輕型柴油車DPF碳載量的計算與路試驗證

楊闖，陳靜，殷志雄，張亮，劉志艷

(江西五十鈴發動機有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

中華人民共和國環境保護部發布的輕型汽車污染物國五排放標準相比國四排放標準提升了82%的顆粒物質量(Particulate Matter，PM)限值，并新增了顆粒物數量(Particulate Number，PN)限值[1]。為此，為滿足排放標準的要求，輕型柴油車搭載顆粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)。DPF這一技術路線的標定工作復雜，因為需要整機臺架標定與整車標定技術的集成與融合，其中包括碳載量的標定[2]。DPF不斷積累顆粒物使得排氣背壓升高，進而會對柴油機的動力性、經濟性和排放性產生影響[3]，因此為消除DPF過載帶來的整車性能惡化的影響，準確地預估DPF中的碳加載量可讓車輛成功進入再生。實際過程中，DPF中的碳載量無法直接獲得，多為通過獲取DPF不同流阻下前后的壓差值換算成碳載量[4]，為消除這種方法在低排氣流量下產生的偏差，國內多位學者基于臺架穩態試驗，建立了由soot加載模型、O2氧化模型、NO2氧化模型組成的DPF碳載量計算模型[5-6]。

作者闡述常用的壁流式捕集器的捕集機制、常規的基于壓降數學模型的計算碳載量的方法及公式，并對車輛進行不同環境溫度、不同海拔、不同運行工況的實際道路驗證，以進行碳載模型精度的檢驗，為日后車輛的量產投入市場提供更多的理論支撐和依據，故此試驗研究有著重要的現實意義。

1 試驗車輛介紹

試驗用車輛的基本參數如表1所示。為滿足國五排放標準，試驗車輛搭載DOC+DPF組成的后處理系統。試驗車輛的DPF的載體為堇青石蜂窩陶瓷載體(尺寸φ118.4 mm×152.4 mm)，涂層為以氧化鋁為主的氧化性涂層。

表1 車輛基本參數

試驗過程中4輛DPF路試車均安裝BOSCH的互聯控制單元(Connect Control Unit，CCU)。CCU通過車載通信總線連接車輛，3G網絡以每1 s的間隔對車輛進行實時監控，并自動將所采集的數據傳輸至BOSCH的運營系統，從而可實現車輛管理、車輛診斷等一系列操作功能。試驗車搭載的后處理裝置示意圖如圖1所示，CCU保存的數據包括用于后處理系統標定相關的廢氣中O2質量流量、DOC前溫度T4、DPF前溫度T5和DPF的壓力差Δp等。

圖1 后處理裝置示意圖

2 DPF捕集機制

壁流式微粒捕集器在捕集顆粒物的過程中主要有3種捕集機制：布朗擴散、直接攔截和慣性碰撞[7]。

布朗擴散為細小的顆粒物在柴油機排氣氣流中受高溫氣體分子的碰撞而作的布朗運動，導致脫離原先的氣流方向而向任意方向隨機運動。氣流流線上無捕集體時排氣氣流中的微粒濃度呈現均勻分布，氣流流線上出現捕集體后，微粒的運動方向將由原氣流流線方向轉而匯集在捕集體周圍，造成排氣中微粒產生濃度梯度，微粒將從低濃度位置向已捕集的高濃度位置方向運動，從而實現布朗擴散的捕集效應。直接攔截認為微粒只有大小沒有質量，不同大小的微粒隨著排氣的流線流動時，微粒與捕集體表面接觸而被攔截，前提是微粒的半徑大于等于微粒所在的流線到捕集體的距離。實際上直徑低于1 μm的柴油機微粒遠小于直徑10 μm的濾芯微孔，因此過濾體的攔截作用對于柴油機排放的細小微粒作用會較弱，但攔截作用效果的增強可通過微粒被捕集在過濾體壁內而使壁面上形成致密的濾層體現，顯然，DPF捕集的后期主要捕集機制是直接攔截。慣性碰撞認為微粒只有質量沒有體積，質量較大的微粒在氣流拐彎時來不及跟隨流線穿過捕集體，從而脫離原流線方向而被捕集到捕集體上。DPF捕集顆粒物時往往是3種捕集機制同時起作用。理論上存在一個微粒直徑區間，微粒粒徑小于區間下限時以布朗擴散為主，綜合捕集效率隨微粒粒徑減小而升高；微粒粒徑大于區間上限時，以直接攔截和慣性碰撞為主，綜合捕集效率隨微粒粒徑增大而升高；微粒粒徑處于區間內，3種機制共同作用且相互制約使綜合捕集效率存在最小值。

