柴油機排氣后處理系統CRT故障診斷研究*

胡 杰 李澤西 林 峰 顏伏伍 劉志成

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1) 武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2) 武漢 430070)

柴油機排氣后處理系統CRT故障診斷研究*

胡 杰1,2)李澤西1,2)林 峰1,2)顏伏伍1,2)劉志成1,2)

(武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢 430070)(汽車零部件技術湖北省協同創新中心2)武漢 430070)

以柴油機排氣后處理系統連續被動再生顆粒捕集器(CRT)為研究對象，建立GT-Power仿真模型，通過對比臺架試驗數據與仿真數據驗證了模型的準確性.通過故障仿真,分析了氧化催化器(DOC)和催化型顆粒物捕集器(CDPF)不同程度的破損與堵塞對其兩端溫差和壓差的影響.結果表明，壓差參數對故障較為敏感.基于壓差提出了參數K作為CRT系統的故障診斷參數，工況對參數K影響較小，在穩態和NEDC循環下驗證了該參數對CRT系統破損和堵塞故障敏感，通過參數K能夠判斷出故障程度及破損、堵塞等故障類型.

柴油機；CRT系統；仿真；故障診斷

0 引 言

我國汽車排放法規日益嚴格，但依然存在排放污染物大大超過現行排放法規限值的“黃標車”，其污染物的平均排放量超過新車平均排放量的6倍以上[1].為此我國部分城市開展了在用車排放改造項目，采用DOC(氧化催化器)/DPF(柴油機顆粒物捕集器)/DOC+CDPF(催化型顆粒物捕集器)等后處理方式降低此類車輛的排放污染物[2-4].其中DOC+CDPF組成的CRT系統(連續被動再生顆粒捕集器)因其成本較低、再生溫度窗口寬等優勢前景廣闊.為防止CRT系統在使用過程中出現堵塞或損壞等性能問題，需要對CRT系統的性能進行實時在線遠程監測，文中主要通過研究CRT系統破損和堵塞故障的表征參數，建立基于在線數據的CRT系統的故障診斷方法.

呂明等[5]基于DOC模型，分析了不同故障狀態下DOC兩端排氣溫度和背壓的變化情況，研究表明DOC兩端溫度和背壓能在一定程度上表征故障狀態.張衛峰等[6]基于傳統壓降模型使用正交最小二乘法擬合的故障診斷方法來判斷DPF泄露與堵塞故障.劉婷婷[7]選取排氣溫度和壓力原始信號作為故障診斷特征參數，使用大量仿真數據建立了CRT故障診斷模型.Kumar等[8]研究了DOC和DPF氧化過程中生成硫化物導致催化劑中毒失效的機理.目前還沒有一種針對在用車改造的CRT系統故障診斷方法得到普遍應用，文中根據某CRT系統的結構參數，利用GT-Power仿真軟件建立了仿真模型，對不同故障類型與故障程度進行仿真分析，提出一種可以表征DOC和CDPF故障的特征參數和故障診斷方法，為機載環境下實時診斷CRT系統提供基礎.

1 CRT系統建模與驗證

1.1 DOC模型

CRT系統的主要特征參數見表1.

GT-Power中的DOC模型主要包含催化器本體模塊和化學反應模塊兩部分，為了便于觀察DOC的狀態還加入了一個監視模塊，仿真模型的結構見圖1.

表1 CRT系統的主要特征參數

圖1 DOC的GT模型

DOC_cat為DOC催化器主體，需要對催化器的結構和換熱參數等進行設定.結構參數可以參照表1進行設定，離散尺度為2.5 mm；換熱參數設定為外部溫度為300 K，與空氣的對流換熱系數為15 W/(m2K)——通風良好的實驗室環境，基底和涂層的材料和厚度分別為0.163 mm堇青石和0.015 mm氧化鋁，外殼為3 mm的碳鋼.

DOC_Reactions為表面化學反應模塊，主要是對DOC中的化學反應參數進行設置.假設PM排放均為碳煙，且忽略生成的硫酸鹽對PM排放的影響.由于HC的種類過于復雜，本研究采用C3H6作為HC的代表[9].DOC中發生的主要化學反應為

CO + 0.5O2→ CO2

(1)

C3H6+ 4.5O2→ 3CO2+ 3H2O

(2)

NO + 0.5O2→ NO2

(3)

由于柴油機一般工作在過量空氣系數大于1的工況，因此，排氣中有足量的氧氣保證上述反應的發生.

