面向控制的DPF再生效率建模和試驗(yàn)研究*

黃鐵雄，胡廣地，孟忠偉，曾東建

（1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，成都 610039；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

前言

在DPF 熱再生過程中，采用較高的再生效率有助于降低柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中的DPF 再生頻率，從而降低綜合燃油消耗。另一方面，由于再生完成后的潔凈DPF 在初始工作階段對PM 的捕集效率較低［4］，因此應(yīng)避免采用過高的再生效率，以降低排放。輕型柴油機(jī)通常采用缸內(nèi)后噴油方式來輔助DPF 熱再生，因此再生過程中在確保合理的再生效率的基礎(chǔ)上降低再生持續(xù)時間，也有利于降低機(jī)油稀釋影響，從而減小對發(fā)動機(jī)的磨損，延長機(jī)油更換的時間間隔和發(fā)動機(jī)的使用壽命?？梢姡偕适菍PF 熱再生過程進(jìn)行有效管理、促進(jìn)高效應(yīng)用的重要控制變量，可為DPF 熱再生結(jié)束的控制提供判斷依據(jù)。目前主流文獻(xiàn)中均以DPF內(nèi)碳載量作為判斷熱再生開始的依據(jù)，但對于如何判斷DPF 再生結(jié)束缺乏進(jìn)一步的深入探討。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］中利用安裝在DPF兩端的壓差傳感器測量DPF壓差信號，建立碳載量與壓差、排氣流速等的對應(yīng)關(guān)系，以此來判斷DPF非再生階段的碳載量水平和再生開始的時機(jī)。由于DPF熱再生階段的氧化反應(yīng)作用使得DPF 深床層和餅層的局部碳煙結(jié)構(gòu)被破壞，因此再生過程中基于DPF壓差信號計算的碳載量與實(shí)際碳載量往往存在較大誤差。文獻(xiàn)［7］中提出了一種基于質(zhì)量平衡的DPF 碳載量估計模型，但對于碳煙氧化的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)采用了來自固定反應(yīng)床的模擬炭黑的小樣試驗(yàn)結(jié)果，同時對于模型估計的碳載量是否可用作再生結(jié)束的判斷依據(jù)未作進(jìn)一步討論。文獻(xiàn)［8］中分析了不同再生目標(biāo)溫度對再生效率的影響，其DPF 仿真模型采用GT?Power 軟件建立，因此難以進(jìn)行實(shí)時部署和用于在線觀測。

本文中基于DPF熱再生過程的碳煙顆粒氧化反應(yīng)機(jī)理建立了DPF再生效率的實(shí)時計算模型。在此基礎(chǔ)上采用試驗(yàn)研究方式對DPF熱再生反應(yīng)方程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識，并在發(fā)動機(jī)臺架的穩(wěn)態(tài)工況和整車實(shí)際道路行駛工況進(jìn)行再生效率模型的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果為DPF熱再生中準(zhǔn)確判斷再生結(jié)束時機(jī)和促進(jìn)再生過程的高效控制提供參考。

1 試驗(yàn)裝置

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架的布置示意圖如圖1 所示。試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為某4JB1/JE 型直列4 缸、增壓中冷柴油機(jī)，在柴油機(jī)排氣管路安裝有由氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）和DPF組成的后處理器。該柴油發(fā)動機(jī)采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，因此試驗(yàn)中采用在發(fā)動機(jī)膨脹行程末往缸內(nèi)噴入燃油方式，其生成的未燃HC等隨排氣進(jìn)入DOC 后發(fā)生催化型氧化發(fā)熱反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)DPF熱再生時所需的較高排氣溫度目的。試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)及后處理器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。試驗(yàn)中采用的儀器設(shè)備包括HORIBA MEXA?7100D 氣體分析儀、PT200排氣溫度傳感器、SENSATA 1MPP2?1壓差傳感器、METTLER TOLEDO KA32s 高精度電子天平等。

試驗(yàn)用車輛為某輕型皮卡車。該試驗(yàn)車整備質(zhì)量為1.78 t，最大設(shè)計總質(zhì)量小于3.5 t，滿足國Ⅴ排放法規(guī)，其基本技術(shù)參數(shù)見表2。

