柴油車微粒捕集器再生時機(jī)判斷方法研究

羅 濤 索建軍

摘要:再生不完全和過濾體損壞是目前微粒捕集器使用過程中存在的主要問題,準(zhǔn)確的判斷再生時機(jī)可以說是解決這兩個問題的關(guān)鍵。文章討論了DPF再生時機(jī)的判斷方法,分析了各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:再生不完全;過濾體損壞;再生時機(jī)

中圖分類號:TK421文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0050-02

氮氧化物和微粒是機(jī)動車的主要污染物。其中微粒主要來自柴油車,是柴油車排放必須控制的主要對象。隨著各國對環(huán)保要求的日益提高,排放法規(guī)日趨嚴(yán)格。而從燃燒的角度解決柴油車微粒的微粒排放已經(jīng)接近極限,在沒有新技術(shù)出現(xiàn)的情況下,依靠對已有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化來進(jìn)一步降低柴油車微粒物排放已經(jīng)沒有多大潛力。從長遠(yuǎn)看,為滿足更嚴(yán)格的排放法規(guī),排放后處理裝置將成為車輛的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。目前,在眾多柴油車微粒排放后處理技術(shù)中,微粒捕集器(DPF)是公認(rèn)有效的一種方法。

一、 DPF使用中存在的主要問題

微粒捕集器技術(shù)應(yīng)用主要包括過濾體材料和過慮體的再生技術(shù)兩個難題。近年來,過濾體材料的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,目前使用的過濾體材料主要有:陶瓷基材料、金屬基材料、復(fù)合基材料和新型材料(Al2O3 ·TiO2)等。其中,鈦酸鋁過濾體和碳化硅過濾體有較好的應(yīng)用前景,但其實(shí)用性仍需通過實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。相對過濾體材料而言,過慮體再生技術(shù)相對滯后,目前,過濾體的再生技術(shù)主要有:進(jìn)排氣節(jié)流再生、噴油助燃再生、電加熱再生、微波加熱再生、逆向噴氣再生、連續(xù)再生和催化再生等。但是每種再生技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),并且沒有非常成熟的應(yīng)用裝置。目前,在DPF使用過程中主要有以下幾個問題:

(一)過濾體損壞

主要是過濾體的燒熔和破裂。這是因為在實(shí)際使用過程中,由于再生時機(jī)的選擇過遲,造成微粒數(shù)量累積過多,導(dǎo)致了在再生過程中DPF溫度過高,致使過濾體損壞。這樣會導(dǎo)致柴油機(jī)尾氣微粒直接排入空氣中,DPF無法起到過濾的作用。這就需要進(jìn)一步解決過濾材料的耐高溫等問題。

(二)過濾體再生不完全

主要原因是因為DPF實(shí)際應(yīng)用中,選擇再生時機(jī)過早,因而微粒累積量不夠而造成DPF再生困難,產(chǎn)生再生不完全的問題。如果次數(shù)過多,會造成DPF部分過孔堵死,使發(fā)動機(jī)排氣背壓上升,影響發(fā)動機(jī)性能。

上述兩個問題對DPF使用影響很大,因此,需要將再生時候的微粒積存量控制在一定范圍之內(nèi)。而在車輛運(yùn)行過程中,微粒體的積存量很難直接進(jìn)行測量。因此,對于任何一種再生技術(shù)都有一個什么時候開始再生的問題,即再生時刻如何確定的問題?？梢哉f,能否準(zhǔn)確地判斷再生時機(jī),是DPF能否再生成功,保證其過濾效率和使用壽命達(dá)到預(yù)定要求的關(guān)鍵。

二、再生時機(jī)判斷方法

再生時機(jī)的判斷方法主要有以下幾種:

(一)根據(jù)排氣背壓判斷

根據(jù)排氣背壓判斷再生時機(jī)是目前應(yīng)用最普遍的方法,實(shí)質(zhì)是判斷微粒捕集器內(nèi)的微粒量是否滿足再生要求。根據(jù)排氣背壓判斷再生時機(jī),首先要確定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排氣背壓流量之間的關(guān)系,即排氣背壓MAP。確定好排氣背壓MAP后,即可利用插值方法增加MAP的數(shù)據(jù),利用查表的方式將監(jiān)測到的排氣壓力值與排氣背壓MAP中對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,當(dāng)實(shí)時監(jiān)測到的排氣壓力值超過允許的極限值時,DPF可以進(jìn)行再生。此外,也可以首先發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排氣流量的關(guān)系,即排氣流量MAP,根據(jù)排氣流量和排氣壓力值間的關(guān)系,確定排氣背壓,再利用實(shí)時監(jiān)測的值和查表所得值進(jìn)行比較,確定是否需要再生。

但是,根據(jù)排氣背壓判斷再生時機(jī)存在以下困難:排氣壓力本身是一個脈動的信號,要實(shí)時地把排氣壓力監(jiān)測的十分準(zhǔn)確難度很大。(1)不同工況條件下排氣背壓MAP數(shù)據(jù)的取得是一個十分龐大的工程,要做大量的實(shí)驗,進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析;不同工況條件下對應(yīng)的排氣壓力限值的確定也是一個棘手的問題;(2)影響排氣壓力的因素縱多,如何區(qū)分正常的和非正常的排氣壓力值是一個必須解決的問題;(3)排氣壓力傳感器工作環(huán)境十分惡劣,要求其在腐蝕性、濕度、嚴(yán)寒、高溫、抗微粒阻塞等嚴(yán)苛的條件下仍能夠很好的工作;(4)根據(jù)實(shí)驗得到的數(shù)據(jù)比較少,必須進(jìn)行插值,現(xiàn)在普遍采用的線性插值方法所得到的數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確,與實(shí)際的有一定的差距;(5)整個再生控制系統(tǒng)比較復(fù)雜,控制起來比較困難,造價比較昂貴。

