一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計(jì)算方法

李延紅，劉 浩，黃少文，翟霄雁

（中國重型汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)發(fā)展中心，山東 濟(jì)南 250101）

為了滿足國VI排放法規(guī)，柴油機(jī)采用顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）當(dāng)前主流技術(shù)路線，尤其是壁流式DPF能夠大程度降低尾氣中顆粒物排放而應(yīng)用廣泛。DPF的安裝會引起排氣背壓增加，隨著碳載量soot的不斷累積，會引起燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。因此，DPF需要在柴油機(jī)各個工況下不發(fā)生碳顆粒堵塞并且能有效完成碳顆粒的再生清除。

DPF再生分為主動再生和被動再生兩種，主動再生需要用發(fā)動機(jī)后噴或者在DOC前端增加HCI噴射柴油來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)碳載量達(dá)到一定限值時(shí)需要開始主動再生，小于限值時(shí)停止主動再生；被動再生為主的技術(shù)路線，需要在碳載量超標(biāo)時(shí)提醒駕駛員，因此需要精確計(jì)算碳載量。

碳載量試驗(yàn)稱重方法是對空載和加載后的DPF進(jìn)行稱重，但是在車輛實(shí)際運(yùn)行中不能拆卸DPF，該方法不能應(yīng)用到再生判斷中，只能作為碳載量計(jì)算對照值。國內(nèi)外學(xué)者開展了碳載量估算間接方法的研究，文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］研究了利用DPF壓差來計(jì)算碳載量的方法，但是不同后處理大包特性導(dǎo)致DPF壓差并不能完全與碳載量成顯性關(guān)系，通用性不高，在碳載量較小時(shí)誤差較大且沒有做動態(tài)工況試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［3］研究了基于碳載量模型估算碳載量的方法，但是該文原排碳載量沒有考慮DPF過濾效率影響，也沒有考慮再生成功后對碳載量初始值的設(shè)置。

本文提出了一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計(jì)算方法，對原排碳載量增加了DPF過濾效率系數(shù)修正，也增加了再生成功后對碳載量初始值設(shè)置以及DPF稱重后清零邏輯；通過MATLAB／Simulink軟件來實(shí)現(xiàn)模型，并基于CCBC測試循環(huán)和C-WTVC測試循環(huán)來驗(yàn)證。

1 實(shí)現(xiàn)國VI排放的技術(shù)路線

為滿足國VI法規(guī)，本文采取的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案簡圖

催化氧化器DOC可以氧化柴油發(fā)動機(jī)排氣中的HC、CO及SOF，對固體顆粒物PM有一定降低作用，同時(shí)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。

尾氣處理裝置DPF可以吸附柴油發(fā)動機(jī)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用于降低柴油發(fā)動機(jī)排氣中的氮氧NOx量。

按照排氣方向，圖2從右向左依次布置上游PM傳感器、HCI噴射裝置、DOC上游溫度傳感器、DPF上游溫度傳感器、DPF壓差傳感器、SCR上游溫度傳感器、SCR上游NOx傳感器、SCR下游溫度傳感器、SCR下游NOx傳感器、下游PM傳感器。

2 模型建立

柴油機(jī)排放的顆粒物主要由碳煙soot、可溶性有機(jī)物（SOF）和硫酸鹽組成。其中SOF和硫酸鹽的生成量少，且SOF在排氣溫度合適時(shí)會被DOC氧化，因此DPF中捕集的顆粒物成分主要是碳煙soot，本文主要針對碳煙soot累積量進(jìn)行計(jì)算。

2.1 DPF碳載量理論模型建立

將DPF看成一個整體，建立質(zhì)量平衡模型，實(shí)現(xiàn)對DPF碳載量的更新。DPF質(zhì)量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 DPF質(zhì)量平衡示意圖

公式（1）、（2）為理想情況，認(rèn)為DPF入口和出口的排氣體積流量相同，沒有考慮DPF堵塞等情況。圖2中為碳煙在DPF內(nèi)的沉積速率，計(jì)算如公式 （3）所示；m表示沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量。

公式 （3）中E代表捕集器總的捕集過濾效率，計(jì)算如公式 （4）所示：

DPF碳煙質(zhì)量的加載速率等于碳煙質(zhì)量的沉積速率減去碳煙質(zhì)量的氧化速率。其中碳煙顆粒的加載速率可以通過對時(shí)間求導(dǎo)獲得，而碳煙質(zhì)量的再生速率可以通過不同時(shí)刻的碳煙加載質(zhì)量m乘以該時(shí)刻的再生氧化效率KR得到，從而得到微粒捕集器內(nèi)的碳煙質(zhì)量平衡方程，如公式 （5）：

