基于壓降進(jìn)行DPF碳載量估算的研究*

王 丹，劉忠長，田 徑，韓永強(qiáng)，譚滿志

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

基于壓降進(jìn)行DPF碳載量估算的研究*

王 丹，劉忠長，田 徑，韓永強(qiáng)，譚滿志

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022)

為提高DPF再生時(shí)機(jī)判斷的準(zhǔn)確性，通過DPF加載試驗(yàn)和壓降特性試驗(yàn)，分析了DPF的加載過程和不同碳載量下的壓降特性，利用壓降與碳載量的線性關(guān)系，提出了一種基于壓降數(shù)據(jù)估算碳載量的方法，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，在小排氣流量區(qū)域，由于不同碳載量的壓降曲線比較接近，且壓降數(shù)據(jù)測量精度不足，導(dǎo)致碳載量估算的偏差較大，精度有待提高；其它排氣流量區(qū)域內(nèi)，碳載量估算偏差較小，盡管受到壓降數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性和碳載量與壓降關(guān)系的實(shí)際非線性的影響，碳載量估算偏差仍在±0.5g/L范圍內(nèi)。

柴油機(jī)；DPF；再生時(shí)機(jī)；碳載量；壓降

前言

裝用柴油機(jī)微粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)是車用柴油機(jī)滿足排放法規(guī)的重要措施[1]。DPF的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化需要解決的關(guān)鍵問題就是在柴油機(jī)的各種運(yùn)行條件下不發(fā)生碳粒堵塞現(xiàn)象并安全有效地完成其再生過程[2]。在各種DPF再生技術(shù)中，除連續(xù)再生外，都需要對(duì)再生時(shí)機(jī)進(jìn)行判斷。判斷再生時(shí)機(jī)實(shí)質(zhì)上就是判斷微粒捕集器內(nèi)的碳載量是否滿足再生需求。

最直接確定DPF碳載量的方法就是對(duì)空載和加載后的DPF進(jìn)行稱重。然而，在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，無法經(jīng)常拆卸DPF，該方法不可行。國內(nèi)外一些學(xué)者開展了碳載量估算間接方法的研究，文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中研究了基于碳載量模型估算碳載量的方法，文獻(xiàn)[5]中研究了利用DPF壓降數(shù)學(xué)模型計(jì)算碳載量的方法。當(dāng)今主流的再生控制策略均以碳載量作為直接觸發(fā)DPF主動(dòng)再生的控制參數(shù)，但在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，如何利用可實(shí)時(shí)檢測到的參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度和DPF的壓降等)準(zhǔn)確預(yù)估出DPF的碳載量，精確控制再生起動(dòng)和停止還有待研究。本文中利用加載工況下一定時(shí)間內(nèi)排氣背壓與沉積微粒質(zhì)量間的線性關(guān)系，基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出了一種基于壓降進(jìn)行碳載量判斷的方法，并分析了這種方法目前存在的問題以及改進(jìn)建議。

1 試驗(yàn)測控系統(tǒng)的建立

試驗(yàn)對(duì)象為CA4DC2-10E3型柴油機(jī)及與其匹配的DPF后處理系統(tǒng)。試驗(yàn)柴油機(jī)為直列四缸、水冷、四沖程、渦輪增壓、高壓共軌、高壓EGR中冷的柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。DPF的主要特征參數(shù)見表2。

表1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 DPF主要特征參數(shù)

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架示意圖。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)包括DPF加載試驗(yàn)和壓降特性試驗(yàn)。加載試驗(yàn)中，工況一定，記錄DPF壓降隨加載時(shí)間的變化，加載完成后進(jìn)行DPF稱重。DPF稱重時(shí)，為避免顆粒質(zhì)量受環(huán)境條件因素影響，要求DPF的床溫在125℃以上。壓降特性試驗(yàn)中，先將DPF快速加載至一定碳載量后，將發(fā)動(dòng)機(jī)從低轉(zhuǎn)速向高轉(zhuǎn)速，從低負(fù)荷向高負(fù)荷變工況運(yùn)轉(zhuǎn)。其間測取相同碳載量下，不同的排氣流量及其對(duì)應(yīng)的DPF壓降。試驗(yàn)中以十三工況測試循環(huán)中的B50，即轉(zhuǎn)速2 425r/min，50%負(fù)荷為基準(zhǔn)工況，完成一個(gè)轉(zhuǎn)速的變換負(fù)荷試驗(yàn)后，立即調(diào)整至基準(zhǔn)工況，若DPF壓降前后變化幅度不超過5%就認(rèn)為積碳量穩(wěn)定，否則需要重新測定。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 DPF加載過程研究

