黃開(kāi)勝 張 堯 馬晗清 歐陽(yáng)倩瑜
(清華大學(xué) 汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
柴油機(jī)具有功率大、燃油消耗少、排放性能好等優(yōu)點(diǎn),但也有顆粒物(Particulate Matter,PM)排放高的缺點(diǎn)。PM嚴(yán)重污染空氣,對(duì)人體健康造成較大損害,嚴(yán)重制約了柴油機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用。柴油機(jī)微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)是目前公認(rèn)最有效、技術(shù)相對(duì)最成熟的去除PM的柴油機(jī)排氣后處理方法。使用DPF的關(guān)鍵技術(shù)是DPF的再生技術(shù),而再生控制策略對(duì)再生過(guò)程的油耗、二次污染、載體安全性等起著決定性作用。
所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)為江鈴汽車(chē)集團(tuán)生產(chǎn)的JX493ZLQ3型4缸增壓中冷柴油機(jī),排放達(dá)到歐III標(biāo)準(zhǔn)。在柴油機(jī)氧化催化器 (Diesel Oxidation Catalytic,DOC)前的排氣管中設(shè)置噴油器,DPF再生時(shí),該噴油器噴入柴油,在DOC中氧化放熱,提高排氣溫度,使得DPF中的微粒燃燒,實(shí)現(xiàn)DPF的主動(dòng)再生。各部件詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]。為了深入研究DPF控制策略,建立綜合仿真模型,包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、后處理系統(tǒng)模型和控制策略3部分。
發(fā)動(dòng)機(jī)模型和后處理系統(tǒng)模型采用AVL Boost軟件建立,但是Boost不支持同時(shí)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)仿真和后處理系統(tǒng)仿真。Boost中發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真是以“曲軸轉(zhuǎn)角”為基本單位,而后處理系統(tǒng)的反應(yīng)則以“s”為基本單位。如果兩者放在一起仿真,會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)仿真1 s就需要耗時(shí)很久,而1 s對(duì)后處理來(lái)說(shuō)時(shí)間太短,導(dǎo)致整個(gè)模型仿真速度極慢。美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校發(fā)動(dòng)機(jī)研究中心建立的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)+后處理系統(tǒng)的模型,在主頻3.2 GHz的奔騰4處理器上運(yùn)行20 h才仿真了40 min[3]。顯然該方法耗費(fèi)時(shí)間太久。
本文采用簡(jiǎn)化方法,即將發(fā)動(dòng)機(jī)在一列穩(wěn)態(tài)工況下仿真得到的后處理相關(guān)數(shù)據(jù)保存為數(shù)據(jù)表格,在Simulink中根據(jù)工況進(jìn)行查表獲取該工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)仿真數(shù)據(jù),并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理系統(tǒng)仿真。得到的發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)都是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù),但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況改變所需時(shí)間相對(duì)后處理系統(tǒng)的極短,因此可以忽略發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)對(duì)后處理系統(tǒng)的影響。
