楊闖，陳靜，殷志雄，張亮，劉志艷

(江西五十鈴發(fā)動機(jī)有限公司，江西南昌 330200)

0 引言

中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的輕型汽車污染物國五排放標(biāo)準(zhǔn)相比國四排放標(biāo)準(zhǔn)提升了82%的顆粒物質(zhì)量(Particulate Matter，PM)限值，并新增了顆粒物數(shù)量(Particulate Number，PN)限值[1]。為此，為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)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(shù)路線的標(biāo)定工作復(fù)雜，因為需要整機(jī)臺架標(biāo)定與整車標(biāo)定技術(shù)的集成與融合，其中包括碳載量的標(biāo)定[2]。DPF不斷積累顆粒物使得排氣背壓升高，進(jìn)而會對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性產(chǎn)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(zhǔn)確地預(yù)估DPF中的碳加載量可讓車輛成功進(jìn)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(chǎn)生的偏差，國內(nèi)多位學(xué)者基于臺架穩(wěn)態(tài)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(jī)制、常規(guī)的基于壓降數(shù)學(xué)模型的計算碳載量的方法及公式，并對車輛進(jìn)行不同環(huán)境溫度、不同海拔、不同運(yùn)行工況的實際道路驗證，以進(jìn)行碳載模型精度的檢驗，為日后車輛的量產(chǎn)投入市場提供更多的理論支撐和依據(jù)，故此試驗研究有著重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗車輛介紹

試驗用車輛的基本參數(shù)如表1所示。為滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)，試驗車輛搭載DOC+DPF組成的后處理系統(tǒng)。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(shù)

試驗過程中4輛DPF路試車均安裝BOSCH的互聯(lián)控制單元(Connect Control Unit，CCU)。CCU通過車載通信總線連接車輛，3G網(wǎng)絡(luò)以每1 s的間隔對車輛進(jìn)行實時監(jiān)控，并自動將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至BOSCH的運(yùn)營系統(tǒng)，從而可實現(xiàn)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(shù)據(jù)包括用于后處理系統(tǒng)標(biāo)定相關(guān)的廢氣中O2質(zhì)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(jī)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(jī)制：布朗擴(kuò)散、直接攔截和慣性碰撞[7]。

布朗擴(kuò)散為細(xì)小的顆粒物在柴油機(jī)排氣氣流中受高溫氣體分子的碰撞而作的布朗運(yùn)動，導(dǎo)致脫離原先的氣流方向而向任意方向隨機(jī)運(yùn)動。氣流流線上無捕集體時排氣氣流中的微粒濃度呈現(xiàn)均勻分布，氣流流線上出現(xiàn)捕集體后，微粒的運(yùn)動方向?qū)⒂稍瓪饬髁骶€方向轉(zhuǎn)而匯集在捕集體周圍，造成排氣中微粒產(chǎn)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(yùn)動，從而實現(xiàn)布朗擴(kuò)散的捕集效應(yīng)。直接攔截認(rèn)為微粒只有大小沒有質(zhì)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(jī)微粒遠(yuǎn)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(jī)排放的細(xì)小微粒作用會較弱，但攔截作用效果的增強(qiáng)可通過微粒被捕集在過濾體壁內(nèi)而使壁面上形成致密的濾層體現(xiàn)，顯然，DPF捕集的后期主要捕集機(jī)制是直接攔截。慣性碰撞認(rèn)為微粒只有質(zhì)量沒有體積，質(zhì)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(jī)制同時起作用。理論上存在一個微粒直徑區(qū)間，微粒粒徑小于區(qū)間下限時以布朗擴(kuò)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(qū)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(qū)間內(nèi)，3種機(jī)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(fā)主動再生的控制參數(shù)，因此如何由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度、排氣黏度和DPF壓降等參數(shù)準(zhǔn)確地預(yù)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(shù)關(guān)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(zhì)量流量和灰分體積計算灰分體積產(chǎn)生的壓力差系數(shù)，實測壓力差值與壓力差系數(shù)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(jìn)出口摩擦三部分引起的壓降總成，其表達(dá)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(jìn)出口摩擦引起的壓降。

式(1)中Δpwall可由達(dá)西定律獲得：

(2)