加載工況參數(shù)如表3所示，不同工況下的加載過程見圖2和圖3。這里以2 200r/min(136N·m)為DPF首輪加載試驗(yàn)的加載工況，如圖2所示，由于該工況下微粒排放量小，且排氣流量低，所以加載過程緩慢，且有明顯兩階段捕集過程，即深床捕集階段和濾餅捕集階段[6]。在深床捕集階段，微粒沉積在過濾壁面內(nèi)，盡管該階段捕集的微粒質(zhì)量較少，但排氣背壓卻急劇增加，這是因?yàn)榧词股倭康奈⒘Ｒ矔?huì)造成壁面的微孔孔徑減小，壁面滲透率降低，增大流動(dòng)阻力。深床捕集階段持續(xù)了不到10min。隨著壁面內(nèi)沉積微粒的增多，部分微粒開始沉積在過濾壁表面上，形成致密的濾餅層，進(jìn)入濾餅捕集階段。在濾餅捕集階段，濾餅層為主要過濾層，微粒沉積在過濾壁上，隨著微粒質(zhì)量增多，排氣背壓緩慢上升，與加載時(shí)間基本上呈線性關(guān)系。濾餅層的孔隙率和滲透率與加載工況密切相關(guān)，且不隨著時(shí)間變化，因此濾餅捕集階段的壓降變化趨勢較深床捕集階段平緩很多。當(dāng)以高速高負(fù)荷工況3 150r/min(215N·m)為加載工況時(shí)，試驗(yàn)用DPF已經(jīng)過多輪加載和再生，該工況的排氣溫度較高(見表3)，但對(duì)于非催化DPF，仍不能滿足微粒的起燃特性，因此沒有影響微粒的沉積。如圖3所示，由于微粒排放較多，且排氣流量較大，該工況加載速度比較快，沒有明顯的深床捕集階段，加載過程中排氣背壓與加載時(shí)間基本上呈線性關(guān)系變化。在相同的加載時(shí)間內(nèi)，3 150r/min(215N·m)的碳載量為9.3g/L，遠(yuǎn)高于2 200r/min(136N·m)的碳載量2.72g/L，因此選此工況為加載工況進(jìn)行DPF壓降性能試驗(yàn)。

表3 加載工況參數(shù)

圖2 2 200r·min-1(136N·m)的加載過程

圖3 3 150r·min-1(215N·m)的加載過程

2.2 DPF壓降與碳載量的關(guān)系

圖4 不同加載工況下碳載量與壓降的關(guān)系

圖4給出了兩種加載工況下DPF碳載量與壓降的關(guān)系圖。由圖可見，加載工況一定時(shí)，DPF碳載量與壓降呈明顯的線性關(guān)系；然而同樣的排氣背壓所對(duì)應(yīng)的微粒沉積量也會(huì)差異很大，必須結(jié)合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，包括排氣溫度、壓力和排氣流量的影響。在制定DPF再生策略時(shí)，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的由壓降進(jìn)行碳載量估算，必須準(zhǔn)確建立碳載量與壓降的關(guān)系。

2.3 基于壓降進(jìn)行碳載量估算

通過壓降特性試驗(yàn)得到不同碳載量下DPF壓降與排氣體積流量的關(guān)系。如圖5所示，不同碳載量下，DPF壓降與排氣體積流量基本呈二次曲線關(guān)系，擬合系數(shù)接近1。然而圖5的橫坐標(biāo)采用的是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)排氣體積流量，排氣密度直接取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的排氣密度，沒有考慮排氣溫度和壓力對(duì)排氣密度和DPF壓降的影響，對(duì)實(shí)測的DPF壓降進(jìn)行溫度和壓力的修正。

圖5 不同碳載量下，DPF的壓降特性曲線

負(fù)載DPF的壓降[7]可表示為

(1)

式中：Δploaded為負(fù)載DPF壓降；Qv為排氣體積流量；μ為排氣動(dòng)力黏度，與溫度有關(guān)；Vtrap為過濾體體積；α過濾體孔道寬度；ws為過濾壁厚；k0為潔凈過濾壁面的滲透率，通常由試驗(yàn)獲得或廠家給定；kp為微粒層的滲透率；w為微粒層厚度；ρg為排氣密度；F為摩擦因數(shù)，取常數(shù)28.454；L為過濾體孔道長度；D為過濾體直徑；ξ為進(jìn)出處的局部損失系數(shù)之和，一般取ξ=0.82。

由式(1)可以看出，DPF壓降與排氣流量為二次曲線關(guān)系，過濾體參數(shù)一定，式(1)可以簡化為

(2)

式中：Δp為實(shí)測的DPF壓降；A和B為常數(shù)項(xiàng)，由已知的過濾體參數(shù)計(jì)算得到。

排氣體積流量與排氣密度的關(guān)系式為

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

式中C為常數(shù)項(xiàng)。

利用理想氣體狀態(tài)方程，按照干空氣密度公式，對(duì)測得的壓降進(jìn)行溫度壓力修正：

(5)

式中：Δp0為修正后的DPF壓降；T和p為實(shí)測的DPF入口的排氣溫度和壓力；T0和p0標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的排氣溫度和壓力，分別取273K和1.01×105Pa。