3 DPF碳載量的計算

目前DPF的再生控制策略多以碳載量作為觸發主動再生的控制參數，因此如何由發動機轉速、負荷、排氣溫度、排氣黏度和DPF壓降等參數準確地預估DPF碳載量將決定再生控制策略的精確性。計算的碳載量是廢氣體積流量與總壓差的函數關系，其計算方法可表述為：由壓力傳感器測得DPF前后的壓力差值，由廢氣質量流量和灰分體積計算灰分體積產生的壓力差系數，實測壓力差值與壓力差系數相乘得修正后的壓力差，廢氣體積流量用于修正非線性壓力損失給流阻帶來的影響，最后由廢氣體積流量和修正后的壓力差得到碳載量。

基于壓降計算DPF碳載量的方法如下[8]：

DPF前后總壓降由DPF壁面、PM濾餅層和DPF進出口摩擦三部分引起的壓降總成，其表達式如公式(1)：

Δptotal=Δpwall+Δpcake+Δpfriction

(1)

其中：Δptotal為DPF前后的總壓降；Δpwall為DPF壁面引起的壓降；Δpcake為PM濾餅層引起的壓降；Δpfriction為DPF進出口摩擦引起的壓降。

式(1)中Δpwall可由達西定律獲得：

(2)

其中：Kt是DPF壁面滲透率；Forchheimer系數β因堇青石蜂窩陶瓷載體50%的低孔隙度而可近似為0；Ws是基面厚度；vw是壁面流動速度，可由式(3)得出；μ是廢氣黏度，可由式(6)得出。

(3)

其中：廢氣體積流量Q由廢氣質量流量除以廢氣密度獲得，如式(4)所示；廢氣密度由理想氣體狀態方程獲得，如式(5)所示。

(4)

(5)

廢氣中常規的氣態物有氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、氮氣(N2)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)和碳氫化合物(HC)，廢氣黏度μ是廢氣溫度和排氣中各物質摩爾分數的函數，其計算公式如式(6)所示：

(6)

其中：

(7)

(8)

(9)

其中：公式(6)—(9)中i和j均指代的是廢氣中8種物質，MWi和MWj為8種物質的分子量。

式(1)中Δpcake可表示為：

(10)

濾餅層的PM質量可表示為：

mcake=4naLwρcake

(11)

由式(3)、式(10)和式(11)可得：

(12)

式(10)—(12)中:Kp表示濾紙層滲透率；w表示濾餅層厚度。

式(1)中Δpfriction可表示為：

(13)

其中：

(14)

由式(13)和(14)可得：

(15)

式(13)—(15)中:ξ表示摩擦壓降的修正系數，值為0.667；U表示進口速度；F值與雷諾數Re相關。

將式(2)、(12)和(15)代入式(1)得：

(16)

轉換式(16)可得濾餅層上PM質量有：

(17)

其中，式(17)中3個系數的公式如下：

濾紙層的過濾效率近98%，大約2%的PM質量粘到DPF的壁面上，大約1%的PM質量隨廢氣排出DPF本體[9]，因此由式(17)計算得出的質量可看作是排放的總PM質量。

4 DPF碳載量的路試驗證

4.1 DPF路試車試驗工況的介紹

整個試驗工況涵蓋車輛正常行駛能遇到的典型路況，由城市工況、郊區工況、高速工況組成，覆蓋夏季與冬季、高原與平原，其正常路試瞬態結果分別如圖2—圖4所示，每幅圖截取路試數據的900 s，縱坐標包括車速、進氣量和DPF入口溫度T5。試驗數據由CCU自動傳輸至BOSCH的運營系統，試驗結果由再生里程和模型精度來評價。

4.1.1 DPF路試車的城市工況介紹

圖2展示的是城市工況下3個參數值的變化趨勢。BOSCH給出的城市工況最高車速要求不高于50 km/h，實際道路平均車速41.3 km/h，因城市工況會出現多次停車等紅燈情況，從圖2可看出，進氣量多次出現峰值，從車速數據看，車輛的多次停止后加速使得進氣量多次出現峰值現象。DPF前的溫度T5平均值為223.1 ℃。

圖2 城市工況

4.1.2 DPF路試車的郊區工況介紹

圖3展示的是郊區工況下3個參數值的變化趨勢。BOSCH給出的郊區工況最高車速要求不高于80 km/h，實際道路平均車速67.6 km/h，DPF前的溫度T5平均值293.1 ℃。

