基于模型的DPF再生系統(tǒng)控制策略研究

馬成功 劉軍 熊明路 卞家柱

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212000）

主題詞：柴油機(jī) 顆粒捕集器 控制系統(tǒng)建模 再生

1 前言

環(huán)保法規(guī)對(duì)汽車尾氣中顆粒物的粒徑、數(shù)量均提出了嚴(yán)苛的要求，為了減少排氣中顆粒物的含量，必須在后處理系統(tǒng)中引入顆粒捕集器（DPF）。柴油機(jī)顆粒捕集器凈化效率高，是目前最有效的顆粒凈化技術(shù)[1]。DPF的工作循環(huán)包括過(guò)濾階段和再生階段，過(guò)濾階段時(shí)顆粒物被載體內(nèi)壁攔截進(jìn)而沉降在DPF內(nèi)部，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，聚集在顆粒捕集器內(nèi)部的顆粒物數(shù)目越來(lái)越多，直接導(dǎo)致排氣背壓升高，當(dāng)壓降達(dá)到16～20 kPa時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[2],此時(shí)為減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，需要開啟DPF的再生階段。為此，DPF控制策略需要實(shí)現(xiàn)再生時(shí)機(jī)的判斷和再生策略的選擇。如果再生時(shí)間過(guò)早，碳煙顆粒沉積量少，則再生不完全，再生頻率過(guò)高；若再生過(guò)遲，則碳煙顆粒沉積量高，再生過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致載體發(fā)生燒熔現(xiàn)象[3]。盡管再生措施各異，但再生過(guò)程都是通過(guò)升溫措施將DPF入口溫度提升至600℃以上，加快O2與碳煙顆粒的反應(yīng)速率，此外設(shè)計(jì)再生策略時(shí)還需要對(duì)不同工況制定相應(yīng)的升溫措施以避免DPF溫度過(guò)高而損壞。

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下碳煙顆粒的有效、安全再生，本文設(shè)計(jì)了DPF再生控制系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行區(qū)間劃分并分別制定溫度管理措施，并通過(guò)調(diào)用AVL Boost軟件中封裝的發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理系統(tǒng)元件庫(kù)，并與Simulink模型進(jìn)行耦合搭建綜合仿真平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的DPF再生系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 仿真平臺(tái)建立

仿真過(guò)程選取滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的YN27型柴油機(jī)作為研究對(duì)象，配套的后處理系統(tǒng)包括氧化型催化器（DOC）和催化型顆粒捕集器（DPF）。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所列，DOC和DPF的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 DOC和DPF主要技術(shù)參數(shù)

為了滿足再生系統(tǒng)控制策略對(duì)輸入信號(hào)的要求，需要利用DOC前溫度傳感器T1、DPF前溫度傳感器T2、DPF兩端壓差傳感器P1、氧濃度傳感器O1進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。圖1為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 柴油機(jī)后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文利用Simulink建立DPF再生系統(tǒng)控制模型，利用AVL-Boost建立發(fā)動(dòng)機(jī)+DOC+DPF模型，最后將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的被控對(duì)象（發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理系統(tǒng)）仿真模型與基于Simulink的控制模型進(jìn)行WHTC工況下的聯(lián)合仿真，以驗(yàn)證所提出的再生控制模型的安全性和有效性。

3 系統(tǒng)建模

3.1 基于AVL Boost的發(fā)動(dòng)機(jī)、DOC和DPF模型

AVL Boost是一個(gè)可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能分析的軟件，Boost元件庫(kù)還提供了DOC和DPF后處理模塊，利用內(nèi)設(shè)的物理、化學(xué)模型可進(jìn)行控制策略的快速驗(yàn)證[4]。鑒于Boost不支持同時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)模擬和后處理系統(tǒng)的仿真分析，所以不直接集成發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)模型，而是將發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下的輸出數(shù)據(jù)保存在MAP圖中，集成仿真模型通過(guò)Signal Builder模塊給定不同的轉(zhuǎn)速和扭矩作為輸入信號(hào)來(lái)查詢YN27發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的輸出信息[5]。