按照式(5)對(duì)測得的壓降進(jìn)行溫度壓力修正。圖6為修正后得到的不同碳載量下，DPF壓降與排氣體積流量的關(guān)系。修正后的DPF壓降與排氣體積流量仍近似二次曲線關(guān)系，擬合系數(shù)接近1。壓降經(jīng)過溫度壓力修正后，只須考慮排氣流量的影響，將空載DPF的壓降特性曲線和安全碳載量限值(soot mass limit, SML)對(duì)應(yīng)的DPF壓降特性曲線作為邊界線，得到圖7用于DPF碳載量的判斷。SML的確定方法見文獻(xiàn)[8]。

圖6 溫度壓力修正后的不同碳載量下，DPF壓降特性曲線

如圖7所示，利用加載工況一定壓降與排氣背壓的線性關(guān)系，提出負(fù)載率概念，負(fù)載率為DPF碳載量百分比，空載時(shí)為0，碳載量達(dá)到SML時(shí)為100%，則需要進(jìn)行主動(dòng)再生。負(fù)載率計(jì)算公式為

(6)

式中：Δpclean為某一排氣體積流量下，空載DPF對(duì)應(yīng)的壓降；ΔpSML為同一排氣體積流量下，SML對(duì)應(yīng)的壓降。

利用負(fù)載率的概念，計(jì)算DPF的碳載量：

碳載量=SML×負(fù)載率

(7)

圖7 用于碳載量判斷的DPF壓降特性曲線

這里以7.93g/L為SML值，以碳載量1.85和3.04g/L的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)這種碳載量估算方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估及分析。圖8為碳載量估算偏差。由圖可見，在低流量區(qū)域，碳載量估算偏差較大，在其它流量范圍內(nèi)，碳載量估算偏差在±0.5g/L范圍內(nèi)。原因分析如下：如圖6所示，小流量區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)不同碳載量的壓差擬合曲線非常接近，壓降數(shù)據(jù)小小的差別可能會(huì)導(dǎo)致碳載量很大的差別，且小流量壓力數(shù)據(jù)測量精度低，壓差傳感器很難準(zhǔn)確反饋碳載量變化；在其它流量區(qū)域內(nèi)，造成碳載量估算有偏差的因素主要是壓力測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和DPF碳載量與壓降線性關(guān)系的一致性。

圖8 碳載量估算偏差

為提高以碳載量作為主要控制參數(shù)觸發(fā)DPF主動(dòng)再生的準(zhǔn)確性，該碳載量估算方法的精度有待提高，尤其是小排氣流量工況。優(yōu)化方案包括搭建碳載量模型[9]、壓降信號(hào)處理[10]、消除深床捕集階段[11]和保證DPF內(nèi)部微粒分布均勻性[12]等，其有效性有待驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1) DPF首輪加載過程具有明顯的深床捕集和濾餅捕集兩個(gè)階段，經(jīng)過多次的加載和再生后，由于灰分的薄膜效應(yīng)，DPF很容易進(jìn)入濾餅捕集階段。

(2) 加載工況一定時(shí)，DPF碳載量與壓降近似于線性關(guān)系?；趬航颠M(jìn)行碳載量估算時(shí)，必須綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的影響，準(zhǔn)確建立DPF碳載量與壓降的線性關(guān)系。

(3) 對(duì)壓降數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度壓力修正，提出一種基于壓降進(jìn)行碳載量估算的方法。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，小流量區(qū)域主要受到壓降測量精度的影響，估算偏差較大，精度有待提高；其它流量區(qū)域內(nèi)，估算偏差較小，盡管受到壓降測量精度和壓降與碳載量關(guān)系的實(shí)際非線性的影響，估算偏差仍在±0.5g/L以內(nèi)。

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A Study on DPF Soot Mass Estimation Based on Pressure Drop

Wang dan, Liu Zhongchang, Tian Jing, Han Yongqiang & Tan Manzhi

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

For more accurately judging the opportune moment of DPF regeneration, the loading process and the pressure drop characteristics under different soot mass of DPF are analyzed through engine bench tests. Using the linear relationship between soot mass and pressure drop across the filter, a method of soot loading estimation based on pressure drop is proposed and validated by test data. The results show that under low exhaust flow conditions，the pressure drop curves of different soot loadings are very close, and the measuring accuracy of pressure drop is relatively low, leading to larger dispersion of soot mass estimation. For the other exhaust flow conditions，the dispersion of soot mass estimation is relatively small, though being affected by the measuring accuracy of pressure drop and the actual nonlinearity of the relationship between soot mass and pressure drop, the dispersion is still within the range of ±0.5g/L.

diesel engine; DPF; regeneration timing; soot loading; pressure drop

*國家自然科學(xué)基金(51576089)資助。

2016223

原稿收到日期為2015年12月3日，修改稿收到日期為2015年12月28日。