其中：Kt是DPF壁面滲透率；Forchheimer系數(shù)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(zhì)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(tài)方程獲得，如式(5)所示。

(4)

(5)

廢氣中常規(guī)的氣態(tài)物有氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、水(H2O)、氮?dú)?N2)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)和碳?xì)浠衔?HC)，廢氣黏度μ是廢氣溫度和排氣中各物質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)的函數(shù)，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(zhì)，MWi和MWj為8種物質(zhì)的分子量。

式(1)中Δpcake可表示為：

(10)

濾餅層的PM質(zhì)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(shù)，值為0.667；U表示進(jìn)口速度；F值與雷諾數(shù)Re相關(guān)。

將式(2)、(12)和(15)代入式(1)得：

(16)

轉(zhuǎn)換式(16)可得濾餅層上PM質(zhì)量有：

(17)

其中，式(17)中3個系數(shù)的公式如下：

濾紙層的過濾效率近98%，大約2%的PM質(zhì)量粘到DPF的壁面上，大約1%的PM質(zhì)量隨廢氣排出DPF本體[9]，因此由式(17)計算得出的質(zhì)量可看作是排放的總PM質(zhì)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(qū)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(tài)結(jié)果分別如圖2—圖4所示，每幅圖截取路試數(shù)據(jù)的900 s，縱坐標(biāo)包括車速、進(jìn)氣量和DPF入口溫度T5。試驗數(shù)據(jù)由CCU自動傳輸至BOSCH的運(yùn)營系統(tǒng)，試驗結(jié)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(shù)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(xiàn)多次停車等紅燈情況，從圖2可看出，進(jìn)氣量多次出現(xiàn)峰值，從車速數(shù)據(jù)看，車輛的多次停止后加速使得進(jìn)氣量多次出現(xiàn)峰值現(xiàn)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(qū)工況介紹

圖3展示的是郊區(qū)工況下3個參數(shù)值的變化趨勢。BOSCH給出的郊區(qū)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(qū)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(shù)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(wěn)定區(qū)域空氣量表現(xiàn)出多次起伏的現(xiàn)象，這多為司機(jī)駕駛車輛上下坡時油門踩的程度出現(xiàn)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(yīng)的發(fā)動機(jī)MAP區(qū)域的平均噴油量高于郊區(qū)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(qū)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(yù)估DPF質(zhì)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(zhǔn)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(jìn)行兩次強(qiáng)制再生，之后稱重DPF得空載DPF的初始質(zhì)量。試驗用電子秤型號為美國華志PTQ-A15，稱量精度達(dá)0.1 g，且能在低溫下保持良好的測量精度，稱量前使用標(biāo)準(zhǔn)5 kg砝碼作為參考質(zhì)量校核稱，并記錄砝碼質(zhì)量。

4.2 路試結(jié)果驗證

考慮安全裕度，實際標(biāo)定的城市工況再生里程是1 000 km，郊區(qū)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(fā)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(nèi)即滿足要求。

表2 路試地點

4.2.1 夏季高原與平原數(shù)據(jù)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(qū)工況的平均再生里程為864 km，襄陽的城市工況、郊區(qū)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(qū)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(shù)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(jié)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(tài)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(xù)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(qū)的DPF稱量值與模型計算值偏差值在正常允許范圍內(nèi)。

圖5 夏季兩個地區(qū)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(shù)據(jù)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(qū)工況的再生均為里程模型觸發(fā)再生，即再生里程均為1 000 km，根河的城市工況、郊區(qū)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(qū)工況的再生里程平均為934 km，3個地區(qū)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(zhì)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(shù)據(jù)顯示在高累碳數(shù)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(nèi)部燒結(jié)的風(fēng)險。3個地區(qū)的DPF稱量值與模型計算值偏差值在正常允許范圍內(nèi)。

圖8 冬季3個地區(qū)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(huán)境溫度地區(qū)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(jié)論

(1)將公式(16)或(17)這一DPF碳載量的算法編入ECU中，連同發(fā)動機(jī)的MAP數(shù)據(jù)可讓車輛在適當(dāng)?shù)臅r候成功進(jìn)行再生；

(2)經(jīng)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(nèi)，可支持車輛量產(chǎn)投入市場。