(二)根據(jù)時間判斷

根據(jù)時間來判斷再生時機(jī),有一定的實(shí)用性。有關(guān)實(shí)驗表明:在一定的工況條件下,排氣壓力與時間基本上成正比。若發(fā)動機(jī)工況穩(wěn)定,假設(shè)過濾效率不變,則微粒積存量與排氣壓力成正比。

因此,在發(fā)動機(jī)工況較為穩(wěn)定或有規(guī)律的條件下,可以利用時間作為判斷再生的依據(jù)。根據(jù)柴油機(jī)的常用工況以及在此工況的微粒排放特性和過濾器的過濾效率,或通過試驗方法確定在一段時間內(nèi)過濾器中微粒的積存量,可以確定再生時刻。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,且實(shí)現(xiàn)起來也比較容易,但是用這種方法判斷再生時機(jī)不是很精確。因為車輛實(shí)際運(yùn)行中,發(fā)動機(jī)工況不可能穩(wěn)定在某一特定的工況,DPF的過濾效率會隨著時間的增加而改變,如前所述的假設(shè)是不成立的。因此,按照時間來判斷再生時機(jī)是不甚科學(xué)的。但是對于一些運(yùn)行有規(guī)律的車輛(如城市公共汽車、工程機(jī)械等),只要能合理的確定再生時間間隔,這種方法還是有一定的實(shí)用性的。

(三)根據(jù)行駛里程判斷

由于車輛實(shí)際行駛里程無法從ECU直接測到,因此,這種方法應(yīng)該說是一種人工觸發(fā)的方法。駕駛員可以根據(jù)里程表顯示讀數(shù)進(jìn)行人為的干預(yù),確保再生時機(jī)更加可靠。根據(jù)行駛里程判斷再生時機(jī),方法也比較簡單。

但是,微粒累積量相同的情況下,發(fā)動機(jī)工況不同的條件下行駛里程都不一樣,而且可能差距很大。因此,以此種方法判斷再生時機(jī),需要確定不同工況的條件下累積微粒量達(dá)到再生要求時車輛的行駛里程。而這種方法的困難在于DPF自動再生控制系統(tǒng)如何準(zhǔn)確的獲得車輛的行駛里程數(shù)。當(dāng)然可以利用車速傳感器,但是這樣會造成控制系統(tǒng)成本的增加。

因此,根據(jù)行駛里程判斷再生時機(jī)要想做到完全自動再生,困難還是比較大。如果在行駛里程達(dá)到再生時人為地觸發(fā)再生開關(guān)來達(dá)到再生的目的則會簡單很多。但是,這種方法判斷再生時機(jī)也是不甚準(zhǔn)確。

(四)根據(jù)總的耗油量判斷

根據(jù)耗油量判斷再生時機(jī)也是一種比較簡單的方法。在實(shí)際車輛運(yùn)行中,微粒累積量與耗油量的關(guān)系也甚為密切。車輛正常工況條件下運(yùn)行時,消耗每升燃油所產(chǎn)生的微粒量相差不是很大。因此,可以將燃油消耗量作為判斷再生時機(jī)的依據(jù)。

根據(jù)耗油量判斷再生時機(jī),相對根據(jù)時間和行駛里程判斷再生時機(jī)的方法,準(zhǔn)確性有了很大的提高。相對根據(jù)排氣背壓判斷再生時機(jī)的方法,雖然準(zhǔn)確性稍差,但是不論在硬件還是軟件的實(shí)現(xiàn)以及工作量上,都要容易許多。因此根據(jù)耗油量判斷再生時機(jī)不失為一種可行的方法。

(五)根據(jù)模型判斷

根據(jù)模型判斷是最早利用的方法之一。由于影響排氣壓力的因素眾多,此種方法將其中一部分影響因素忽略或者將其看為常量,而對其中影響比較明顯的因素進(jìn)行分析,確定最終的模型。

目前DPF過濾模型建立和發(fā)展的基礎(chǔ)主要依賴于Konstangdopoulos和Johnson早期建立的模型。他們建立的過濾模型十分全面,其中,排氣背壓和微粒過濾模型在較為寬廣的排氣條件下已經(jīng)得到驗證,并得到了廣泛的贊同。

三、結(jié)語

文章闡述了DPF在使用過程中存在的主要問題,并分析了產(chǎn)生該問題的主要原因。研究了DPF再生時機(jī)的判斷方法,并闡明了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。對以排氣背壓進(jìn)行再生時機(jī)判斷的方法進(jìn)行了重點(diǎn)分析。因為在眾多判斷DPF再生時機(jī)的方法中,根據(jù)排氣背壓來判斷是應(yīng)用最普遍,也是以后最主要的應(yīng)用方法。

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作者簡介:羅濤(1985-),男,軍事交通學(xué)院動力機(jī)械及工程專業(yè)碩士研究生,研究方向:軍用動力機(jī)械性能。