圖1 發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架示意圖

表1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)及后處理器技術(shù)參數(shù)

2 DPF再生效率建模與試驗(yàn)

2.1 DPF熱再生反應(yīng)機(jī)理與再生效率建模

DPF熱再生過程中DPF入口端排氣溫度一般需維持在550 ℃以上［9］。由于排氣溫度較高，柴油機(jī)排氣中的O2與DPF 內(nèi)累積的碳煙顆粒發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式為

表2 試驗(yàn)用車輛基本參數(shù)

式中?H 為化學(xué)反應(yīng)熱。由于柴油機(jī)的排氣中氧體積濃度較高，因此可忽略式（1）中生成產(chǎn)物CO 對再生過程影響，即fco=0。該式根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)經(jīng)驗(yàn)定律可得：

式中：A為指前因子參量；Ea為式（1）的化學(xué)反應(yīng)活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為DPF溫度，根據(jù)DPF上游和下游溫度傳感器的測量結(jié)果加權(quán)計算得到。

教師在培養(yǎng)學(xué)生閱讀能力時，首先，應(yīng)注意處理好閱讀與聽、說、寫的關(guān)系，聽、說、讀、寫常被認(rèn)為是掌握使用英語的四項基本技能，他們是相輔相成，互相促進(jìn)的統(tǒng)一體。聽和讀是領(lǐng)會、理解語言的能力；說和寫是使用、表達(dá)語言的能力；領(lǐng)會、理解是基礎(chǔ)，復(fù)用表達(dá)是提高。即聽是說的基礎(chǔ)，說是聽的提高；讀是寫的基礎(chǔ)，寫是讀的提高。只有清楚、正確地領(lǐng)會和理解，才能清楚、正確地復(fù)用和表達(dá)；復(fù)用和表達(dá)能力的提高，又能促進(jìn)領(lǐng)會和理解能力的發(fā)展，因而，在中學(xué)英語教學(xué)中要對學(xué)生進(jìn)行聽、說、讀、寫的綜合訓(xùn)練，可針對不同的階段各有側(cè)重，但不可偏一方而不顧其他。

根據(jù)文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］中的研究結(jié)果，排氣中的O2體積濃度大于5%時DPF 再生速率趨于穩(wěn)定。因此，式（2）中可忽略發(fā)動機(jī)尾氣中的O2濃度對再生速率的影響，綜合式（2）和式（3）可以得到：

由式（4）可以看出，DPF再生速率主要由DPF內(nèi)的當(dāng)前碳煙質(zhì)量和再生反應(yīng)溫度決定。DPF再生效率η定義為

式中m0為DPF 再生開始時刻的初始碳載量。將式（4）對時間求積分，同時結(jié)合式（5）可整理得到DPF再生效率模型為

式中t為再生持續(xù)時間，再生初始時刻t=0。可見，通過確定DPF內(nèi)碳煙顆粒的再生反應(yīng)速率和再生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，可計算得到DPF再生效率。對模型中反應(yīng)級數(shù)α 和反應(yīng)活化能參數(shù)Ea等本文中采用臺架試驗(yàn)獲取，從而確定DPF 內(nèi)剩余碳煙質(zhì)量和DPF溫度對再生速率的影響。

2.2 DPF剩余碳煙質(zhì)量對再生速率的影響

圖2 所示為再生溫度600°C 下的DPF 內(nèi)剩余碳煙質(zhì)量隨再生持續(xù)時間的變化趨勢。圖中試驗(yàn)開始前先將DPF 徹底再生，接著在特定的發(fā)動機(jī)工況對DPF 進(jìn)行碳煙顆粒加載直至達(dá)到滿載碳載量水平，約9.1 g/L。隨后將DPF 置于排氣溫度為600 °C 的發(fā)動機(jī)尾氣中進(jìn)行熱再生。試驗(yàn)過程中每再生5 min左右將DPF從排氣管路中拆除，同時對DPF恒溫處理后采用高精度電子天平稱重。從圖中試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)開始后的前10 min 再生時間內(nèi)DPF 內(nèi)碳煙負(fù)載量隨再生時間快速降低，之后DPF剩余碳煙量的變化趨于平緩。試驗(yàn)結(jié)束時總再生持續(xù)時間為21 min，DPF 內(nèi)剩余碳煙質(zhì)量為0.75 g/L，計算得到DPF再生效率為91.8%。采用多項式方程對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到圖2 中示出的DPF 剩余碳煙量的變化趨勢曲線，其表達(dá)式為