求解器選擇為Advanced Adaptive，求解器能夠自己調整網格和時間步長，速度快且魯棒性好；根據涂覆的質量和催化劑的分子量來設置活性位參數；表面反應中的反應速率滿足Arrhenius定律，反應速率為

(4)

式中：R為反應速率；A為反應系數常數；T為壁面溫度；b為溫度指數常數；Ea為活化溫度；{conc}為濃度表達式；f(Gi)為其他系數；g(Θ)為覆蓋率表達式，Θ為活性位的覆蓋率.

1.2 CDPF模型

由于DPF模塊內部自帶再生反應選項，可以引入0～3維的再生反應對象來進行CDPF模型的再生過程仿真，因此,只需要DPF模塊就可以建立CDPF的仿真模型.對CDPF模型同樣加入一個監測模塊進行各狀態參數的監測.仿真模型的結構見圖2.

圖2 CDPF的GT模型

CDPF模塊外部環境參數與DOC相同；模型的結構參數參照表1進行設定，根據催化器的結構，設置壁面捕集孔的平均直徑為0.012 5 mm，過濾孔隙率為0.456；模型的再生反應模型選擇為內部模型，CDPF中的反應均滿足Arrhenius定律及其擴展定律.

CDPF催化劑上發生的主要反應為

NO+0.5O2→NO2

(5)

NO2+C→CO+NO

(6)

(1-0.5f)O2+C→(1-f)CO2+fCO

(7)

碳煙的氧化主要由式(6)～(7)反應完成，其中NO2的氧化性比較強，在250 ℃以上時就能達到較高的反應速率，O2對碳煙的氧化性能較差，需要在較高溫度下才能達到可觀的反應速率.

NO被氧化成NO2的反應屬于可逆反應，反應速率計算公式為

(8)

碳煙被NO2氧化的氧化速率計算公式為

(9)

CDPF中碳煙催化氧化的氧化速率速率計算公式為

(10)

K1=ATTexp(-E3/T)

(11)

1.3 模型的驗證

為了驗證仿真模型的有效性，搭建了發動機-CRT的試驗臺架.使用玉柴YC6L-42柴油機做為試驗發動機.柴油機為直列六缸、增壓水冷、四沖程、高壓共軌的柴油機，主要技術參數見表2.

表2 YC6L-42參數

后處理裝置安裝于渦輪增壓器的后端，后處理裝置的入口與渦輪增壓器的出口距離為2 000 mm，后處理裝置及采樣裝置的安裝見圖3.根據生產廠家的要求，進行實驗之前需要對后處理裝置進行激活，激活方式為：發動機在額定功率下運行2.5 h，此時發動機轉速為2 300 r/min，油門開度100%，后處理裝置的入口溫度為800 K.

圖3 試驗設備安裝示意圖

選取八個穩態工況點對模型的準確性進行驗證.測試工況點的原始排放，加裝CRT系統后的試驗結果和GT模型的仿真結果見表3.由表3可知，仿真結果與試驗結果之間的誤差基本保持在5%以內，仿真模型滿足使用要求，可以基于該模型展開進一步的仿真研究和預測分析.

2 CRT系統的故障診斷研究

2.1 故障狀態對CRT系統的影響

本節研究堵塞和破損這兩種典型故障對CRT系統性能的影響，基本方法為減小CRT系統的截面積模擬堵塞故障，減小DOC的長度模擬破損故障，增大壁面捕集孔密度模擬CDPF破損故障.CRT系統仿真模型的入口排氣參數為試驗柴油機在轉速為1 800 r/min負荷分別為20%，50%和90%工況下的原始排氣參數.污染物的轉化效率、DPF單位時間碳煙加載量、排氣溫度和壓差對CRT系統的工作狀態變化較敏感[10-11].考慮實用性、穩定性與成本因素選用DOC和DPF兩端溫差和壓差作為參數分析CRT系統破損與堵塞對其的影響.

表3 試驗與仿真模型對比結果

DOC兩端的壓差和溫差隨破損程度的變化見表4，隨著破損程度的增加，相同負荷下的DOC兩端的壓差溫差都逐漸減小.由于DOC的破損程度增加，DOC對排氣的阻力減小，因此兩端的壓差逐漸減小，同時由于DOC中反應面積減小，導致DOC對排氣中未燃物的氧化性能下降，對排氣的升溫作用降低導致DOC兩端的溫差逐漸減小.

