重型柴油機(jī)顆粒捕集器碳載模型離線標(biāo)定研究

夏秀娟1，凌建群

(1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2. 上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

根據(jù)國家環(huán)保部2018年6月發(fā)布的《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》要求，排氣污染物中顆粒物(particulate matter, PM)質(zhì)量在國V排放要求的基礎(chǔ)上需進(jìn)一步大幅降低，約降70%，世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)排放不超過10 mg/(kW·h)，同時(shí)法規(guī)還對(duì)顆粒數(shù)(Particulate Number, PN)也做了規(guī)定。在此要求下，滿足重型國六排放的柴油機(jī)將必須采用顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)后處理技術(shù)。

DPF是壁流式交叉堵孔結(jié)構(gòu)，排氣流經(jīng)DPF時(shí)，顆粒物被過濾在壁面上。隨著顆粒物的不斷積累，需要對(duì)積滿顆粒的DPF進(jìn)行再生，保證系統(tǒng)工作正常。DPF再生前需要準(zhǔn)確判斷其中的碳載量，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)實(shí)施再生。碳載量計(jì)算不準(zhǔn)確，會(huì)引起再生的時(shí)機(jī)過早或過遲。時(shí)機(jī)過早，會(huì)導(dǎo)致頻繁再生，車輛燃油耗增加，造成用戶抱怨和不滿；過遲的再生，則會(huì)造成排氣背壓過大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能降低，甚至造成 DPF堵塞、燒毀等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)DPF內(nèi)部碳載量進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，確定合適的再生時(shí)機(jī)，是DPF應(yīng)用過程中的關(guān)鍵工作內(nèi)容。

由于DPF中的碳載量無法使用傳感器直接測(cè)量，只能通過可測(cè)量的其它參數(shù)來建立估算模型，間接預(yù)估DPF內(nèi)部的碳載量。在工程應(yīng)用中，如果按傳統(tǒng)試驗(yàn)的方法標(biāo)定DPF碳載模型，需進(jìn)行大量的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、整車驗(yàn)證及修正標(biāo)定，人力及試驗(yàn)資源耗費(fèi)極大，標(biāo)定精度也難以保證。借助離線仿真工具，將電控單元(ECU)控制策略中的DPF碳載量計(jì)算過程搭建成MATLAB/Simulink模型，采用離線方式進(jìn)行標(biāo)定，可以很大程度減少發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車標(biāo)定工作，提升標(biāo)定效率，降低試驗(yàn)成本，縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。離線標(biāo)定不僅不依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車硬件資源，而且可反復(fù)仿真優(yōu)化，獲得更加理想的模型精度。

1 DPF碳載量估計(jì)方法研究

對(duì)于DPF碳載量的預(yù)估，常用的方法有壓差法、里程法、時(shí)間及油耗法和基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放及再生反應(yīng)模型法。

1.1 壓差法

基于壓差的DPF碳載量估算方法，是ECU根據(jù)DPF壓差傳感器的測(cè)量結(jié)果計(jì)算DPF中碳載量的一種方法。使用該方法需要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)不同排氣溫度和排氣流量下的DPF空載壓差、DPF滿載壓差，并計(jì)算各運(yùn)行工況點(diǎn)的流阻，標(biāo)定時(shí)用不同排氣溫度和不同排氣流量下的流阻來計(jì)算理論壓差所對(duì)應(yīng)的理論碳載量。Dominik等研究了DPF兩端壓差與碳載量的關(guān)系，通過不同流阻下的壓差可以計(jì)算DPF中的碳載量，但在排氣流量較低的情況下，由于DPF內(nèi)流阻特性導(dǎo)致壓差法不能反映DPF真實(shí)碳載量[1]。DPF載體材料也直接影響壓差法的應(yīng)用。重型柴油機(jī)DPF載體一般采用堇青石材質(zhì)，其所載的碳量對(duì)于壓差的影響并不敏感[2]。另外，由于NO2對(duì)DPF中顆粒的被動(dòng)再生作用，特別是對(duì)于目前廣泛使用的帶催化涂層的CDPF，在其平衡點(diǎn)溫度附近，使用壓差判斷的碳載量也與實(shí)際碳載量相差甚遠(yuǎn)。同時(shí)，灰分、碳煙的不均勻分布都會(huì)對(duì)壓差產(chǎn)生影響。