AVL Boost提供了同Matlab Simulink的輸入、輸出接口,使得Simulink能夠在仿真過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取Boost模型中生成的數(shù)據(jù),同時(shí)也能夠通過(guò)改變模型的輸入?yún)?shù)影響仿真結(jié)果。因此,Simulink是建立DPF再生控制策略的適宜工具,在Simulink中建立的控制策略也非常容易移植到其它平臺(tái)。
排氣道噴油主動(dòng)再生是通過(guò)向DOC上游噴射燃油,使燃油在DOC中氧化放熱達(dá)到提高DOC出口溫度(DPF的入口溫度)的目的。如果控制不當(dāng),DOC出口溫度太低或者溫升速度太慢,則可能無(wú)法進(jìn)行再生或者再生速度很慢,且燃油消耗很大;若DOC出口溫度太高或者溫升速度太快,則可能導(dǎo)致DPF中微粒劇烈燃燒從而燒損DPF基體。因此,對(duì)DOC溫度的控制是DPF再生控制策略中關(guān)鍵的一環(huán)。
將DOC作為一個(gè)整體,只考慮時(shí)間變化而不考慮空間分布,在此基礎(chǔ)上建立DOC零維集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型。經(jīng)簡(jiǎn)化得出系統(tǒng)能量守恒方程[4]:
式中,ρDOC、cDOC、VDOC分別為 DOC 的密度、 比熱容、體積;ρexh、cexh、Vexh分別為 DOC 中排氣的密度、比熱容和體積;Q˙HC為燃油放熱的速率;m˙exh為排氣質(zhì)量流量;m˙HC為噴油速率;cp.exh為排氣等壓比熱容;T為 DOC出口溫度;TDOC,in為DOC入口溫度。
采用前饋+反饋的控制方法進(jìn)行DOC后溫控制,即通過(guò)DOC溫升模型實(shí)時(shí)計(jì)算達(dá)到或保持目標(biāo)溫度需要的噴油量(前饋控制),并且通過(guò)PID控制器修正控制誤差(反饋控制)。控制流程如圖1所示,其中PWM為脈寬調(diào)劑。仿真研究中控制效果如圖2所示。仿真過(guò)程中設(shè)置工況一直變動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和DOC入口溫度變化曲線如圖3所示。
由圖2和圖3可知,前饋控制 (計(jì)算噴油占空比)能夠即時(shí)對(duì)工況(排氣流量、溫度)的變化作出反應(yīng),如轉(zhuǎn)速變高、排氣流量變大,噴油量也隨之變大,則DOC出口溫度沒(méi)有明顯波動(dòng);反饋PID控制也起了重要作用,圖2中實(shí)際噴油占空比和計(jì)算噴油占空比的差別就是PID控制的修正結(jié)果。
由以上仿真結(jié)果可知,基于數(shù)學(xué)模型的溫度控制方法控制效果良好。在此基礎(chǔ)上,可以研究溫升速率、DPF入口溫度等因素對(duì)再生過(guò)程的影響,從而選擇最優(yōu)的控制參數(shù)。
積載后的DPF壓降由4部分組成:穿透微粒層壓力損失、穿透過(guò)濾壁壓力損失、入口通道摩擦損失、出口通道摩擦損失。其中,氣體流過(guò)微粒層時(shí)的壓力損失同積載的微粒層厚度相關(guān),其余3項(xiàng)由DPF結(jié)構(gòu)和流經(jīng)的氣體狀態(tài)決定。
參考國(guó)外文獻(xiàn)[4~6]的研究,可以得到完整的DPF壓降數(shù)學(xué)模型:
式中,μ 為氣體粘度,kg/m·s-1;Q 為排氣體積流量,m3/s;a為通道寬度,mm;w 為過(guò)濾層厚度,mm;Vtrap為過(guò)濾體體積,m3;K0是過(guò)濾層的滲透性,m2;Ksoot為積載的微粒層滲透性,m2;ws為積載的微粒層厚度,mm;F為壁面摩擦系數(shù);L為過(guò)濾體通道長(zhǎng)度,mm。
根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到較準(zhǔn)確的DPF積載量,進(jìn)而選擇再生開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻。相比“定背壓控制策略”和蔡麟琳采用的怠速工況背壓判斷方法[1],采用數(shù)學(xué)模型的判斷方法有著更大適用范圍和更好的控制效果。
模型建立后在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架采用普聯(lián)FC2000臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng),采用HORIBA的MEXA-7100D排氣分析儀、MDLT-1300T顆粒物檢測(cè)儀,DOC、DPF和排氣道燃油系統(tǒng)由天納克公司封裝提供,控制器采用Mototron快速原型開(kāi)發(fā)工具,上位機(jī)采用LabView數(shù)據(jù)采集平臺(tái),通過(guò)CAN通訊與Mototron控制器相連。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架結(jié)構(gòu)如圖4所示。