表4 DOC兩端的壓差和溫差隨破損程度的變化

DOC兩端的壓差和溫差隨堵塞程度的變化見表5，隨著DOC堵塞程度的增加，相同負荷下的DOC兩端壓差逐漸增加，但是兩端溫差逐漸減小.隨著堵塞程度增加，DOC的流通面積逐漸減小，對于排氣的阻礙作用增強，導致兩端的壓差增加；對于溫差的影響與破損類似，由于堵塞造成反應面積減少，造成DOC升溫效果降低，溫差減小.

表5 DOC兩端的壓差和溫差隨堵塞程度的變化

CDPF兩端壓差和溫差隨破損程度的變化見表6，在相同負荷下，隨著破損程度的增加，DPF對于排氣的阻力減小，導致DPF兩端的壓差逐漸減小；破損程度對溫差的影響較小，溫差對DPF破損故障的敏感性較差.

①九麥2號、②中麥895、③小偃22（CK）、④秦農578、⑤西農223、⑥陜農33、⑦武農6號、⑧凳峰168。

表6 CDPF兩端壓差和溫差隨破損程度的變化

CDPF兩端壓差和溫差隨堵塞程度的變化見表7，在相同負荷下，隨著堵塞程度的增加，DPF的流通面積減小，排氣阻力增加，CDPF兩端的壓差增加；同時DPF兩端的溫差有些許增加.

表7 CDPF兩端壓差和溫差隨堵塞程度的變化

由表4～7可知，當發生破損和堵塞故障時，DOC和CDPF兩端的溫度以及壓差會產生相應的變化.當發生破損故障和堵塞故障時，DOC兩端的溫差都會下降，而CDPF兩端的溫差變化不明顯，不宜作為故障判斷的直接依據.工況對溫差和壓差也有較大影響，由表5可知，發動機負荷為90%時完好DOC兩端壓差與發動機負荷為20%時嚴重堵塞DOC(載體面積為40%)兩端壓差相差不足5%，若直接采用單一原始信號作為診斷參數會造成誤診現象，因此以壓差作為重要參數展開進一步的研究.

2.2 故障診斷參數

DOC兩端的壓差主要受到工作狀態、排氣質量流量和溫度的影響，CDPF兩端的壓差，除了以上三個因素影響外，還會受到CDPF中碳煙加載量的影響.DOC和潔凈CDPF兩端的壓差隨溫度和排氣質量流量的變化見圖4.

圖4 DOC和CDPF兩端壓差隨排氣質量流量的變化

由圖4可知，在同一溫度下，DOC和CDPF兩端的壓差與排氣質量流量呈線性相關，隨著排氣質量流量的增加，兩端的壓差值線性增加.同時，排氣溫度會對壓差產生一定的影響，相同質量流量下，隨著溫度的升高，壓差增大.進一步分析CRT系統兩端壓差與排氣體積流量的關系見圖5.

圖5 DOC和CDPF兩端壓差隨排氣體積流量的變化

DOC和CDPF兩端的壓差與排氣體積流量基本呈線性相關，壓差隨著排氣體積流量的增大而增大.在相同排氣體積流量下，當溫度發生變化時，壓差還是會發生些許變化.因此文中提出一個用于故障診斷的參數K，該參數的計算公式為

(13)

式中：pdif為CRT系統兩端的壓差；v為流過CRT系統的體積流量；T為氣體的溫度.

質量流量與體積流量的轉化關系為

v=101.3mT/(1.293×273.15p)

(14)

式中：m為質量流量；T為排氣溫度；p為排氣壓力.

按3.1中的工況進行仿真，并計算在不同條件下的參數K的值，結果見表8～11.

表8 破損程度對DOC參數K的影響

表9 堵塞程度對DOC參數K的影響

表10 破損程度對CDPF參數K的影響

表11 堵塞程度對CDPF參數K的影響

由表8～表11可知，參數K對于工況的變化不敏感，當CRT系統的狀態不變時，參數K隨負荷改變的變化很??；但是當DOC或者CDPF發生較嚴重的堵塞或者破損故障時，參數K會發生明顯變化.當CRT系統發生破損故障時，參數K會減小，當CRT系統發生阻塞故障時，參數K會增大，并且隨著故障程度的加深，參數K與正常狀態CRT系統K值的差值增大,因此,在穩態工況下可以通過判斷參數K是否處在正常范圍來判斷CRT系統是否發生故障.

