基于模型的國VI重型柴油機DOC輔助DPF 系統(tǒng)控制策略研究

李延紅，高發(fā)廷，王秋花，劉 浩，黃少文

（中國重型汽車集團有限公司技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟南 250101）

目前我國法規(guī)對重型汽車尾氣的排放要求越來越嚴格，汽車排放尾氣中顆粒PM和顆粒數(shù)PN成為衡量汽車品質(zhì)的一個重要標準。為了達到國Ⅵ排放標準，不只發(fā)動機本體設(shè)計要發(fā)生變化，柴油車采用EGR+DOC+DPF+SCR技術(shù)成為滿足排放法規(guī)的主要路線。相較于現(xiàn)有技術(shù)增加EGR（廢氣再循環(huán)）裝置以降低原機的NOX（氮氧化物），后處理系統(tǒng)也要增加DOC（催化氧化器）和DPF（尾氣處理裝置），以降低尾氣排放中的顆粒物。本文提出一種DOC輔助DPF系統(tǒng)控制策略。

1 實現(xiàn)國Ⅵ排放的技術(shù)路線

國Ⅵ法規(guī)中標準循環(huán)排放限值NOX降低到0.46g／kWh，PM降低至10mg／kWh，增加了PN6.0×1011／kWh的要求。為滿足國Ⅵ法規(guī)，本文采取的系統(tǒng)方案如圖1所示。

如圖1所示，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)EGR把發(fā)動機排出的部分廢氣送回進氣歧管，與新鮮空氣混合后一起再次進入氣缸，使氣缸中混合氣的氧濃度和最高燃燒溫度降低，從而減少了NOX的生成量。

催化氧化器DOC可以氧化柴油發(fā)動機排氣中的HC、CO及SOF，對固體顆粒物PM有一定降低作用；同時氧化過程中釋放的熱量可以提升排氣溫度，從而提高DPF效率。

圖1 實現(xiàn)國Ⅵ排放的系統(tǒng)方案

尾氣處理裝置DPF可以吸附柴油發(fā)動機排氣中的固體顆粒物PM，從而減少PM生成量。但是吸附一定量的PM后會產(chǎn)生較大的排氣背壓，需要DPF再生。

選擇性催化還原系統(tǒng)SCR的作用是降低柴油發(fā)動機排氣中的氮氧NOX量。使用尿素水溶液作為還原劑，將尿素溶液實時適量地噴射到排氣管中。噴射到排氣管中的尿素首先會分解為氨氣NH3和二氧化碳CO2；在選擇性催化劑的作用下NH3會與NOX反應(yīng)生成氮氣N2和水H2O，從而將尾氣中的NOX還原成無害的氮氣N2。

2 DPF系統(tǒng)的組成及工作原理

2.1 DPF系統(tǒng)的組成

圖2 DPF結(jié)構(gòu)簡圖

DPF是一種全封閉式固體顆粒捕集器，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。尾氣只能通過通道之間壁面的毛細空隙才能排出，由于毛細空隙直徑較小，因此DPF具有很好的過濾凈化效果，但是吸附一定量的PM后會產(chǎn)生較大的排氣背壓。

DPF系統(tǒng)組成簡圖見圖3。DPF系統(tǒng)主要包括排氣管路、再生電控單元、HC噴射裝置、DOC上游溫度傳感器、DOC、DPF上游溫度傳感器、DPF、DPF壓差傳感器及PM傳感器；DPF的入口和DPF的出口與壓差傳感器相連。

圖3 DPF系統(tǒng)簡圖

2.2 DPF系統(tǒng)的工作原理

DPF對PM有很好的過濾凈化效果，過濾一定量PM顆粒后，會將DPF載體堵塞，會產(chǎn)生較大排氣背壓，使得發(fā)動機性能降低。DPF再生過程是碳煙顆粒氧化或燃燒，使載體不會堵塞。

DPF再生分為主動再生和被動再生兩種形式。大多數(shù)工況下，柴油機DPF系統(tǒng)依靠發(fā)動機的排氣溫度進行被動再生；只有在發(fā)動機排氣溫度較低并且碳載量累積到再生閾值時才通過向DOC前排氣管噴入HC，依靠DOC氧化放熱提升排氣溫度實現(xiàn)DPF系統(tǒng)的主動再生。主動再生時利用DOC對燃油的氧化催化作用放出熱量提高DPF的進氣溫度。通過在排氣管道DOC前端附加噴油和供氣裝置，到DOC起燃點時向排氣管道中DOC前端噴入適量燃油同時利用原始排氣和附加的進氣將噴入的高壓燃油進行充分霧化，使其均勻分布于排氣中。當充分霧化后的尾氣流經(jīng)DOC時，排氣中的燃油將吸附在DOC表層；此時利用DOC的催化氧化作用釋放出足夠熱量，使得DPF上游排氣溫度達到其再生溫度從而在高溫排氣流過DPF時將內(nèi)部捕集的可燃PM顆粒燃燒實現(xiàn)再生。

DPF主動再生時，DOC處化學方程式如公式 （1）：

DPF處化學方程式如公式 （2）：

DPF被動再生時，DOC處化學方程式如公式 （3）：

DPF處化學方程式如公式 （4）：

2.3 DPF系統(tǒng)的工作過程

DPF被動再生不需要控制，滿足NO氧化條件即可發(fā)生。DPF主動再生工作過程如下。

1）升溫階段：主動再生請求滿足時，ECU控制器控制發(fā)動機噴油使其轉(zhuǎn)速維持在某一較高轉(zhuǎn)速，同時限制進氣節(jié)流閥TVA開度，減少新鮮進氣量對溫度的降低，關(guān)閉EGR閥以防廢氣溫度流失；當DOC上游溫度控制在350℃-400℃內(nèi)時，升溫完成。