因此，通過壓差計(jì)算的碳載量往往與實(shí)際碳載量存在較大偏差，會(huì)導(dǎo)致DPF 再生時(shí)機(jī)不準(zhǔn)。

1.2 里程法、時(shí)間及油耗法

基于里程的碳載量估算方法，是建立車輛行駛里程和DPF碳載量間的關(guān)系，通過里程與碳載量里程系數(shù)的乘積得到碳載量?；诶锍痰奶驾d量計(jì)算方法，相比基于壓差的碳載量計(jì)算方法更可靠。但是需要經(jīng)過大量的試驗(yàn)得到碳載量里程系數(shù)，標(biāo)定工作量較大；并且對(duì)于運(yùn)行工況和區(qū)域變化較大的車輛而言，獲得準(zhǔn)確的里程碳載量模型是一項(xiàng)相當(dāng)困難的工作。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間和燃油消耗量的DPF碳載量估算方法和里程法類似。通過大量的整車試驗(yàn)，獲取車輛運(yùn)行時(shí)間和實(shí)際油耗與DPF碳載量的關(guān)系曲線，從而確定再生時(shí)機(jī)。同里程模型一樣，由于車輛運(yùn)行工況和使用區(qū)域難以提前預(yù)知，因此很難建立精確的時(shí)間及油耗估算模型。

1.3 基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生反應(yīng)模型法

基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生反應(yīng)的估算模型，是重型柴油機(jī)DPF碳載量預(yù)測(cè)的一種主流方法，實(shí)際工程應(yīng)用最為廣泛。其原理如圖1所示，DPF內(nèi)存儲(chǔ)的碳煙(soot)質(zhì)量流量等于柴油機(jī)出口排氣中soot質(zhì)量流量減去主動(dòng)再生及被動(dòng)再生反應(yīng)消耗掉的soot質(zhì)量流量，通過積分計(jì)算即可得到DPF內(nèi)部的實(shí)時(shí)碳載量。

圖1 基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生反應(yīng)的DPF碳載量估算模型

實(shí)際運(yùn)行中，柴油機(jī)排氣中的soot質(zhì)量主要取決于運(yùn)行過程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、扭矩T、噴油壓力、噴油正時(shí)、過量空氣系數(shù)λ等因素。由于噴油正時(shí)和噴油壓力通常是基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩標(biāo)定的固定值，故其不隨其它因素變化；發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩主要由ECU噴油量q決定。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的soot排放質(zhì)量可簡(jiǎn)化為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油量及過量空氣系數(shù)的函數(shù)：

圖2 DPF碳載量計(jì)算的Simulink模型

msoot=f(n,q,λ)

(1)

DPF的被動(dòng)再生，指soot和NO2的化學(xué)反應(yīng)。柴油機(jī)的排氣中的NOx經(jīng)過DOC時(shí)，在合適的排氣溫度范圍內(nèi)，其中一部分會(huì)被氧化成具有高氧化性的NO2。NO2進(jìn)入DPF后和沉積在其中的soot發(fā)生持續(xù)的氧化還原反應(yīng)，從而發(fā)生被動(dòng)再生。其主要反應(yīng)方程如下：

C+2NO2→CO2+2NO

(2)

C+NO2→CO+NO

(3)

研究表明[3]，由于NO2具有較強(qiáng)的氧化性，參與式(3)反應(yīng)的碳載量約占DPF中總碳載量的15%，為簡(jiǎn)化標(biāo)定，大部分被動(dòng)再生模型僅考慮化學(xué)反應(yīng)方程(2)。根據(jù)質(zhì)量作用定律則可求得DPF中被NO2氧化的soot質(zhì)量。

DPF的主動(dòng)再生，指碳煙和O2發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。排氣溫度在450 ℃左右時(shí)，DPF中的soot和排氣中的O2開始發(fā)生緩慢的氧化反應(yīng)，在600 ℃左右時(shí)獲得較快的反應(yīng)速率[4]，其主要反應(yīng)方程如下：