3.2 被控模型的建立及標(biāo)定

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型的建立及標(biāo)定

在Boost中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)建立直列4缸增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)模型，其基本技術(shù)參數(shù)按廠商數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，系統(tǒng)邊界SB1處空燃比設(shè)置為10 000，SB2處的氣壓設(shè)置為當(dāng)?shù)卮髿鈮?。參照參考文獻(xiàn)[6],通過(guò)調(diào)節(jié)各管道模塊參數(shù)、渦輪增壓器TC1的增壓比、中冷器TC1模塊的冷卻效率等減小仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的差距，發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型如圖2所示。

為了驗(yàn)證所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行了排溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，經(jīng)過(guò)參數(shù)校對(duì)后，發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型的輸出與廠商提供的排氣溫度結(jié)果對(duì)比如圖3和圖4所示，由圖可看出，仿真值與試驗(yàn)值十分接近且變化趨勢(shì)吻合較好，表明所建立的發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型能夠代替該型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行下一步研究。

圖3 滿負(fù)荷工況排溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比曲線

3.2.2 DOC和DPF一維模型的建立和標(biāo)定

圖5為搭建的后處理系統(tǒng)被控模型，其中，ATB1和ATB2為輸入、輸出邊界條件；CAT1和DPF1分別代表DOC和DPF模型；DLL1為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，功能是代替?zhèn)鞲衅鲗oost仿真模型中各節(jié)點(diǎn)的測(cè)試參數(shù)傳輸給Simulink控制模型，同時(shí)作為執(zhí)行器將調(diào)控后的邊界溫度值輸送給ATB1，以提高DOC內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率。

圖4 普通工況下排溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

圖5 后處理系統(tǒng)被控模型

當(dāng)溫度達(dá)到一定條件時(shí),催化器中會(huì)發(fā)生多個(gè)化學(xué)反應(yīng)[7]，進(jìn)而對(duì)實(shí)時(shí)碳載量和溫度產(chǎn)生影響。本文基于宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，選取了DOC和DPF中的6種化學(xué)反應(yīng)，分別為：DOC中發(fā)生的C、C3H6、NO的氧化反應(yīng)；DPF中的NO2輔助氧化、催化氧化、熱氧化[8]。

AVL-Boost后處理系統(tǒng)中DOC和DPF的容積、直徑、長(zhǎng)度、催化劑涂覆量等結(jié)構(gòu)參數(shù)按照廠商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)在系統(tǒng)模型的初始值基礎(chǔ)上經(jīng)由AVL Design Explorer優(yōu)化工具進(jìn)行優(yōu)化得到。為了驗(yàn)證DOC和DPF模型參數(shù)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性，對(duì)最終確立的再生系統(tǒng)控制模型進(jìn)行了催化再生狀態(tài)下的壓降試驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6和圖7所示，集成仿真模型如圖8所示。

圖6 DPF壓降特性曲線

圖7 DOC+DPF壓降特性曲線

圖8 集成仿真模型

4 控制策略設(shè)計(jì)

建立基于模型的DPF再生系統(tǒng)控制策略，其目的一是對(duì)碳載量的準(zhǔn)確估計(jì)，以便在最適合的時(shí)機(jī)進(jìn)入主動(dòng)再生狀態(tài)；二是再生過(guò)程中的溫度管理。所設(shè)計(jì)的DPF再生系統(tǒng)控制策略架構(gòu)如圖9所示，包括：DPF目標(biāo)溫度計(jì)算模型、DPF再生所要求的最大/最小轉(zhuǎn)速計(jì)算模型、DPF主動(dòng)再生需求模型、碳載量估算模型、再生過(guò)程控制模型、再生功能及安全性監(jiān)控模型等。

4.1 再生時(shí)機(jī)判斷

碳載量估算模型的輸入信號(hào)包括壓差傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量值、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷百分比、排氣流量、灰分質(zhì)量流量等參數(shù)。通過(guò)碳載量估算子模型可以得到2個(gè)碳載量估算值，然后協(xié)調(diào)器子模型開始判斷當(dāng)前工況下基于排氣壓差進(jìn)行估算的合理性，如果排氣流量可以滿足壓差傳感器對(duì)精度要求的響應(yīng)，則在2個(gè)估算值中取最大值SMAX后與閾值SML（本策略中設(shè)定為6.5 g/L）進(jìn)行比較，若SMAX＞SML，則將主動(dòng)再生標(biāo)志位置1，反之繼續(xù)等待再生時(shí)機(jī)。如果當(dāng)前工況不滿足壓差傳感器的適用范圍，則將基于模型的碳載量估算值SA與SML進(jìn)行比較作為判斷是否需要轉(zhuǎn)入主動(dòng)再生的依據(jù)。