經(jīng)標(biāo)定后的模型仿真結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 072 r/min、轉(zhuǎn)矩73.2 N·m的工況下進(jìn)行再生,噴油器先進(jìn)行梯度噴射,DOC出口溫度提高到一定程度后,保持某個(gè)噴油脈寬,使得DPF中微粒在大致穩(wěn)定的高溫環(huán)境中再生;待微粒燃燒了一部分、DPF中排氣溫度下降時(shí),再提高噴油脈寬以維持DPF中微粒的高溫燃燒,保證再生效果。再生前DPF上微粒積載量為7 g/L。仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5~圖7所示。從圖5~圖7可以看出,在復(fù)雜的再生過(guò)程中,DOC出口溫度、DPF出口溫度、DPF壓降等重要參數(shù)的仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
傳統(tǒng)的再生控制策略中,在DPF積載達(dá)到再生閾值后,均設(shè)置DOC入口溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)條件作為判斷是否可以進(jìn)行再生的依據(jù)。DOC入口溫度較低時(shí),燃油在DOC中反應(yīng)速率較低,不但增加油耗,還造成嚴(yán)重的2次污染;通常DOC入口溫度高于250℃時(shí),燃油在DOC中反應(yīng)速率較高,可以進(jìn)行再生。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]中都推薦在DOC入口溫度達(dá)到300℃時(shí)進(jìn)行再生。
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高則排氣流量越大,再生過(guò)程中排氣帶走的熱量也越多,再生過(guò)程需要的油耗越大。因此,再生控制策略中一般都會(huì)限制轉(zhuǎn)速不高于某值時(shí)才能進(jìn)行再生。然而,該判斷條件在以下兩種情況下不適合:第1種是高速高轉(zhuǎn)矩工況,由于此時(shí)排氣溫度也很高,如果進(jìn)行再生可能結(jié)果也很好;第2種是高速高轉(zhuǎn)矩工況運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俚娃D(zhuǎn)矩時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度低,DOC入口溫度可能達(dá)不到DOC的起燃溫度,然而此時(shí)DOC和DPF基體溫度還足夠高,如果進(jìn)行再生燃油消耗量會(huì)較小。
對(duì)以上兩種情況分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)工況進(jìn)行再生仿真研究,并與一個(gè)常用工況下的再生過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。
a.高速高轉(zhuǎn)矩工況
模擬汽車(chē)5擋100 km/h速度行駛時(shí)的工況,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 962 r/min,轉(zhuǎn)矩112.4 N·m,此時(shí)的排氣溫度(DOC入口溫度)高達(dá)426℃。在此情況下進(jìn)行再生仿真,其仿真結(jié)果同5擋70km/h工況(2070 r/min,73.2 N·m)的再生進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,高速高轉(zhuǎn)矩工況下噴油再生,由于轉(zhuǎn)速高,排氣流量大,DPF中微粒燃燒產(chǎn)生的熱量很快被帶走,因此再生過(guò)程中DPF最高溫度與DPF入口溫度差別較小,再生安全性較好。高速高轉(zhuǎn)矩工況下再生時(shí)的噴油PWM和對(duì)照組的對(duì)比如圖9所示。由圖9可知,由于高速高轉(zhuǎn)矩工況排氣溫度高,因此升溫時(shí)間短,升溫消耗的燃油少,總體再生油耗由對(duì)照組的102 g降低到85g。
b.排氣溫度和轉(zhuǎn)速均降低時(shí)工況
發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速高溫度工況下運(yùn)行一段時(shí)間后切換到一個(gè)轉(zhuǎn)速和排氣溫度都較低的工況,此時(shí)的排氣溫度(DOC入口溫度)可能達(dá)不到DOC起燃溫度,但是DOC基體還保持在相對(duì)比較高的溫度,即DOC出口溫度依然比較高。
