的。隨著柴油機(jī)不斷運(yùn)行,DPF會(huì)不斷捕集排氣中的PM,使得排氣背壓逐漸增大,當(dāng)背壓達(dá)到一定值時(shí)將觸發(fā)主動(dòng)再生程序,通過(guò)燃燒DPF中的碳煙顆粒來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在一個(gè)良好的背壓環(huán)境下,在此過(guò)程中需要得到DPF的壓降信號(hào)以及進(jìn)出口溫度信號(hào)來(lái)判斷再生。當(dāng)DPF出現(xiàn)故障時(shí),會(huì)使得DPF相關(guān)信號(hào)出現(xiàn)差異,故通過(guò)DPF壓降和進(jìn)出口溫度信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確識(shí)別DPF的工作狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)有效再生和故障診斷的前提。
圖1 國(guó)六后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
運(yùn)用AVL-Boost軟件建立柴油機(jī)后處理系統(tǒng)仿真模型(見(jiàn)圖2),其關(guān)鍵零部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
圖2 后處理系統(tǒng)仿真模型示意圖Fig.2 Simulation model of post-processing system
表1 關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
仿真模型的入口邊界條件(Aftertreatment Boundary 1,ATB1)采用世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)工況,其進(jìn)口流量、溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖3、圖4所示,出口邊界條件(ATB2)的壓力和溫度分別為0.1 MPa、25 ℃。
圖3 入口流量隨時(shí)間變化曲線
圖4 入口溫度隨時(shí)間變化曲線
隨著顆粒捕集器裝車?yán)锍痰脑龃?,碳煙在捕集器中逐漸累積,再生失效或再生不完全,會(huì)對(duì)排氣背壓產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外,碳煙累積量過(guò)大,再生時(shí)會(huì)導(dǎo)致載體溫度過(guò)高,影響DPF的使用壽命。
由壁流式陶瓷過(guò)濾器結(jié)構(gòu)可知,隨著顆粒物的增加,碳煙和灰分積載量增大,通道有效流通截面積減小,從而造成DPF載體堵塞現(xiàn)象。為了分析DPF載體堵塞時(shí)的故障特性,在仿真過(guò)程中,通過(guò)增加壁厚(Wall Thickness)來(lái)模擬不同程度的堵塞情況,如圖5所示。
圖5 DPF堵塞示意圖
圖6、圖7分別為不同堵塞情況下,DPF壓降及出口溫度的變化曲線。從其中可以看出,隨著堵塞程度的加大,氣流阻力增加,DPF整體壓降下降幅度增大,即前后壓差變大,且壓降與堵塞程度呈正相關(guān)。同時(shí),隨著堵塞程度的加大,熱流流過(guò)過(guò)濾體的阻力增加,在啟動(dòng)階段,故障狀態(tài)下的DPF出口溫度升溫明顯延遲,隨著工作時(shí)間延長(zhǎng),DPF出口溫度緩慢上升,且隨著堵塞增加溫度幅度變化減弱。
圖6 DPF壓降隨時(shí)間變化曲線
圖7 DPF出口溫度隨時(shí)間變化曲線
汽車在行使過(guò)程中,為了滿足速度需要而頻繁變速,使得發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量迅速波動(dòng),可能導(dǎo)致DPF反復(fù)受到熱應(yīng)力而引起基質(zhì)破裂;此外,再生異常使得DPF升溫過(guò)高,而引起基質(zhì)燒融,均會(huì)造成DPF捕集效率下降,導(dǎo)致排氣直接從破損處直接流出,引起排放污染物增加,如圖8所示。為了分析DPF載體破損失效時(shí)的故障特性,在仿真過(guò)程中,通過(guò)改變載體通道數(shù)量CPSI(Cell Density)模擬不同程度的破損和燒蝕情況。
圖8 DPF破損示意圖
圖9、圖10分別展示了DPF載體不同破損情況下,DPF壓降及出口溫度的變化曲線。從其中可以看出,隨著載體破損程度增大,DPF壓降減小,主要原因是由于載體破損加劇,部分氣流不再流經(jīng)過(guò)濾壁,而直接從破損處流向出口通道,流動(dòng)阻力減小而致。同時(shí),氣體溫度流過(guò)過(guò)濾器面的熱損失減小,使得DPF出口溫度上升較快。
圖9 DPF壓降隨時(shí)間變化曲線
圖10 DPF出口溫度隨時(shí)間變化曲線
由圖1可以看出,柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中DOC與DPF工作過(guò)程密切關(guān)聯(lián),DPF故障特征的表征參數(shù)DPF壓降及出口溫度直接受到DOC出口溫度和壓力的影響,且在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,后處理系統(tǒng)的故障往往是綜合性的,單純通過(guò)DPF壓降或出口溫度較難準(zhǔn)確診斷DPF和相關(guān)載體堵塞、破損等故障的嚴(yán)重程度。因此,有必要對(duì)柴油機(jī)DOC與DPF復(fù)合故障下DPF的故障特征變化進(jìn)行研究。DOC和DPF結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。
圖11 DOC+DPF結(jié)構(gòu)示意圖