式中：c0、c1、c2、c3和c4為擬合系數(shù)；t 為再生持續(xù)時間，h。

圖2 DPF剩余碳煙質(zhì)量隨時間變化

將式（7）對時間求導(dǎo)，可得到該試驗(yàn)稱重時刻的DPF再生速率，其與DPF內(nèi)剩余碳煙量的關(guān)系如圖3所示。采用線性方程和最小二乘法對圖中DPF再生速率試驗(yàn)結(jié)果校核，并進(jìn)行參數(shù)辨識得到相關(guān)系數(shù)R2為0.997。表明試驗(yàn)范圍內(nèi)DPF 再生速率與剩余碳煙量具有較好的線性相關(guān)關(guān)系。因此模型中反應(yīng)級數(shù)可確定為α=1?？梢钥闯?，DPF 內(nèi)剩余碳煙量越大，DPF再生速率也越大；再生過程中隨著DPF內(nèi)的剩余碳煙量減小，DPF再生速率將線性降低。

圖3 DPF再生速率與剩余碳煙質(zhì)量關(guān)系

2.3 DPF溫度對再生速率的影響

為獲取DPF 溫度對再生速率的影響規(guī)律，試驗(yàn)過程中在500～600 °C 范圍內(nèi)依次選取不同的DPF再生溫度，將DPF 在依次選取的排氣溫度下持續(xù)再生一段時間，同時測量該段時間內(nèi)的DPF 碳載量前后變化，得到不同再生溫度下DPF 再生速率的試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。試驗(yàn)中總共選取5種典型的DPF再生溫度情況，再生溫度間隔約25°C。為保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性以降低計算誤差，每次試驗(yàn)的再生持續(xù)時間均設(shè)置為5 min，且每次試驗(yàn)開始前先將DPF在630°C 排氣溫度下徹底再生，之后將DPF 進(jìn)行碳煙顆粒加載直至滿載碳載量水平。

表3 DPF再生速率試驗(yàn)結(jié)果

由于指前因子參量A 對再生溫度較為敏感，因此對表3 中的再生速率試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，結(jié)合式（4）得到歸一化氧化速率θ的表達(dá)式為

式中u和w為擬合系數(shù)因子，其表達(dá)式為

式中Aref為參考溫度Tref試驗(yàn)工況下的指前因子參量。

圖4 示出了歸一化后DPF 熱再生速率隨DPF 溫度變化情況。采用最小二乘法進(jìn)行校核和參數(shù)辨識，得到相關(guān)系數(shù)為R2=0.996，擬合系數(shù)因子分別為u=8.038×105和w=1.293×104K。根據(jù)式（9）可進(jìn)一步計算得到DPF 熱再生反應(yīng)的活化能參數(shù)Ea=107.5 kJ/mol，由文獻(xiàn)［12］中研究結(jié)果，該試驗(yàn)值在合理范圍內(nèi)。

圖4 DPF再生速率與再生溫度關(guān)系

3 臺架與車輛道路試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)

采用C 程序語言將DPF 再生效率模型編程實(shí)現(xiàn)，并編譯和下載到發(fā)動機(jī)控制單元。在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行4 次DPF 熱再生試驗(yàn)。每一次試驗(yàn)開始前，將DPF 加載至接近滿載碳載量水平，約8～9 g/L。圖5 中分別示出了不同再生持續(xù)時間下DPF 再生效率隨時間變化趨勢。試驗(yàn)中采用典型的分階段式的DPF 再生控制模式［13］。其中第1 階段為初始再生階段，初始再生階段由于碳載量較高故采用較低的再生溫度，該階段的再生目標(biāo)溫度設(shè)置為530°C，再生保持時間約為6.7 min；第2 階段的目標(biāo)再生溫度設(shè)置為580°C，再生保持時間自圖5（a）至圖5（d）分別約為3.3、11.3、14.3 和18.3 min。因此，圖5（a）～圖5（d）試驗(yàn)的有效再生持續(xù)時間分別約為10、18、21和25 min。由圖可知，再生開始后當(dāng)DPF 再生溫度達(dá)到設(shè)定的初始再生溫度530°C 時，再生效率逐漸上升；當(dāng)進(jìn)行到第2 再生階段時，由于再生溫度升高，DPF再生效率呈快速上升趨勢。此后，隨著再生持續(xù)時間的增加，再生溫度保持不變但由于DPF 內(nèi)的剩余碳煙量逐漸減少，因此再生效率的上升速度趨于平緩。