C+O2→CO2

(4)

2C+O2→2CO

(5)

由于主動(dòng)再生模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度較高，化學(xué)反應(yīng)(5)所占的比例較小，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常僅考慮化學(xué)反應(yīng)方程(4)。根據(jù)質(zhì)量作用定律可得被O2氧化的soot質(zhì)量。

綜上，目前重型國六柴油機(jī)主流的DPF再生觸發(fā)策略為：以基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生反應(yīng)的碳載量模型為主要觸發(fā)方式，車輛行駛里程、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間及燃油消耗模型作為保護(hù)觸發(fā)手段，壓差模型則主要用于極限載碳量下的故障報(bào)警保護(hù)。

2 DPF碳載量估算Simulink模型搭建

本文主要基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生反應(yīng)的DPF碳載量估算模型進(jìn)行離線仿真及驗(yàn)證研究。

基于ECU控制策略，搭建DPF碳載量計(jì)算的Simulink模型，如圖2所示。DPF最終碳載量模型主要由發(fā)動(dòng)機(jī)出口soot排放流量模型和再生掉的soot流量模型2部分組成。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)出口soot排放流量模型

發(fā)動(dòng)機(jī)出口soot排放流量由發(fā)動(dòng)機(jī)出口基礎(chǔ)soot排放流量、環(huán)境修正soot排放流量及動(dòng)態(tài)修正系數(shù)組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)出口基礎(chǔ)soot排放流量指穩(wěn)態(tài)條件下的soot排放，可基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)工況圖譜(engine map)試驗(yàn)，通過AVL 483設(shè)備直接測(cè)得。

基于環(huán)境的soot排放流量的修正主要包括水溫、大氣溫度及大氣壓力的修正。該修正標(biāo)定理論上可在環(huán)境倉中進(jìn)行，通過設(shè)定不同的環(huán)境條件，獲取不同環(huán)境條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)soot排放測(cè)量值，與發(fā)動(dòng)機(jī)出口穩(wěn)態(tài)soot排放流量進(jìn)行比對(duì)，從而得到相應(yīng)的環(huán)境修正量。但根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀，很少有企業(yè)具備帶環(huán)境倉的重型柴油機(jī)開發(fā)臺(tái)架。因此，基于環(huán)境的原機(jī)soot排放修正量的標(biāo)定，通常都在整車三高試驗(yàn)過程中進(jìn)行。根據(jù)不同環(huán)境條件下實(shí)際DPF加載稱重結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的DPF加載結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得相應(yīng)的修正結(jié)果。

瞬態(tài)情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)soot排放會(huì)隨缸內(nèi)空燃比的變化而變。本研究體現(xiàn)為基于排氣氧濃度變化的動(dòng)態(tài)修正系數(shù)模型，通過臺(tái)架試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，采用變EGR開度的方式，獲取不同排氣氧濃度變化條件下的發(fā)動(dòng)機(jī)出口soot排放測(cè)量值。該值與發(fā)動(dòng)機(jī)出口穩(wěn)態(tài)soot排放流量進(jìn)行比對(duì)，從而得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)修正系數(shù)。

2.2 再生掉的soot流量模型

DPF的再生主要包括主動(dòng)再生和被動(dòng)再生，被DPF再生掉的soot流量等于主動(dòng)再生和被動(dòng)再生掉的soot流量的累加。

由于主動(dòng)再生是一個(gè)周期性發(fā)生的事件，且單次主動(dòng)再生持續(xù)時(shí)間一般僅為30 min左右，因此主動(dòng)再生過程中燃燒掉的soot量的計(jì)算主要對(duì)碳載量模型值的初始化具有較大的意義。本研究主要考慮被動(dòng)再生消耗掉的soot量對(duì)整個(gè)DPF碳載量計(jì)算的影響。