將公式 （3） 帶入公式 （5） 變形為公式 （6）：

公式 （6）可見，單位積分時(shí)間內(nèi)沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量等于DPF入口碳煙soot質(zhì)量流量乘以DPF整體捕集過濾效率減去DPF再生速率。

對公式 （6）積分，得公式 （7）：

由公式 （7）可知，沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量為DPF入口碳煙soot質(zhì)量流量乘以DPF整體捕集過濾效率減去DPF再生速率后再積分。

2.2 基于DPF過濾效率修正的碳載量模型建立

在DPF內(nèi)主要發(fā)生2種碳煙顆粒的氧化反應(yīng)：熱氧化反應(yīng)主動再生和NO2輔助氧化反應(yīng)被動再生，對應(yīng)公式 （7）中KR×m。

根據(jù)公式 （7），本文提出的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型中沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量計(jì)算邏輯簡圖如圖3所示。

圖3 碳煙質(zhì)量計(jì)算邏輯簡圖

圖3 可見，碳載量為模型計(jì)算碳載量質(zhì)量流量積分得到。模型計(jì)算碳載量質(zhì)量流量為沉積質(zhì)量流量減去再生消耗質(zhì)量流量得到。沉積質(zhì)量流量為碳載量原排乘以DPF過濾效率得到。再生消耗質(zhì)量流量為主動再生消耗質(zhì)量流量與被動再生消耗質(zhì)量流量相加得到。

研究表明：中、高負(fù)荷工況，同一工況點(diǎn)瞬態(tài)工況下的soot排放與穩(wěn)態(tài)工況下的soot排放不同。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)會經(jīng)常出現(xiàn)加速和減速的情況，進(jìn)氣系統(tǒng)的反應(yīng)相對于燃油噴射系統(tǒng)存在滯后現(xiàn)象，加速過程時(shí)瞬態(tài)工況下的進(jìn)氣量少于穩(wěn)態(tài)工況，造成過量空氣系數(shù)下降，使噴入缸內(nèi)的燃油得不到充分燃燒，導(dǎo)致soot的瞬態(tài)排放高于穩(wěn)態(tài)排放；減速過程則相反。因此計(jì)算原排碳載量質(zhì)量流量時(shí)應(yīng)考慮穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況，穩(wěn)態(tài)計(jì)算為轉(zhuǎn)速和扭矩查脈譜得到soot原排原始值加溫度EGR率修正，試驗(yàn)表明瞬態(tài)工況下空燃比與soot的有一定關(guān)系。邏輯簡圖如圖4所示。

圖4 原排碳載量質(zhì)量流量計(jì)算邏輯簡圖

按照DPF過濾效率計(jì)算公式需要DPF入口排放濃度與DPF出口排放濃度，但是在實(shí)際應(yīng)用中在DPF入口和出口均沒有測試排放濃度的傳感器，在DOC上游和SCR下游均設(shè)置了PM傳感器。PM傳感器在測量階段的測量電流能反映排氣中碳煙soot的濃度。DPF過濾效率可通過公式 （8）計(jì)算：

主動再生消耗碳載量主要是排氣中的氧氣與DPF的soot發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成CO2、CO，反應(yīng)方程式為：

主動再生消耗碳載量邏輯簡圖如圖5所示。

圖5 主動再生消耗碳載量邏輯簡圖

被動再生消耗碳載量主要是DOC轉(zhuǎn)化后的NO2與DPF的soot發(fā)生持續(xù)氧化還原反應(yīng)，生成CO2、CO和NO，反應(yīng)方程式為：

被動再生消耗碳載量邏輯簡圖如圖6所示。

圖6 被動再生消耗碳載量邏輯簡圖

碳載量積分主要完成模型計(jì)算碳載量質(zhì)量流量積分得到碳載量質(zhì)量，以及增加DPF堵塞或者移除等故障對碳載量質(zhì)量的影響。當(dāng)再生成功時(shí)，碳載量質(zhì)量重置為再生成功初始值。積分比例系數(shù)在無故障時(shí)，僅需要考慮單位換算；當(dāng)DPF堵塞故障發(fā)生時(shí)，積分比例系數(shù)按照堵塞程度增加；當(dāng)DPF移除故障發(fā)生時(shí)，積分比例系數(shù)會減少。

