一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計算方法

李延紅，劉 浩，黃少文，翟霄雁

（中國重型汽車集團有限公司技術發展中心，山東 濟南 250101）

為了滿足國VI排放法規，柴油機采用顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）當前主流技術路線，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，會引起燃油經濟性惡化。因此，DPF需要在柴油機各個工況下不發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，主動再生需要用發動機后噴或者在DOC前端增加HCI噴射柴油來實現。當碳載量達到一定限值時需要開始主動再生，小于限值時停止主動再生；被動再生為主的技術路線，需要在碳載量超標時提醒駕駛員，因此需要精確計算碳載量。

碳載量試驗稱重方法是對空載和加載后的DPF進行稱重，但是在車輛實際運行中不能拆卸DPF，該方法不能應用到再生判斷中，只能作為碳載量計算對照值。國內外學者開展了碳載量估算間接方法的研究，文獻［1］和文獻［2］研究了利用DPF壓差來計算碳載量的方法，但是不同后處理大包特性導致DPF壓差并不能完全與碳載量成顯性關系，通用性不高，在碳載量較小時誤差較大且沒有做動態工況試驗驗證。文獻［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置。

本文提出了一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計算方法，對原排碳載量增加了DPF過濾效率系數修正，也增加了再生成功后對碳載量初始值設置以及DPF稱重后清零邏輯；通過MATLAB／Simulink軟件來實現模型，并基于CCBC測試循環和C-WTVC測試循環來驗證。

1 實現國VI排放的技術路線

為滿足國VI法規，本文采取的系統方案如圖1所示。

圖1 系統方案簡圖

催化氧化器DOC可以氧化柴油發動機排氣中的HC、CO及SOF，對固體顆粒物PM有一定降低作用，同時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可以吸附柴油發動機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后會產生較大的排氣背壓，需要DPF再生。

選擇性催化還原系統SCR用于降低柴油發動機排氣中的氮氧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

柴油機排放的顆粒物主要由碳煙soot、可溶性有機物（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累積量進行計算。

2.1 DPF碳載量理論模型建立

將DPF看成一個整體，建立質量平衡模型，實現對DPF碳載量的更新。DPF質量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 DPF質量平衡示意圖

公式（1）、（2）為理想情況，認為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內的沉積速率，計算如公式 （3）所示；m表示沉積在DPF內部的碳煙質量。

公式 （3）中E代表捕集器總的捕集過濾效率，計算如公式 （4）所示：

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

將公式 （3） 帶入公式 （5） 變形為公式 （6）：

公式 （6）可見，單位積分時間內沉積在DPF內部的碳煙質量等于DPF入口碳煙soot質量流量乘以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內部的碳煙質量為DPF入口碳煙soot質量流量乘以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內主要發生2種碳煙顆粒的氧化反應：熱氧化反應主動再生和NO2輔助氧化反應被動再生，對應公式 （7）中KR×m。

根據公式 （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內部的碳煙質量計算邏輯簡圖如圖3所示。

圖3 碳煙質量計算邏輯簡圖

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

研究表明：中、高負荷工況，同一工況點瞬態工況下的soot排放與穩態工況下的soot排放不同。實際運行時，柴油機會經常出現加速和減速的情況，進氣系統的反應相對于燃油噴射系統存在滯后現象，加速過程時瞬態工況下的進氣量少于穩態工況，造成過量空氣系數下降，使噴入缸內的燃油得不到充分燃燒，導致soot的瞬態排放高于穩態排放；減速過程則相反。因此計算原排碳載量質量流量時應考慮穩態和瞬態兩種情況，穩態計算為轉速和扭矩查脈譜得到soot原排原始值加溫度EGR率修正，試驗表明瞬態工況下空燃比與soot的有一定關系。邏輯簡圖如圖4所示。

圖4 原排碳載量質量流量計算邏輯簡圖

按照DPF過濾效率計算公式需要DPF入口排放濃度與DPF出口排放濃度，但是在實際應用中在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）計算：