同時進行NEDC循環工況來測試參數K在瞬態工況下的變化情況.由于是瞬態工況，計算結果有較大的波動，通過對100個計算結果取均值的方式對K值曲線進行平滑，平滑后的結果見圖6.

圖6 NEDC循環平滑后的K值曲線

經過平滑后K值曲線的波動大大減小，且基本上圍繞某個值上下波動.其中CDPF等效面積為40%的K值曲線，隨著時間的增加而逐漸上升，主要是由于CDPF等效面積縮小，體積也隨之縮小，導致單位體積的DPF在單位時間內加載的碳煙量增加，造成了參數K的增加.經過取平均值的方法平滑后，參數K的值在瞬態工況下可作為表征CDPF和DOC故障狀態的參數.

NEDC循環下，催化器的參數K的隨初始碳煙加載量的變化見圖7.碳煙加載量增加時，CDPF的參數K也會增加，對參數K的影響與CDPF堵塞故障的表現相似.由于在用車改造CRT系統不具備主動再生功能，所以當碳煙加載量超過一定限值后，需要在維修點進行維護，經過再生之后才能再次使用.因此對堵塞故障和碳煙加載量過高兩種會導致CDPF參數K超過限值的故障可以由維修人員做具體的區分和處理.

圖7 NEDC循環下初始碳煙加載量對參數K的影響

2.3 基于參數K的故障診斷方法

不同故障類型與故障程度的CRT系統均可以得到相應的故障特征參數K.相反，只要針對不同故障類型的CRT系統，采集不同運行條件下DOC和CDPF兩端的溫度、壓差以及發動機排氣流量數據，并計算故障特征參數K，繪制平滑后的K值曲線，就可以利用未知不同故障類型的CRT系統故障特征參數K與正常狀態的CRT系統的參數K之間的偏移方向與偏移量，來對故障類型和故障程度進行分析判斷.偏移方向表征著不同的故障類型，參數K向上偏移表明發生堵塞故障或CDPF碳載量過高，向下偏移表明發生破損故障，偏移量表征著故障程度，偏移量越大表明故障程度越深.

3 結 論

1) 發生破損或堵塞故障時，DOC兩端溫差表現為下降趨勢.CDPF兩端溫差變化對破損故障不敏感，發生堵塞故障時CDPF兩端溫差有些許增加.發生破損故障時，DOC和CDPF兩端壓差減小，而發生堵塞故障時，DOC和CDPF兩端壓差增加.同時，發動機工況對的溫差和壓差也有很大影響.

2) 故障診斷參數K對工況的變化不敏感，但發生故障時，參數K變化明顯，可以表征CRT系統的故障狀態.CRT系統發生破損故障時，參數K減?。话l生堵塞故障或CDPF碳載量增加時，參數K增大.利用未知故障類型CRT系統K值與正常狀態CRT系統K值之間的偏移方向和偏移量可以判斷CRT系統的故障類型和故障程度，是一種可行的CRT系統故障診斷方法.

[1] 中華人民共和國環境保護部.中國機動車污染防治年報[Z].北京：中華人民共和國環境保護部，2015.

[2] 武漢市環境保護局.武漢市高污染排放機動車排氣后處理系統改造管理辦法(試行)[Z].武漢：武漢市環境保護局，2016.

[3] 上海市城市交通運輸管理處.關于本市開展國三集卡加裝尾氣凈化裝置工作實施方案的通知[Z].上海：上海市城市交通運輸管理處，2016.

[4] 南京市環境保護局.關于南京市在用柴油車排放治理改造指南的通知[Z].南京：南京市環境保護局，2013.

[5] 呂明，閻凱，寧智.柴油機排氣氧化催化轉化器故障診斷技術方案的仿真分析[J].車輛與動力技術,2011,121(1):39-43.

[6] 張衛峰，伍恒，姚廣濤,等.基于正交最小二乘模型擬合的DPF故障診斷方法[J].內燃機工程,2017,38(1):18-23.

[7] 劉婷婷.柴油機排氣后處理系統CRT老化及失效故障診斷研究[D].北京：北京交通大學,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] 姚廣濤，伍恒.柴油機排氣后處理DPF失效時故障特征[J].裝甲兵工程學院學報,2015,29(3):55-58.

[11] 呂明，閻凱，寧智.柴油機氧化催化轉化器故障的排氣參數敏感度分析[J].車用發動機,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，主要研究領域為發動機電控及排放控制技術、車載診斷技術、汽車電子

*國家自然科學基金項目(51406140)、校企合作項目資助