2.3 基于DPF過濾效率修正的碳載量仿真模型構(gòu)建

運(yùn)用MATLAB／Simulink軟件，將圖3碳煙質(zhì)量計(jì)算邏輯簡圖中穩(wěn)態(tài)原排碳載量、瞬態(tài)原排碳載量、DPF過濾效率、主動再生消耗碳載量、被動再生消耗碳載量、碳載量積分模型搭建成完整的DPF碳載量仿真模型，如圖7所示。

圖7 DPF碳載量仿真模型

3 CCBC測試循環(huán)驗(yàn)證

碳加載試驗(yàn)主要是驗(yàn)證DPF碳加載模型與實(shí)際加載是否一致。為了驗(yàn)證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型穩(wěn)態(tài)特性，車輛載荷為17t，測試循環(huán)為CCBC循環(huán)。

CCBC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 CCBC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果

CCBC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果折線圖如圖8所示。

圖8 CCBC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果折線圖

圖8 中縱坐標(biāo)為碳加載量，橫坐標(biāo)為里程。通過表1和圖8的碳加載試驗(yàn)稱重結(jié)果和碳加載模型增長對比數(shù)據(jù)可見，模型計(jì)算較為準(zhǔn)確，偏差約為12%，滿足精度要求。

圖9 CCBC循環(huán)碳煙soot量測試結(jié)果圖

圖10 CCBC循環(huán)碳煙原排soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖11 CCBC循環(huán)被動再生及主動再生soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖12 CCBC循環(huán)DPF上游溫度測試結(jié)果圖

最后一組7個CCBC循環(huán)測試數(shù)據(jù)碳煙soot量測試結(jié)果如圖9~圖12所示。橫坐標(biāo)為測試時(shí)間，縱坐標(biāo)依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質(zhì)量流量、被動再生soot量質(zhì)量流量、主動再生soot量質(zhì)量流量、DPF上游溫度。由于DPF上游溫度偏低，最高溫度僅為300℃左右，碳煙累積循環(huán)過程中O2和soot的氧化反應(yīng)主動再生反應(yīng)溫度條件在500~700℃，主動再生soot量質(zhì)量流量為0；碳煙累積循環(huán)過程中NO2和soot在250~450℃之間會發(fā)生被動再生反應(yīng)，低于250℃被動再生soot量質(zhì)量流量為0。

4 C-WTVC測試循環(huán)驗(yàn)證

為驗(yàn)證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型瞬態(tài)特性，車輛載荷為17t，測試循環(huán)為C-WTVC循環(huán)，海拔為3700m。碳加載試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 C-WTVC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果

由表2對比表1可見，由于測試循環(huán)不同及測試海拔不同，相同里程下實(shí)際碳加載量表2比表1大很多。

C-WTVC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果折線圖如圖13所示。圖13中縱坐標(biāo)為碳加載量，橫坐標(biāo)為里程。通過表2和圖13的碳加載試驗(yàn)稱重結(jié)果和碳加載模型增長對比數(shù)據(jù)可見，模型計(jì)算較為準(zhǔn)確，偏差約為13%，滿足精度要求。

圖13 C-WTVC循環(huán)碳加載試驗(yàn)結(jié)果

選取一組C-WTVC循環(huán)測試數(shù)據(jù)碳煙soot量測試結(jié)果圖如圖14~圖17所示。橫坐標(biāo)為測試時(shí)間，縱坐標(biāo)依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質(zhì)量流量、被動再生soot量質(zhì)量流量、主動再生soot量質(zhì)量流量、DPF上游溫度。

圖14 C-WTVC循環(huán)碳煙soot量測試結(jié)果圖

圖15 C-WTVC循環(huán)碳煙原排soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖16 C-WTVC循環(huán)被動再生及主動再生soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖17 C-WTVC循環(huán)DPF上游溫度測試結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文提出的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型相較于其他碳載量計(jì)算方法而言利用DPF效率修正可以彌補(bǔ)DPF壓差計(jì)算碳載量方法中DPF壓差傳感器在低排氣流量時(shí)偏差過大的不足，也可以彌補(bǔ)碳載量理論計(jì)算方法中DPF堵塞故障及DPF移除故障情況下碳載量依然正常計(jì)算的不足，可以準(zhǔn)確進(jìn)行DPF主動再生觸發(fā)時(shí)刻判斷。CCBC測試循環(huán)和CWTVC測試循環(huán)測試結(jié)果表明，本文的DPF過濾效率修正的碳載量模型計(jì)算的碳載量與實(shí)際稱重的碳載量誤差在12%~13%之間，滿足工程應(yīng)用要求。