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

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轉化后的NO2與DPF的soot發生持續氧化還原反應，生成CO2、CO和NO，反應方程式為：

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算碳載量質量流量積分得到碳載量質量，以及增加DPF堵塞或者移除等故障對碳載量質量的影響。當再生成功時，碳載量質量重置為再生成功初始值。積分比例系數在無故障時，僅需要考慮單位換算；當DPF堵塞故障發生時，積分比例系數按照堵塞程度增加；當DPF移除故障發生時，積分比例系數會減少。

2.3 基于DPF過濾效率修正的碳載量仿真模型構建

運用MATLAB／Simulink軟件，將圖3碳煙質量計算邏輯簡圖中穩態原排碳載量、瞬態原排碳載量、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測試循環驗證

碳加載試驗主要是驗證DPF碳加載模型與實際加載是否一致。為了驗證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型穩態特性，車輛載荷為17t，測試循環為CCBC循環。

CCBC循環碳加載試驗結果如表1所示。

表1 CCBC循環碳加載試驗結果

CCBC循環碳加載試驗結果折線圖如圖8所示。

圖8 CCBC循環碳加載試驗結果折線圖

圖8 中縱坐標為碳加載量，橫坐標為里程。通過表1和圖8的碳加載試驗稱重結果和碳加載模型增長對比數據可見，模型計算較為準確，偏差約為12%，滿足精度要求。

圖9 CCBC循環碳煙soot量測試結果圖

圖10 CCBC循環碳煙原排soot量質量流量測試結果圖

圖11 CCBC循環被動再生及主動再生soot量質量流量測試結果圖

圖12 CCBC循環DPF上游溫度測試結果圖

最后一組7個CCBC循環測試數據碳煙soot量測試結果如圖9~圖12所示。橫坐標為測試時間，縱坐標依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質量流量、被動再生soot量質量流量、主動再生soot量質量流量、DPF上游溫度。由于DPF上游溫度偏低，最高溫度僅為300℃左右，碳煙累積循環過程中O2和soot的氧化反應主動再生反應溫度條件在500~700℃，主動再生soot量質量流量為0；碳煙累積循環過程中NO2和soot在250~450℃之間會發生被動再生反應，低于250℃被動再生soot量質量流量為0。

4 C-WTVC測試循環驗證

為驗證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型瞬態特性，車輛載荷為17t，測試循環為C-WTVC循環，海拔為3700m。碳加載試驗結果如表2所示。

表2 C-WTVC循環碳加載試驗結果

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

C-WTVC循環碳加載試驗結果折線圖如圖13所示。圖13中縱坐標為碳加載量，橫坐標為里程。通過表2和圖13的碳加載試驗稱重結果和碳加載模型增長對比數據可見，模型計算較為準確，偏差約為13%，滿足精度要求。

圖13 C-WTVC循環碳加載試驗結果

選取一組C-WTVC循環測試數據碳煙soot量測試結果圖如圖14~圖17所示。橫坐標為測試時間，縱坐標依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質量流量、被動再生soot量質量流量、主動再生soot量質量流量、DPF上游溫度。

圖14 C-WTVC循環碳煙soot量測試結果圖

圖15 C-WTVC循環碳煙原排soot量質量流量測試結果圖

圖16 C-WTVC循環被動再生及主動再生soot量質量流量測試結果圖

圖17 C-WTVC循環DPF上游溫度測試結果圖

5 結論

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算方法而言利用DPF效率修正可以彌補DPF壓差計算碳載量方法中DPF壓差傳感器在低排氣流量時偏差過大的不足，也可以彌補碳載量理論計算方法中DPF堵塞故障及DPF移除故障情況下碳載量依然正常計算的不足，可以準確進行DPF主動再生觸發時刻判斷。CCBC測試循環和CWTVC測試循環測試結果表明，本文的DPF過濾效率修正的碳載量模型計算的碳載量與實際稱重的碳載量誤差在12%~13%之間，滿足工程應用要求。