在仿真模型中分別對(duì)DOC正常、堵塞25%、破損25%、老化45%與DPF正常、堵塞25%、破損25%等故障情況進(jìn)行組合仿真,可得到11種不同狀態(tài)組合。采用前文仿真分析方法,分別得到圖12~圖16所示的DOC與DPF故障特征參數(shù)變化曲線。
圖12 DOC前端溫度隨時(shí)間變化曲線
圖13 DOC后端溫度曲線
圖14 DOC前端壓力曲線
圖15 DPF壓降曲線
圖16 DPF出口溫度曲線
由圖12~圖14可以看出,DOC與DPF的復(fù)合故障,均對(duì)DOC入口溫度無(wú)影響,而DOC出口溫度僅與自身堵塞、破損及老化等故障有關(guān),與DPF的故障無(wú)明顯關(guān)系,但DOC和DPF的復(fù)合故障對(duì)DOC前端壓力影響較大。由圖15可以看出DPF壓降并不能較好地體現(xiàn)DOC故障,但是能夠明顯地體現(xiàn)DPF自身故障,與前文分析的單一DPF故障結(jié)果趨于一致。圖16可以看出,DPF的末端溫度是由DOC和DPF共同決定,即DOC發(fā)生堵塞、破損和老化時(shí)將對(duì)下游溫度造成影響,加之與DPF故障(堵塞、破損)復(fù)合后,使得DPF末端溫度有較大變化。
通過(guò)上述定性研究,采用觀察法難以直接有效地對(duì)故障進(jìn)行判別。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者對(duì)顆粒捕集器故障診斷做了大量研究,文獻(xiàn)[5]中引入了故障限值系數(shù),通過(guò)計(jì)算各工況下的壓差限值,并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPF載體故障的檢測(cè);文獻(xiàn)[8]中根據(jù)DPF前后壓力推導(dǎo)出它的傳遞函數(shù),通過(guò)對(duì)比不同狀態(tài)下DPF傳遞函數(shù)的特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF載體的故障診斷;文獻(xiàn)[7,9]中分別對(duì)不同故障下DPF前后溫度的相關(guān)性進(jìn)行了分析,并將DPF前后溫度的相關(guān)系數(shù)作為過(guò)濾體是否發(fā)生故障的診斷依據(jù)。文獻(xiàn)[10]中提出了一種基于正交最小二乘法模型擬合的DPF故障診斷方法,并引入了錯(cuò)誤系數(shù)向量,通過(guò)計(jì)算該向量實(shí)現(xiàn)了對(duì)DPF不同故障及其程度的識(shí)別。此外,在對(duì)DPF故障診斷中還較為廣泛采用時(shí)域、頻域和時(shí)-頻域分析方法等。
以上研究對(duì)診斷數(shù)據(jù)的維度利用較少,通過(guò)前文對(duì)DPF失效時(shí)故障特征分析,本研究可選擇DPF的前后壓差和溫差信號(hào)作為故障診斷研究參數(shù)。兼顧早期故障的穩(wěn)定性和敏感性,選擇均方根值、裕度和峭度指標(biāo)作為故障計(jì)算依據(jù)。相關(guān)指標(biāo)定義如下:
1) 均方根值
(1)
2) 裕度指標(biāo)
(2)
3) 峭度指標(biāo)
(3)
式中:為幅值;為觀測(cè)時(shí)間。
在WHTC仿真工況下,對(duì)不同狀態(tài)的DPF前后壓差(Δ/kPa)和溫差(Δ/℃)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,結(jié)果如表2和表3所示。
表2 DPF不同故障前后壓差的均方根值、裕度和峭度指標(biāo)
表3 DPF不同故障前后溫差的均方根值、裕度和峭度指標(biāo)
從表2和表3數(shù)據(jù)顯示,僅選擇壓差或溫差的相關(guān)指標(biāo)為故障診斷參數(shù)不太理想,特別是對(duì)不同破損故障的辨識(shí)較差。因此,為了增強(qiáng)不同故障的區(qū)分度,提高故障診斷的可靠性,本文采用加權(quán)平均融合算法(mean value fusion algorithm,MVFA),即將前后壓差和溫差的相關(guān)指標(biāo)以加權(quán)平均的方式相融合,得到故障診斷參數(shù):
=rms_Δ+_Δ+_Δ+
rms_Δ+_Δ+_Δ
(4)
式中:,…,為加權(quán)系數(shù),==…==16;_Δ、_Δ為壓差、溫差均方根值;_Δ、_Δ為壓差、溫差的裕度指標(biāo);_Δ、_Δ為壓差、溫差的峭度指標(biāo)。
通過(guò)計(jì)算得到不同故障下的故障診斷參數(shù)S值,結(jié)果如表4所示。
表4 DPF不同故障類型對(duì)應(yīng)的故障診斷參數(shù)S值
計(jì)算結(jié)果表明:故障診斷參數(shù)能夠?qū)PF不同故障極其程度進(jìn)行表征。故選用故障診斷參數(shù)是可行的。
DPF故障診斷流程如圖17所示,在不額外增加傳感器情況下,通過(guò)讀取ECU上DPF前后溫度傳感器和壓差傳感器信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果(故障診斷參數(shù))作為DPF故障診斷的判定依據(jù)。
圖17 DPF故障診斷流程框圖
1) DPF載體堵塞會(huì)引起壓降上升,出口溫度響應(yīng)時(shí)延增加,特別在啟動(dòng)階段溫度時(shí)延更加明顯;相反,載體破損會(huì)使得壓降降低,出口溫度響應(yīng)提前,且對(duì)溫度變化更敏感。
2) 在DOC與DPF的復(fù)合故障中,DOC前端壓力是由DOC和DPF載體狀態(tài)共同決定,DPF故障對(duì)DOC出口溫度與無(wú)影響;DPF壓降主要受到自身狀態(tài)的影響,其出口溫度由上游DOC和DPF狀態(tài)共同決定。
3) 通過(guò)對(duì)DPF壓差和溫差的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)融合所得的故障診斷參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF不同故障的甄別。故DPF前后溫度和壓差信號(hào)可以作為它的故障表征參數(shù)。