根據(jù)被動(dòng)再生的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，影響被動(dòng)再生速率的主要因素包括NO2流量、DPF溫度、DPF內(nèi)部的實(shí)際積碳量等。基于本研究中的ECU控制策略，需要標(biāo)定的主要內(nèi)容有NOx流量、NO2轉(zhuǎn)換系數(shù)、被動(dòng)再生基礎(chǔ)速率及基于DPF碳載量的修正系數(shù)。其中，NOx流量可基于臺(tái)架engine map試驗(yàn)獲取，或直接從前NOx傳感器獲取。

3 離線標(biāo)定

受進(jìn)、排氣系統(tǒng)及各種邊界條件差異影響，發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上的性能表現(xiàn)難以和在實(shí)際整車上運(yùn)行時(shí)保持一致。因此，僅僅基于臺(tái)架的標(biāo)定結(jié)果，DPF的碳載量模型值和實(shí)際整車稱重結(jié)果往往還有較大的差異。因此，除了部分基礎(chǔ)標(biāo)定可在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行外，大部分的修正標(biāo)定都需要在整車路試的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本研究主要針對(duì)整車路試過程中需要進(jìn)行的DPF碳載模型相關(guān)修正進(jìn)行離線標(biāo)定。

通過離線仿真模型，從采集的整車路譜數(shù)據(jù)中提取模型計(jì)算相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)作為仿真輸入，將路試過程中DPF的實(shí)際稱重結(jié)果作為目標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原排soot流量及被動(dòng)再生相關(guān)模型參數(shù)進(jìn)行離線標(biāo)定和優(yōu)化。

3.1 路試方案設(shè)計(jì)

3.1.1 試驗(yàn)對(duì)象及試驗(yàn)設(shè)備

本次研究使用的發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)4.3 L電控高壓共軌車用柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本次研究中所使用的DOC和DPF規(guī)格如下表2。

表2 DOC和DPF技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用整車基本參數(shù)如下表3。

表3 試驗(yàn)用整車(牽引車)基本參數(shù)

試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備見表4。

表4 試驗(yàn)用主要設(shè)備

3.1.2 試驗(yàn)方案

如前文所述，DPF最終碳載量取決于發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)soot排放和被動(dòng)再生速率。整車路試過程中，由于無法采用AVL483設(shè)備直接測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)出口的soot排放，只能采用最終的DPF稱重結(jié)果。因此，在標(biāo)定過程中如何合理地將發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)soot排放和被動(dòng)再生掉的soot量進(jìn)行解耦，是首要考慮的內(nèi)容。

根據(jù)被動(dòng)再生機(jī)理，DPF內(nèi)部的碳顆粒和NO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將soot氧化成CO或CO2。足夠的NO2是被動(dòng)再生發(fā)生的前提，而NO2主要靠DOC內(nèi)部的氧化反應(yīng)生成。根據(jù)研究中的DOC催化劑特性，NO2主要生成溫度區(qū)間為300～450 ℃。在該溫度區(qū)間以外，生成的NO2量非常少，相應(yīng)的被動(dòng)再生很弱，可忽略其影響以簡(jiǎn)化標(biāo)定。試驗(yàn)過程中可對(duì)路試工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，將被動(dòng)再生較弱的工況和被動(dòng)再生較強(qiáng)的工況進(jìn)行區(qū)分。針對(duì)被動(dòng)再生較弱的路試工況，假定DPF稱重的結(jié)果主要由發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)soot排放產(chǎn)生，據(jù)此結(jié)果進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)soot排放的修正標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上，選取被動(dòng)再生較為強(qiáng)烈的運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)，再根據(jù)DPF稱重結(jié)果，重點(diǎn)進(jìn)行被動(dòng)再生的優(yōu)化標(biāo)定。

為保證標(biāo)定的結(jié)果能覆蓋車輛運(yùn)行的所有區(qū)間，對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行路譜采集分析。通過設(shè)計(jì)城市空載、城市滿載、郊區(qū)空載、郊區(qū)滿載及高速滿載5種車輛運(yùn)行工況，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油量分布基本覆蓋了發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行區(qū)間。因此通過該5種路試工況進(jìn)行DPF積碳試驗(yàn)，用于DPF碳載模型的標(biāo)定和驗(yàn)證，具備工程實(shí)用價(jià)值。