選擇發(fā)動(dòng)機(jī)初始工況模擬5擋113km/h (3 347 r/min,133N·m),之后變?yōu)?4 擋56km/h(2182r/min,45 N·m),再生情況如圖10所示。
由圖10與圖9對(duì)比可知,該工況下噴油再生持續(xù)時(shí)間明顯縮短,噴油量由對(duì)照組的102 g降低到61 g。其原因有2個(gè),其一是開(kāi)始再生時(shí)DOC和DPF基體溫度較高,因此升溫的幅度比較小;其二是再生時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低,排氣流量也較小,氣體帶走的熱量比較少。
由以上兩個(gè)仿真可知,是否適合進(jìn)行再生不能簡(jiǎn)單地用DOC入口溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量,在某些條件下即使DOC入口溫度低于起燃溫度或者發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高,再生依然是可行并且經(jīng)濟(jì)的。因此,需要一個(gè)比較完善的判斷是否可以再生的方法。
首先,DOC出口溫度更加適合作為能否再生的判斷依據(jù)。即使DOC入口溫度達(dá)不到DOC起燃溫度,只要DOC基體溫度足夠高,同樣可以順利起燃并且進(jìn)行再生。而DOC入口溫度也需要考慮。
在保證DOC轉(zhuǎn)化效率的前提下,主要考慮燃油經(jīng)濟(jì)性。此時(shí),可以利用DPF數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,大致估算再生過(guò)程的油耗。但是采用該方法判斷再生是否經(jīng)濟(jì)需要的計(jì)算量較大,比較復(fù)雜,簡(jiǎn)便方法是根據(jù)DOC出口溫度的高低來(lái)決定DOC入口溫度和轉(zhuǎn)速的限制條件。在DOC和DPF基體溫度(接近DOC出口溫度)相對(duì)較高的情況下,放寬DOC入口溫度和轉(zhuǎn)速的限制條件,使得在較低DOC入口溫度、較高轉(zhuǎn)速下也能進(jìn)行再生。具體的限制條件需要在大量仿真和試驗(yàn)基礎(chǔ)上來(lái)設(shè)定。
再生結(jié)束時(shí)刻的準(zhǔn)確判斷對(duì)于降低油耗、減少2次污染都有重要意義。借助DPF壓降數(shù)學(xué)模型可以比較準(zhǔn)確地判斷各個(gè)時(shí)刻的DPF積載量。然而在積載量達(dá)到多少時(shí)停止再生也是一個(gè)很重要的因素。本文選擇不同積載量下限值進(jìn)行仿真研究。
圖11所示為再生徹底后停止噴油結(jié)果示意圖。再生一直進(jìn)行到積載量剩余0.05 g/L,停止噴油后由于DPF溫度沒(méi)有立即下降,因此最終積載量幾乎為零,再生非常徹底。
圖12 所示為提前停止噴油結(jié)果示意圖。在各種因素完全相同的情況下,當(dāng)積載量降低到0.9 g/L時(shí)停止噴油,由于DPF溫度較高,再生繼續(xù)進(jìn)行到積載量為0.3 g/L。
圖11 所示的再生油耗共132.3g,而圖12所示的再生油耗僅為102 g,可見(jiàn)提前結(jié)束再生可以極大減小油耗。在圖11和圖12中,積載量曲線在200s時(shí)有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)(DPF的最高溫度點(diǎn)),拐點(diǎn)處的DPF剩余積載量大約為1.6g/L。在該拐點(diǎn)前,積載量快速下降,微粒燃燒很快;拐點(diǎn)之后微粒燃燒速率明顯下降。在拐點(diǎn)之后盡管進(jìn)入了第2階段的再生,DPF入口溫度提高,但微粒燃燒速率依然比較慢。在圖11中,如果在拐點(diǎn)處停止噴油再生,則油耗為77.1g。
由此可見(jiàn),在再生開(kāi)始階段,DPF積載的微粒一經(jīng)點(diǎn)燃即可快速燃燒,該過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短,消耗燃油也較少。快速燃燒階段結(jié)束后,燃燒速度大大降低,持續(xù)一段時(shí)間才能將剩余的微粒燃燒干凈,該階段消耗燃油量比較大。
因此,適當(dāng)提前結(jié)束噴油再生可以使DPF中殘留部分微粒,增強(qiáng)DPF的過(guò)濾效果,同時(shí)也能大幅節(jié)省再生過(guò)程的油耗。但是,由于再生不徹底,會(huì)造成再生結(jié)束后DPF背壓高,影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作;并且會(huì)縮短再生間隔,使再生更加頻繁,DPF老化加快。綜合考慮以上因素,進(jìn)行不徹底再生或者若干次不徹底再生之后再進(jìn)行一次徹底再生,對(duì)油耗、DPF壽命的影響還需要進(jìn)一步研究。