ECU除可以通過(guò)碳煙加載量來(lái)判斷再生需求外，還需要讀取ECU記錄的自上一次成功再生后發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間Ha、行駛里程Sa等信息，為了提升安全系數(shù)，當(dāng)三者中的任何一個(gè)超過(guò)標(biāo)定閾值時(shí)即可確定再生需求。

為確定再生控制系統(tǒng)中基礎(chǔ)參數(shù)值進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。圖10為DOC入口溫度對(duì)排氣溫升的影響曲線，由圖10可知，當(dāng)DOC入口溫度達(dá)到230℃時(shí)，催化器內(nèi)部溫升效果明顯，所以初步確定DOC的起燃溫度為230℃。為了確定DPF主動(dòng)再生溫度起始線，單獨(dú)取ATB1、ATB2和DPF模塊搭建仿真平臺(tái)，進(jìn)行再生仿真前關(guān)閉DPF模型中關(guān)于被動(dòng)再生的一系列化學(xué)反應(yīng)，僅考慮主動(dòng)再生中的熱氧化反應(yīng)。圖11為ATB1中的入口溫度、相應(yīng)工況下DPF中的碳煙顆粒（Soot）隨時(shí)間的變化曲線，對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間t=200 s、DPF入口溫度達(dá)到500℃時(shí)，Soot含量開始急劇下降，因此初步確定DPF中熱氧化反應(yīng)的溫度起始線為500℃。由廠商提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)DPF中的溫度達(dá)到650℃時(shí)，載體會(huì)發(fā)生燒熔現(xiàn)象，損壞催化劑載體，因此再生控制系統(tǒng)確定DPF主動(dòng)再生溫度安全線為650℃。

圖9 DPF再生系統(tǒng)控制策略架構(gòu)

圖10 DOC入口溫度對(duì)排氣溫升的影響

圖11 DPF入口溫度、Soot質(zhì)量流量隨時(shí)間變化曲線

利用發(fā)動(dòng)機(jī)被控模型進(jìn)行仿真可以得到該型發(fā)動(dòng)機(jī)在3個(gè)臨界溫度下對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)信息，如圖12所示，其中3條曲線的目標(biāo)溫度值使用前述仿真結(jié)果的230℃、500℃和650℃。

進(jìn)行碳載量、壓降隨時(shí)間變化關(guān)系的仿真試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定的ATB1入口處排氣體積流量為常量，結(jié)果如圖13所示。由圖13可看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等工況基本不變時(shí)，碳載量與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間基本符合線性關(guān)系。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況處于穩(wěn)定階段時(shí)，可以根據(jù)碳載量與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況之間的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系及各工況時(shí)間所占行駛總時(shí)間的權(quán)重來(lái)估算碳載量。

圖12 再生工況分區(qū)圖

圖13 壓降和碳載量隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間變化

4.2 溫度管理

當(dāng)碳載量估算值（SMAX或SA）大于再生閾值SML時(shí)，ECU發(fā)出指令關(guān)閉EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，以保證再生過(guò)程對(duì)氧氣含量的需求，然后噴油器開始按照既定溫升策略調(diào)整噴油脈寬。溫升策略的設(shè)計(jì)思路主要是按照DOC上游溫度傳感器測(cè)量值的不同對(duì)汽車行駛工況進(jìn)行分區(qū)，本文通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理將發(fā)動(dòng)機(jī)工況分為低（低于DOC氧化反應(yīng)所需的230℃）、中（230～550℃）、高（500～650℃）3個(gè)區(qū)域。當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行主動(dòng)再生時(shí)，如果檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度低于230℃，由于當(dāng)前工況達(dá)不到DOC的起燃溫度，系統(tǒng)延遲再生，暫緩噴油；如果排氣溫度位于230～500℃之間，按照先急后緩的策略輸出噴油脈寬，即先急速升溫至580℃后再減小噴油脈寬緩速升溫[9]；如果處于高排溫工況，則依靠發(fā)動(dòng)機(jī)排溫就可以滿足主動(dòng)再生對(duì)溫度的需求，不需要噴油提升排溫。