圖3～7顯示了這5種車輛運(yùn)行工況下的DPF入口排氣溫度分布情況。城市空載工況下，DPF入口溫度最低，絕大部分入口溫度在280 ℃以下；城市滿載、郊區(qū)空載、郊區(qū)滿載及高速滿載工況下，DPF入口溫度依次提高。

圖3 城市空載工況下的DPF入口溫度占比分布

圖4 城市滿載工況下的DPF入口溫度占比分布

圖5 郊區(qū)空載工況下的DPF入口溫度占比分布

圖6 郊區(qū)滿載工況下的DPF入口溫度占比分布

圖7 高速滿載工況下的DPF入口溫度占比分布

基于這些溫度分布情況，對(duì)DPF碳載模型離線仿真和驗(yàn)證方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，以城市空載路況積碳的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原排soot進(jìn)行離線修正；其次，鎖定原排soot修正相關(guān)的標(biāo)定量，進(jìn)行整車郊區(qū)空載和高速滿載積碳試驗(yàn)，對(duì)被動(dòng)再生速率進(jìn)行離線修正，使DPF碳載量模型擬合值和實(shí)際路試稱重值接近并適當(dāng)高估10%左右；最后，將離線修正的結(jié)果導(dǎo)入ECU，采用城市滿載和郊區(qū)滿載2種路況進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，驗(yàn)證離線修正后的DPF碳載量模型精度是否滿足工程應(yīng)用要求。

3.2 DPF碳載量離線標(biāo)定結(jié)果

采用城市空載、郊區(qū)空載及高速滿載3種工況進(jìn)行整車路試，并且每隔一定的里程對(duì)DPF進(jìn)行稱重。將3種工況下采集到的路試數(shù)據(jù)輸入到Simulink模型，進(jìn)行離線優(yōu)化標(biāo)定。

圖8～10分別顯示了這3種工況下，通過離線仿真，DPF碳載模型擬合值和實(shí)際稱重結(jié)果的對(duì)比情況。對(duì)比結(jié)果表明，擬合值和實(shí)際DPF稱重值具有較好的一致性，模型值略微高估，模型偏差滿足±30%的總體設(shè)計(jì)要求。

圖8 城市空載工況DPF碳載量擬合結(jié)果

圖9 郊區(qū)空載工況DPF碳載量擬合結(jié)果

圖10 高速滿載工況DPF碳載量擬合結(jié)果

4 路試驗(yàn)證

將離線優(yōu)化標(biāo)定輸出的map結(jié)果導(dǎo)入到ECU，分別進(jìn)行城市滿載和郊區(qū)滿載2種工況下的路試驗(yàn)證。路試驗(yàn)證試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)備見第3章。實(shí)際路試過程中的ECU內(nèi)部DPF碳載量模型值和實(shí)際DPF稱重值的對(duì)比情況如圖11～12所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，DPF碳載模型值和實(shí)際稱重結(jié)果走勢(shì)一致；在設(shè)定的再生觸發(fā)碳載量21 g附近，模型值相對(duì)實(shí)際稱重值偏高約10%左右。偏差在可接受范圍內(nèi)，滿足工程應(yīng)用要求。

圖11 城市滿載工況下的碳載模型驗(yàn)證結(jié)果

圖12 郊區(qū)滿載工況下的碳載模型驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放和再生化學(xué)反應(yīng)的DPF碳載模型是一種廣泛使用的碳載量估算方法。本文使用MATLAB/Simulink軟件搭建了DPF碳載量估算離線仿真模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)soot原排和被動(dòng)再生相關(guān)的模型參數(shù)進(jìn)行離線優(yōu)化標(biāo)定，并基于不同的整車運(yùn)行工況進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)仿真優(yōu)化后，實(shí)車驗(yàn)證中DPF的碳載模型值與實(shí)際稱重結(jié)果跟隨性較好，滿足±30%的設(shè)計(jì)偏差要求。離線標(biāo)定優(yōu)化是一種較為有效的DPF碳載模型標(biāo)定方法，可滿足工程實(shí)用目標(biāo)，并有效節(jié)約標(biāo)定資源和標(biāo)定周期。