圖3 郊區工況

4.1.3 DPF路試車的高速工況介紹

圖4展示的是高速工況下3個參數值的變化趨勢。BOSCH給出的高速工況最高車速要求不高于120 km/h，實際道路平均車速92.5 km/h，在車速相對穩定區域空氣量表現出多次起伏的現象，這多為司機駕駛車輛上下坡時油門踩的程度出現輕微差異引起。DPF前的溫度T5平均值331.3 ℃。從3種工況對比可得出，車輛速度越大，正常模式下T5平均值越高。這主要是由于車輛處于高速工況時，對應的發動機MAP區域的平均噴油量高于郊區工況高于城市工況。

圖4 高速工況

4.1.4 DPF稱重介紹

DPF稱重要求是城市工況每200 km稱一次，郊區工況和高速工況每400 km稱一次，稱量的目的是為了驗證模型預估DPF質量的精度，即模型計算值與實際DPF稱重值的差異。試驗開始前需獲得空載DPF的基準值，實際操作是車輛先開100 km左右，使用INCA軟件對車輛的DPF進行兩次強制再生，之后稱重DPF得空載DPF的初始質量。試驗用電子秤型號為美國華志PTQ-A15，稱量精度達0.1 g，且能在低溫下保持良好的測量精度，稱量前使用標準5 kg砝碼作為參考質量校核稱，并記錄砝碼質量。

4.2 路試結果驗證

考慮安全裕度，實際標定的城市工況再生里程是1 000 km，郊區工況再生里程是1 000 km，高速工況再生里程是800 km，該擬合的再生里程作為里程模型觸發的路徑。路試地點選取如表2所示。DPF稱量值與模型計算值偏差在-20%～30%以內即滿足要求。

表2 路試地點

4.2.1 夏季高原與平原數據驗證

圖5為夏季高原與平原再生里程圖，可看出：格爾木郊區工況的平均再生里程為864 km，襄陽的城市工況、郊區工況和高速工況的平均再生里程分別為808、659和668 km，兩個地區的再生里程均滿足試驗要求。圖6和圖7分別為夏季格爾木和襄陽的DPF稱量值與模型計算值的偏差圖。由圖6可看出：除個別極低碳數偏差超限外，格爾木的DPF稱量值與模型計算值偏差為-11.4%～21.4%，個別點偏差較大的原因為所稱量的點為再生剛結束的時刻，此時模型顯示再生后的碳載量為0 g，但實際上由于再生效率80%+，即DPF累滿狀態下再生后會有6.2 g以下的顆粒殘余量，從而使得這些稱量點偏差很大，后續附圖中所顯示的偏差點也為該原因。由圖7可看出：襄陽的DPF稱量值與模型計算值偏差為-19.7%～28.0%，兩個地區的DPF稱量值與模型計算值偏差值在正常允許范圍內。

圖5 夏季兩個地區的再生里程

圖6 格爾木DPF稱量值與模型計算值偏差

圖7 襄陽DPF稱量值與模型計算值偏差

4.2.2 冬季高原、高寒與平原數據驗證

圖8為冬季高原、高寒與平原再生里程圖，可看出：格爾木的城市工況和郊區工況的再生均為里程模型觸發再生，即再生里程均為1 000 km，根河的城市工況、郊區工況和高速工況的平均再生里程分別為996、948和753 km，南昌的郊區工況的再生里程平均為934 km，3個地區的再生里程均滿足試驗要求。圖9—圖11分別為冬季格爾木、根河和南昌的DPF稱量值與模型計算值的偏差圖。由圖9可看出：除兩個極低顆粒質量偏差大外，格爾木的DPF稱量值與模型計算值偏差為-13.3%～28.5%。由圖10可看出：根河的DPF稱量值與模型計算值偏差為-17.2%～29.3%。由圖11可看出：南昌的DPF稱量值與模型計算值偏差為-14.3%～27.1%。多組數據顯示在高累碳數時模型計算值處于正偏差，即模型值高于稱量值，這有利于DPF再生時的中心溫度不會因模型低估而升高明顯，從而避免了DPF內部燒結的風險。3個地區的DPF稱量值與模型計算值偏差值在正常允許范圍內。

圖8 冬季3個地區的再生里程

圖9 格爾木DPF稱量值與模型計算值偏差

圖10 根河DPF稱量值與模型計算值偏差

圖11 南昌DPF稱量值與模型計算值偏差

總之，不同海拔、不同環境溫度地區的路試試驗均驗證DPF碳載量的模型精度滿足實際路況要求。

5 結論

(1)將公式(16)或(17)這一DPF碳載量的算法編入ECU中，連同發動機的MAP數據可讓車輛在適當的時候成功進行再生；

(2)經過夏季高原與平原，冬季高原、高寒與平原，不同車輛行駛工況的驗證，再生里程及模型估計DPF碳載量的精度均處于可接受的正常允許范圍內，可支持車輛量產投入市場。