當(dāng)上述檢測(cè)結(jié)果符合主動(dòng)再生需求時(shí)，ECU首先計(jì)算DPF再生溫度目標(biāo)值與DPF入口溫度的偏差，獲得DOC入口溫度的目標(biāo)值，然后根據(jù)DOC入口溫度目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值的偏差調(diào)節(jié)HCI噴油器噴油脈寬和進(jìn)氣量，使DOC入口溫度穩(wěn)定在230～300℃。上述計(jì)算過(guò)程需要根據(jù)能量平衡公式以及DOC的轉(zhuǎn)化效率來(lái)計(jì)算噴油量：

式中，d T為DOC兩端溫度差；T1為DOC入口溫度；T2為出口溫度；c為燃油的比熱容；m1為所需噴入的燃油質(zhì)量；m2為參與氧化反應(yīng)的燃油質(zhì)量；q為燃料的熱值；η為DOC在各工況下的氧化效率；Q放為燃油氧化放熱量（通過(guò)仿真試驗(yàn)獲取，見圖14）。

圖14 DOC內(nèi)的氧化效率隨入口溫度變化曲線

當(dāng)DPF開啟主動(dòng)再生前，排氣目標(biāo)溫度模型需要實(shí)時(shí)采集DOC前溫度傳感器信號(hào)值及DPF前、后溫度傳感器信號(hào)值，確保噴入燃油后系統(tǒng)內(nèi)的溫度可以滿足主動(dòng)再生對(duì)溫度的需求而又不至于燒損DOC和DPF載體，如果DOC內(nèi)部溫度TDOC或DPF內(nèi)部溫度TDPF超過(guò)了各自發(fā)生燒熔燒裂的危險(xiǎn)閾值Ta、Tb，則指示噴油器立即停止噴油，反之亦然。此外，考慮到當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，排氣帶走的熱量也會(huì)增多，所以此工況下應(yīng)適當(dāng)增大噴油量。

整個(gè)再生過(guò)程中ECU需要不斷讀取DPF壓差傳感器的壓降值，估算Soot殘余量，判斷再生是否已經(jīng)完全。此外，ECU還需要不斷監(jiān)測(cè)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、DOC入口排氣溫度等信息，判斷當(dāng)前工況點(diǎn)是否仍然滿足再生需求。再生控制策略邏輯如圖15所示。

5 再生控制模型驗(yàn)證

在DPF再生系統(tǒng)控制策略的設(shè)定中，主動(dòng)再生方式采取DOC前加裝噴油器的形式來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)排溫，因此，為了充分檢驗(yàn)策略的可靠性，需要從功能和安全性能兩方面指標(biāo)來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)估。功能方面的檢測(cè)指標(biāo)為再生過(guò)程中流經(jīng)DPF的氣體成分中CO、C3H6濃度以及再生完成后載體中PM的殘余量；安全性能指標(biāo)主要有再生過(guò)程中DOC和DPF載體內(nèi)的最高溫度值。WHTC工況下仿真結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖15 DPF再生控制系統(tǒng)基本邏輯流程

圖16 DOC和DPF中平均溫度變化

圖17 CO/C3H6轉(zhuǎn)化率

圖18 DPF中碳載量變化

由圖16～圖18可看出，在5 s內(nèi)，DOC可將流經(jīng)其通道內(nèi)的CO和C3H6幾乎全部氧化為CO2和H2O，減小了碳氧、碳?xì)浠衔锏呐懦隽俊Ｔ偕^(guò)程中DOC和DPF的再生溫度小于650℃，避免了載體的燒熔現(xiàn)象發(fā)生；在WHTC工況下，碳煙顆粒的再生效果很好，在800 s時(shí)顆粒物已實(shí)現(xiàn)全部再生。

6 結(jié)束語(yǔ)

在AVL-Boost中搭建了發(fā)動(dòng)機(jī)、DOC和DPF被控模型，與Matlab/Simulink進(jìn)行耦合建立了聯(lián)合仿真平臺(tái)。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、DOC和DPF模型進(jìn)行壓降仿真試驗(yàn)、參數(shù)調(diào)校驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。利用建立的再生系統(tǒng)控制模型可以準(zhǔn)確判斷出再生時(shí)機(jī)，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況輸出噴油信號(hào)，滿足工程應(yīng)用要求。