密歇根科技大學(xué)2003年的論文[4]建議將停止再生的剩余積載量值設(shè)置為最大積載量的20%,而該研究團(tuán)隊(duì)2005年的論文[5]中將停止再生的剩余積載量設(shè)置為最大積載量的10%左右。因此,針對(duì)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng),還需要試驗(yàn)研究來(lái)確定最佳的剩余積載量。
隨著升溫過(guò)程的進(jìn)行,DOC出口溫度越來(lái)越高,DOC入口溫度和轉(zhuǎn)速的限制越來(lái)越寬,即越來(lái)越不容易停止再生。然而,有時(shí)還會(huì)由于工況的劇烈變化使得再生條件不再滿足。比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高,此時(shí)繼續(xù)噴油再生則排氣會(huì)帶走大量熱量,造成比較嚴(yán)重的2次污染和燃油消耗,因此需要停止再生。停止再生后,轉(zhuǎn)速快速下降到適合再生的范圍內(nèi),此時(shí)需要進(jìn)行判斷是否立即繼續(xù)噴油再生。
分以下幾種情況進(jìn)行討論:
a. 在DOC和DPF升溫階段,DPF中微粒尚未開(kāi)始燃燒。該情況下,被迫中止再生后,一旦再生條件滿足,可以立刻進(jìn)行再生。
b.DPF中微粒剛起燃就被迫中止再生。此時(shí)DPF中剩余微粒質(zhì)量≥剩余微粒最大積載量限值(mremain)。當(dāng)再生條件再次滿足時(shí),立即開(kāi)始噴油再生。此時(shí)積載量較大,排氣背壓較大,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響較大;微粒較多時(shí)點(diǎn)燃后可以快速燃燒,再生經(jīng)濟(jì)性較好。
c. 中止再生后DPF中剩余微粒積載量<mremain。此時(shí),再生條件滿足后是否立即進(jìn)行再生還要分兩種情況考慮:DOC和DPF基體已經(jīng)徹底冷卻,即其溫度同排氣溫度相同,則不立即進(jìn)行再生而是等待下次積載量達(dá)到再生閾值時(shí)進(jìn)行再生;DOC和DPF基體溫度依然很高,若再生中止后條件很快再次滿足,則立即繼續(xù)進(jìn)行再生。該溫度閾值還需要進(jìn)一步的仿真和試驗(yàn)研究確定。
由于不徹底再生使排氣背壓較高,發(fā)動(dòng)機(jī)油耗增加,因此確定合適的mremain同時(shí)涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況和后處理系統(tǒng)的研究,比較復(fù)雜。密歇根科技大學(xué)的研究[5]中將mremain設(shè)置為最大積載量的80%,值得參考。
圖13是一次由于轉(zhuǎn)速升高而中斷后又恢復(fù)的再生過(guò)程,可見(jiàn)控制效果良好,順利完成再生。
a. 采用AVL Boost建立發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理系統(tǒng)仿真模型,并在Matlab Simulink中將兩者結(jié)合,形成包含發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、后處理模型和再生控制策略的完整仿真模型。
b.整理了適合應(yīng)用于控制的DOC溫度數(shù)學(xué)模型和DPF壓降數(shù)學(xué)模型。根據(jù)DOC數(shù)學(xué)模型,采用前饋控制和反饋控制結(jié)合的方法,可以比較精確地控制DOC出口溫度;DPF壓降數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)前DPF中的積載量,從而判斷再生開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)機(jī)。該模型仿真結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù),吻合良好。
c. 指出傳統(tǒng)的能否再生的判斷條件過(guò)于簡(jiǎn)單,而根據(jù)DOC出口溫度來(lái)設(shè)置DOC入口溫度和轉(zhuǎn)速的限值是一種更加合理的判斷是否可以進(jìn)行再生的依據(jù)。
d. 對(duì)再生進(jìn)行的徹底程度進(jìn)行研究。再生后期微粒燃燒速度慢,油耗大,適當(dāng)提前結(jié)束噴油再生可以提高DPF的過(guò)濾效果并降低再生油耗。
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