基于Simulink模型的再生溫度控制策略

王秋花，劉永春，高發(fā)廷，李延紅

（中國(guó)重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 25000）

隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，中國(guó)重型柴油車(chē)的數(shù)量也在飛速增長(zhǎng)，隨之帶來(lái)的排放問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，對(duì)中國(guó)的環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力，因此國(guó)家對(duì)車(chē)輛的排放法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格。2018年6月22日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》（中國(guó)第六階段）標(biāo)準(zhǔn)［1］。為了滿(mǎn)足國(guó)六排放法規(guī)的要求，目前有兩種主流路線：一種為EGR+DOC+DPF+SCR的路線，另一種為Hi-eSCR（高效選擇性催化還原系統(tǒng)）方案或EGR+Hi-eSCR。目前中國(guó)市場(chǎng)上主要是第1種路線，本文主要介紹DOC輔助DPF再生的溫度控制策略。

1 國(guó)六后處理系統(tǒng)構(gòu)成

國(guó)六后處理系統(tǒng)主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。在DOC的上游布置有HCI燃油噴射裝置，用于提升DPF上游的溫度；在SCR的上游布置有De－NOx系統(tǒng)，用于向SCR載體中噴射尿素；同時(shí)，在DOC的上游、DPF的上游、SCR的上游和下游布置有4個(gè)排溫傳感器，分別用于DPF的再生控制和SCR的尿素噴射控制；在DOC的入口和ASC的出口分別設(shè)有2個(gè)NOX傳感器，用于SCR的閉環(huán)控制和OBD診斷；在DPF上設(shè)有壓差傳感器，用于DPF堵塞及輔助再生時(shí)刻判斷；在ASC的出口布置有PM傳感器，用于OBD診斷功能。

圖1 國(guó)六后處理系統(tǒng)構(gòu)成

2 DOC與DPF的工作原理

DOC（Diesel Oxidation Catalyst）柴油機(jī)氧化型催化轉(zhuǎn)化器，是柴油機(jī)排氣后處理裝置中的一種，可通過(guò)氧化作用，同時(shí)降低排氣中CO、HC等污染物排放量，并且將排氣污染物中的一氧化氮 （NO）轉(zhuǎn)化為二氧化氮 （NO2）。DOC一般以金屬或陶瓷作為催化劑的載體，涂層中主要活性成分是鉑、鈀等貴金屬與稀土金屬。在國(guó)六系統(tǒng)中，DOC的作用至關(guān)重要，其主要作用有以下3點(diǎn)。

1）將廢氣里的NO轉(zhuǎn)化為NO2，當(dāng)廢氣溫度高于300℃后，NO2能夠?qū)PF捕集到的顆粒再生掉，實(shí)現(xiàn)DPF的被動(dòng)再生。

2）當(dāng)DPF的主動(dòng)再生需要被激活時(shí)，是DOC將HCI噴入的柴油氧化，把廢氣溫度提高到 600℃左右。

3）將廢氣里的NO轉(zhuǎn)化為NO2，當(dāng)廢氣中NO2比例上升后，能夠迅速提升SCR的轉(zhuǎn)化效率能力。

DPF（Diesel Particulate Filter）柴油機(jī)顆粒捕捉器，是一種安裝在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)中的陶瓷過(guò)濾器，它的作用是通過(guò)表面跟內(nèi)部混合的過(guò)濾裝置捕捉顆粒，例如擴(kuò)散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截，能夠有效地凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機(jī)顆粒物最有效、最直接的方法之一。顆粒捕集持續(xù)發(fā)生，DPF內(nèi)顆粒會(huì)越積越多，最終堵塞DPF，必須通過(guò)再生的方式清除碳顆粒，DPF再生方式分為被動(dòng)再生、主動(dòng)再生兩種。

被動(dòng)再生：將NO在DOC載體中氧化為NO2，NO2比O2活躍，在250~450℃時(shí)，氧化碳顆粒。

發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

主動(dòng)再生：實(shí)際運(yùn)行工況中，排氣溫度達(dá)不到被動(dòng)再生條件，需要通過(guò)HCI噴入燃油，在DOC中發(fā)生氧化反應(yīng)，將排氣溫度提高到550℃以上，使得碳顆粒燃燒，氧化反應(yīng)生成二氧化碳。

發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下［2］：

3 主動(dòng)再生溫度控制

主動(dòng)再生需求的溫度在550℃以上，但是當(dāng)DPF溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成DPF燒熔，溫度梯度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致DPF燒裂［3］。因此，將DPF入口的溫度控制目標(biāo)定義為600±50℃。

如圖2所示，當(dāng)DPF載體中累積的Soot量過(guò)多時(shí)，需要觸發(fā)主動(dòng)再生。此時(shí)，需要在DOC的入口處通過(guò)HCI燃油噴射裝置噴入一定量的燃油，用于提升DPF的溫度。HCI燃油噴射量的計(jì)算通常采用閉環(huán)控制策略。

