王秋花， 李延紅， 劉永春， 高發(fā)廷

（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心， 山東 濟(jì)南 250000）

隨著我國環(huán)境壓力的日益增大，國家對車輛的排放法規(guī)也越來越嚴(yán)格。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段） 標(biāo)準(zhǔn)［1］。為了滿足國Ⅵ排放法規(guī)要求，系統(tǒng)通常采用DPF顆粒捕集器來降低尾氣中顆粒，而且國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中明確提出系統(tǒng)應(yīng)該具備監(jiān)測DPF不能捕集顆粒的故障或DPF過濾效率低的故障。本文介紹了一種使用PM顆粒傳感器來判斷DPF故障的方法。

1 國Ⅵ后處理系統(tǒng)構(gòu)成

國Ⅵ后處理系統(tǒng)主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。系統(tǒng)安裝有2個NOx傳感器、4個排溫傳感器、1個壓差傳感器以及1個PM傳感器。

圖1 國Ⅵ后處理系統(tǒng)構(gòu)成

1） DOC （氧化催化器，Diesel Oxidation Catalyst）：催化氧化發(fā)動機(jī)尾氣中的HC、CO、NO等氣態(tài)排放物，生成NO2和CO2。其中，HC氧化放熱用于DPF主動再生，NO2用于DPF的被動再生。

2） DPF （柴油顆粒過濾器，Diesel Particulate Filter）：壁流式結(jié)構(gòu)，用于捕集排氣中的碳顆粒。其中，DPF的再生可分為主動再生和被動再生兩種。

3） SCR （選擇性催化還原，Selective Catalytic Reduction）：SCR系統(tǒng)采用的還原劑是尿素，尿素NH2CONH2和H2O在高溫下分解成NH3和CO2，其工作原理是將還原劑噴入排氣管，排氣中的氮氧化合物與NH3反應(yīng)生成N2和H2O。

4） ASC （氨過濾器，Ammonia Slip Catalyst）：為防止氨氣的泄露，SCR催化器后有氨催化器，在這個催化器中NH3與O2反應(yīng)生成N2和H2O。

2 PM傳感器

2.1 PM傳感器工作原理

PM （顆粒物） 傳感器，安裝在排氣管的出口位置處，通常用來測量尾氣中顆粒物的含量，按照設(shè)計原理可分為電化學(xué)式、光散射式、靜電放電式以及顆粒物電特性式幾種［2］，其中基于顆粒物特性的可分為電阻式和電容式兩種。本文使用的是BOSCH公司開發(fā)的基于電阻式的顆粒物傳感器。

電阻式顆粒物傳感器的工作原理是基于對電阻的測量。顆粒物吸附在梳子狀的叉指電極上 （interdigital electrode），并在電極之間形成了導(dǎo)電的通路［3］，當(dāng)發(fā)動機(jī)尾氣中的顆粒物流經(jīng)其表面時，被叉指電極收集并填補(bǔ)在電極間的縫隙中，由于顆粒物具有導(dǎo)電性，相鄰電極之間形成電接觸使電阻值減小，傳感器輸出電流值增加。電阻式PM傳感器工作原理如圖2所示。在每個測量階段之前，傳感器元件通過自身加熱再生，以保證在測量過程開始的時候它處于初始狀態(tài)，然后根據(jù)測得的電流，結(jié)合DPF的實際標(biāo)定數(shù)據(jù)分析DPF的性能。

圖2 電阻式PM傳感器工作原理

2.2 PM傳感器工作過程簡介

在DPF失效的情況下，通過DPF抵達(dá)PM傳感器的顆粒物也會相應(yīng)的增加。因此，如果DPF損壞得越嚴(yán)重，相應(yīng)的過濾效果就越差。顆粒物流經(jīng)PM傳感器，并在其內(nèi)部IDE上累積聚集，導(dǎo)致電流增大。

PM傳感器通常有3個工作階段。

1） 等待階段——該階段是為了確保所有上游的水汽蒸發(fā)。

2） 再生階段——該階段通過內(nèi)部集成的加熱器提高傳感器元件的溫度，上一周期累積的顆粒物在高溫條件下被氧化，在IDE再生完成后，PM傳感器即完成測量準(zhǔn)備。

3） 測量階段——該階段進(jìn)行顆粒物的測量，如果顆粒物持續(xù)累積，則測量電流將會增加。

如圖3所示，為失效DPF的三階段工作情況。實際上，對于未故障的DPF來說，測試的電流基本上接近于零。

圖3 PM傳感器測試失效DPF的工作過程

3 基于PM傳感器的DPF故障診斷

3.1 OBD法規(guī)要求

根據(jù)GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法 （中國第六階段）》 附件FC要求，OBD系統(tǒng)要監(jiān)測DPF系統(tǒng)的部件和性能參數(shù)［1］。

DPF性能：①DPF堵塞—嚴(yán)重功能性故障監(jiān)測；②監(jiān)測DPF的過濾和再生過程，在DPF性能下降并導(dǎo)致顆粒排放超過OBD限值時，OBD系統(tǒng)應(yīng)檢測出故障—排放限值監(jiān)測。

3.2 DPF故障診斷

系統(tǒng)采用上述電阻式PM傳感器進(jìn)行DPF故障診斷。在每次測量之前，需要進(jìn)行露點(diǎn)檢測，用于保護(hù)傳感器不被損壞。露點(diǎn)檢測完成之后，PM傳感器隨即進(jìn)入加熱模式（再生階段），清除之前累積在電極之間的顆粒，確保每次測量都是從零開始。如圖4所示的DPF故障診斷流程，根據(jù)模型累計積分時間，對比實測傳感器電流的大小，用于評估當(dāng)前DPF是否為故障DPF。

圖4 DPF故障診斷流程

以再生結(jié)束時刻開始，直至實際采集的IDE叉指電極之間的電流大于預(yù)設(shè)電流閾值的時間為預(yù)估觸發(fā)時間tR，tR的計算主要考慮尾氣中顆粒的濃度、排氣速度、溫度以及傳感器的靈敏度。

OBD的比值包含R1和R2的計算：

式中：R1——DPF正常狀態(tài)判定；R2——DPF故障狀態(tài)判定；ISen——傳感器實測電流；IC——標(biāo)定的電流閾值；IIDE——PM傳感器溫度補(bǔ)償值。

按照式（1），當(dāng)R1的值在1～2之間，當(dāng)R1=2時，表示DPF完全無問題；當(dāng)R1=1時，表示DPF處于臨界狀態(tài)。

按照式 （2），R2的值在0～1之間，DPF過濾效率越低，則R2的值越小。

3.3 臺架驗證

如圖5所示為故障DPF的實物圖，圖6為正常DPF和故障DPF在發(fā)動機(jī)臺架上測得的PM傳感器的電流值。通過 （1） 和 （2） 公式，可以準(zhǔn)確地診斷出DPF 的過濾效果，滿足OBD法規(guī)要求。

圖5 故障DPF

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于PM傳感器的DPF故障診斷方法，通過采集PM傳感器的電流，可以得到DPF的實際過濾效果，可以快捷、方便地診斷出DPF過濾效率低的故障，滿足OBD法規(guī)要求。

圖6 故障DPF和正常DPF實測電流值