2）再生階段：升溫完成后，ECU控制器控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速維持在某一較高轉(zhuǎn)速，DCU控制器會根據(jù)主動再生中碳顆粒充分燃燒所需溫度控制HC噴射裝置打開HCI切斷閥及打開HCI噴射閥向發(fā)動機排氣管DOC前端噴入燃油。

3）降溫階段：再生完成后，關(guān)閉HCI關(guān)斷閥及關(guān)閉HCI噴射閥；ECU控制器控制發(fā)動機回怠速，同時控制進氣節(jié)流閥TVA全打開，最大新鮮空氣進氣量進入發(fā)動機進氣管以降低溫度；當DOC上游溫度和DPF上游溫度都低于設(shè)定值時，則降溫成功，進入正常運行模式。

3 DPF系統(tǒng)再生控制策略

基于模型的DPF系統(tǒng)控制時，首先會根據(jù)再生請求開關(guān)請求、服務(wù)再生請求、碳載量計算再生請求判斷是否存在主動再生請求；當存在主動再生請求時，會對DOC上游溫度和DPF上游溫度進行控制以達到再生要求，同時控制HC噴射?；谀Ｐ偷腄PF系統(tǒng)控制策略簡圖見圖4。

圖4 基于模型的DPF系統(tǒng)控制策略簡圖

3.1 再生請求控制

再生請求判斷是綜合再生開關(guān)再生請求、服務(wù)再生請求、碳載量計算再生請求來獲得最終優(yōu)先級最高的再生請求。再生請求控制策略簡圖見圖5。

圖5 再生請求控制策略簡圖

碳載量是根據(jù)DPF壓差和模型來計算。利用DPF壓差計算時需要大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為依據(jù)，基于模型計算時是通過當前工況計算的累積碳載量減去再生消耗的碳載量而得的。由于DPF壓差與碳載量關(guān)系曲線會根據(jù)后處理大包不同而不同，本策略中DPF壓差計算的碳載量僅作修正作用。

3.2 再生噴油量計算

當滿足再生請求時，首先通過調(diào)整發(fā)動機ECU控制的噴油規(guī)律在上止點后噴入少量燃油，利用缸內(nèi)高溫高壓環(huán)境使后噴入的柴油燃燒，使排氣溫度達到DOC的工作溫度350℃；此時開啟排氣管HC噴射裝置，使之向DOC前端的排氣管中噴入少量柴油，通過DOC對HCI燃料的催化氧化作用來提高排氣溫度，直到DOC出口達到顆粒起燃溫度600℃為止。再生噴油量計算是由當前DOC前端溫度及DPF前端溫度要達到再生時DOC前端需求溫度及DPF前端需求溫度所需熱量而來。再生噴油量計算策略簡圖如圖6所示。

圖6 再生噴油量計算策略簡圖

3.3 再生過程控制

再生過程中為使得PM能充分燃燒，需要利用后噴提升DOC前端溫度和利用HCI噴射提升DPF前端溫度。根據(jù)再生請求及HCI噴油量，對HCI切斷閥和HCI噴射閥進行閉環(huán)控制，保持DPF前端溫度在PM起燃溫度以上；在此期間對空氣閥進行控制，保證已噴射HCI燃油在DOC前充分霧化，使其進入到DOC之后充分反應(yīng)。HCI噴射控制策略如圖7所示。

圖7 HCI噴射控制策略

4 DPF系統(tǒng)控制策略模型試驗驗證

將上述控制策略通過MATLAB／simulink搭建模型，如圖8所示。

DPF碳載量試驗?zāi)康臑轵炞CDPF碳加載模型與實際加載是否一致，要求兩者偏差在±30%之內(nèi)。采用實車測試來進行，試驗工況為CCBC和C-WTVC；每兩天稱重一次，記錄碳載量模型值、DPF稱重實際值與車輛里程，直至碳加載平衡。結(jié)果對比見表1。

表1 模型碳加載量與實際碳加載量對比表

根據(jù)碳加載試驗稱重結(jié)果和碳加載模型增長對比數(shù)據(jù)來看，模型計算較為準確，偏差較小，約為11%，滿足要求。

再生模式下采用HCI的方式提高DPF的反應(yīng)溫度。DPF上游的溫度穩(wěn)態(tài)工況下大約為600±20℃，動態(tài)工況下要求T5約為600±20℃。DPF再生過程試驗結(jié)果見圖9。

圖9 DPF再生過程

其中藍色為DPF上游溫度，黃色為HCI噴射燃油量，紅色為碳載量。試驗結(jié)果表明，在再生過程中，DPF上游溫度控制穩(wěn)定，碳載量一直下降，再生過程良好。

模型DPF上游溫度曲線與實際DPF上游傳感器溫度曲線試驗結(jié)果見圖10。

圖10 模型DPF上游溫度曲線與實際DPF上游傳感器溫度曲線

圖8 控制策略模型簡圖

其中黃色為模型DPF上游溫度曲線，綠色為實際DPF上游傳感器溫度曲線，紅色為HCI噴射燃油量，藍色為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，紫色為碳載量。試驗結(jié)果表明，在變工況再生過程中，模型DPF上游溫度曲線與實際DPF上游傳感器溫度曲線吻合度良好，再生過程良好，碳載量一直下降。

5 結(jié)束語

本文研究了氧化催化器 （DOC）輔助微粒捕集器 （DPF） 排放控制策略，并用模型實現(xiàn)仿真測試及試驗驗證。試驗結(jié)果表明，本文的DOC輔助DPF系統(tǒng)控制策略估算DPF當前碳載量誤差在允許范圍內(nèi)，在變工況再生過程中模型DPF上游溫度曲線與實際DPF上游傳感器溫度曲線吻合度良好，能很好地完成再生。