圖5（a）～圖5（d）中試驗(yàn)結(jié)束時，DPF 再生效率的模型計算結(jié)果分別為25.8%、49.9%、56.3%和64.7%，對應(yīng)的試驗(yàn)測量結(jié)果分別為20.2%、52.4%、58.2%和67.4%。將模型計算結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行對比，如圖6 所示。可以看出模型的最大計算誤差為5.6%，表明本文中建立的模型能夠?qū)崟r和準(zhǔn)確地計算DPF 熱再生過程中的再生效率，較好滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖5 臺架試驗(yàn)中DPF再生效率隨時間變化

圖6 再生效率模型計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 車輛道路試驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 示出了再生效率模型的車輛道路試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)過程中車速和再生溫度隨時間的變化情況。試驗(yàn)開始時DPF 初始碳載量為7.57 g/L，試驗(yàn)中最高車速約120 km/h，試驗(yàn)工況主要包含高速和市郊駕駛工況，如圖7 所示，試驗(yàn)的第5 min 處開始DPF熱再生，再生過程中由于車速和排氣流量等的急劇變化，使得對再生溫度的控制難度增加，因此實(shí)際DPF再生溫度與目標(biāo)溫度之間存在較大的波動。再生過程初始階段的目標(biāo)再生溫度設(shè)置為520 °C，持續(xù)時間約5 min；第2、3 階段的目標(biāo)再生溫度分別為580 和600 °C，再生持續(xù)時間均為15 min 左右。因此，整個試驗(yàn)的總再生持續(xù)時間約34 min。隨著再生的進(jìn)行，DPF 再生效率逐漸增大。試驗(yàn)結(jié)束時DPF 再生效率的計算值為76.8%，試驗(yàn)測量結(jié)果為72.0%，得到模型的計算誤差為4.8%。表明建立的再生效率模型能夠在車輛實(shí)際道路行駛中實(shí)時和準(zhǔn)確的判斷DPF 內(nèi)再生效率水平，為評估和確定合理的再生結(jié)束時機(jī)提供了有效的判斷依據(jù)。

圖7 實(shí)際道路行駛中DPF再生效率隨時間變化

在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中，DPF 再生開始時的初始碳載量不可由測量直接獲得，通常根據(jù)DPF 壓降信號或模型預(yù)估方法等計算得到［6-7，14］。另一方面，根據(jù)建立的再生效率模型可獲得再生結(jié)束后的DPF內(nèi)剩余碳煙質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中由于車輛運(yùn)行中DPF 對碳煙顆粒的加載和再生過程為交替、反復(fù)進(jìn)行，若進(jìn)一步采用該剩余碳煙質(zhì)量作為后續(xù)碳煙加載過程的初始碳載量，則需進(jìn)一步研究合理的控制策略如采取間隔性的強(qiáng)制徹底再生措施等，以降低累加誤差的影響。

4 結(jié)論

（1）基于DPF 熱再生反應(yīng)機(jī)理探討并建立了DPF再生效率計算模型，通過發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)對DPF再生反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了校核和辨識，得到DPF內(nèi)碳煙顆粒與O2的熱再生氧化反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù)為α=1，反應(yīng)的活化能參數(shù)為Ea=107.5 kJ/mol。

（2）通過發(fā)動機(jī)臺架的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)工況和整車實(shí)際道路行駛工況分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，再生過程中再生效率模型的最大計算誤差為5.6%，較好滿足實(shí)際應(yīng)用要求，為DPF 熱再生中準(zhǔn)確判斷再生結(jié)束時機(jī)和促進(jìn)再生過程的高效控制和應(yīng)用提供了參考。