圖2 AHC燃油噴射系統(tǒng)構(gòu)成

基本噴油量算法：

式中：dmFu——基本請(qǐng)求噴油量；dmFuOpenLop——基于開(kāi)環(huán)控制計(jì)算的噴油量；dmFuFdBk——基于反饋控制計(jì)算的噴油量。

考慮到當(dāng)DPF內(nèi)載體溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)將DPF載體燒融，因此需要加入載體保護(hù)限值。

式中：dqDem——HCI模塊噴油量；dmFuCatMax——基于DPF載體保護(hù)溫度計(jì)算的最大噴油量。

3.1 開(kāi)環(huán)燃油量dmFuOpenLop的計(jì)算

開(kāi)環(huán)燃油量的計(jì)算主要是基于熱力學(xué)方程。如圖3所示，進(jìn)入DOC載體內(nèi)部的熱量分為兩部分，一部分為發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中攜帶的熱量，一部分為HCI噴入燃油轉(zhuǎn)化的熱量；DOC載體出口的熱量可以分為3部分，一部分為HCI噴入的燃油未充分燃燒而損失的熱量，一部分為流入DPF載體中廢氣攜帶的熱量，還有一部分是散失到空氣中的熱量。

圖3 DOC載體內(nèi)部熱力學(xué)方程式

式中：m˙EG——廢氣質(zhì)量流量；cpEG，in——DOC入口廢氣的比熱容；Tin——DOC載體入口溫度；m˙Fu——開(kāi)環(huán)請(qǐng)求燃油噴射量；Hu——燃油的熱容量；KA——DOC與外界熱交互系數(shù)；Tdem——需求溫度；Tenv——大氣溫度；cpEG，out——DOC出口廢氣的比熱容；Tout——DPF入口溫度；fSlip——未轉(zhuǎn)化燃油效率。

根據(jù)上述公式，使用Simulink搭建開(kāi)環(huán)控制模型，如圖4所示。

圖4 開(kāi)環(huán)燃油噴射量計(jì)算模型

3.2 閉環(huán)反饋燃油量dmFuFdBk的計(jì)算

在模型中增加實(shí)時(shí)反饋控制模塊，用于實(shí)時(shí)調(diào)控HCI的噴油量。當(dāng)DPF上游采集的溫度值大于期望目標(biāo)值時(shí)，需要減少?lài)娪土?；反之，則需要增加噴油量。為了精確控制反饋的噴油量，可以將DOC載體細(xì)分成幾個(gè)部分，然后根據(jù)需求溫度和實(shí)際溫度的差值，可以計(jì)算得出反饋噴油量dmFuFd－Bk。反饋控制模塊如圖5所示。

圖5 DOC反饋控制模塊

式中：fac——反饋噴油量熱容系數(shù)；Tdem——DOC載體內(nèi)不同塊的需求溫度；TSim——DOC載體內(nèi)不同塊的仿真溫度，TSim的計(jì)算可以根據(jù)DOC載體入口溫度Tin和DPF入口溫度Tout的溫度，然后根據(jù)熱力學(xué)模型進(jìn)行估算。

3.3 載體保護(hù)噴油量dmFuCatMax的計(jì)算

再生時(shí)，若載體內(nèi)溫度過(guò)高，會(huì)造成載體的高溫失效，因此需要設(shè)置一個(gè)基于載體保護(hù)的最大溫度，如圖6所示。然后根據(jù)DOC載體內(nèi)的仿真溫度，通過(guò)熱力學(xué)方程，計(jì)算得出基于載體保護(hù)所允許的最大噴油量dmFuCatMax。

圖6 載體保護(hù)噴油量

4 再生溫度控制結(jié)果

4.1 試驗(yàn)工況的確定

試驗(yàn)工況采用GB／T19754-2005推薦的中國(guó)典型城市公交車(chē)循環(huán) （CCBC）工況［4］，該循環(huán)工況是基于北京、上海、廣州3個(gè)城市的公交運(yùn)行數(shù)據(jù)制定的，包含怠速、加減速、高中低速等實(shí)際道路工況，運(yùn)行時(shí)間1314s，如圖7所示。

4.2 主動(dòng)再生溫度控制結(jié)果

圖8是CCBC循環(huán)工況下的再生溫度控制結(jié)果。從圖8中可以看出，DPF入口溫度可以平穩(wěn)地控制在600±50℃內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7 CCBC循環(huán)工況

圖8 CCBC循環(huán)下的再生溫度控制

5 結(jié)論

1）基于柴油機(jī)后噴控制技術(shù)的DPF再生技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制靈活，符合現(xiàn)代重型柴油機(jī)的發(fā)展方向。

2）采用本文的基于Simulink模型的DPF再生溫度控制策略，整個(gè)DPF再生過(guò)程是安全且有效的。