石秀勇，蔣得剛，梁云芳，梁鵬飛

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804； 2.中國船舶科學(xué)研究中心，無錫 214000； 3.中船重工第七一一研究所，上海 201804）

前言

柴油機(jī)顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）的再生觸發(fā)機(jī)制與其安全性、可靠性以及發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性等息息相關(guān)。再生觸發(fā)的控制策略不合適，將導(dǎo)致DPF的再生間隔時間波動過大。再生間隔時間過長將導(dǎo)致DPF內(nèi)部固體顆粒物累積過多，造成后處理系統(tǒng)背壓過大，影響發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性；再生間隔時間過短則會引起DPF系統(tǒng)頻繁地處于再生狀態(tài)，一方面由于再生階段的燃油消耗而使整車燃油經(jīng)濟(jì)性惡化，另一方面由于再生階段進(jìn)氣節(jié)流閥、廢氣再循環(huán)（exhaust gas re-circulation，EGR）等發(fā)動機(jī)干預(yù)措施的介入，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量降低、燃燒惡化、動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性下降，甚至對車輛在DPF再生階段的駕駛體驗造成不利影響。

DPF再生觸發(fā)機(jī)制研究的難點(diǎn)在于較為準(zhǔn)確地判斷出DPF內(nèi)部的碳載量并在確保安全性的前提下盡可能地降低再生頻次，以實現(xiàn)更優(yōu)的車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。在現(xiàn)有技術(shù)條件下較難通過直接測量的方式獲取DPF內(nèi)的碳載量，而是通過間接預(yù)測的方法實現(xiàn)對DPF內(nèi)碳載量的監(jiān)控。國內(nèi)外學(xué)者對DPF碳載量預(yù)測技術(shù)的理論分析和模型計算進(jìn)行了較為深入的研究。Konstandopoulos和Johnson［1］最早搭建了針對潔凈狀態(tài)下的壁流式過濾體的一維流動模型和捕集模型，其研究表明潔凈壁流式過濾體的流動阻力主要由過濾體壁面的流動阻力和進(jìn)出口孔道的沿程阻力兩部分組成；王丹［2］和寧智等［3］在該研究的基礎(chǔ)上對潔凈狀態(tài)及碳加載后的DPF壓降進(jìn)行了理論分析，并得到忽略出入口壓降時DPF總體壓降的計算公式；Bai［4］等基于發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)排放、瞬態(tài)排放和化學(xué)反應(yīng)提出了基于模型的再生觸發(fā)方式，溫度及NO2含量對模型精度至關(guān)重要，但基于模型的再生觸發(fā)方式存在開發(fā)周期長、項目開發(fā)投入高、技術(shù)難度大等缺點(diǎn)；Khamonchat［5］等分別運(yùn)用AVL-Boost和GT-Power軟件對不同碳載量下的DPF壓降進(jìn)行了計算，并結(jié)合冷流試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證；Zhang［6］等基于Laminar模型對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下不同粒徑的固體顆粒物捕集情況進(jìn)行了仿真預(yù)測，并結(jié)合臺架穩(wěn)態(tài)試驗對仿真結(jié)果進(jìn)行了校核；Sappok等［7］基于不同碳載量下聲波頻率信號存在差異的特點(diǎn)運(yùn)用聲波頻率傳感器的方式對DPF內(nèi)的固體顆粒物含量進(jìn)行直接測量，但該型傳感器的使用導(dǎo)致系統(tǒng)成本上升，經(jīng)濟(jì)性較差；Yu等［8］對若干工況點(diǎn)DPF內(nèi)的流場分布及熱傳導(dǎo)特性進(jìn)行了仿真計算，對DPF壓降進(jìn)行了預(yù)測；資新運(yùn)等［9］將DPF結(jié)構(gòu)簡化為若干單通道流動管道，建立了DPF的一維流動模型；Konstandopoulos［10］對相關(guān)影響因素進(jìn)行了測試與驗證；Depcik［11］等建立了車用催化劑一維性能仿真模型。

以上研究工作獲得了很多有價值的研究成果，但對于滿足實際工程應(yīng)用的基于流通阻力的DPF碳載量預(yù)測的研究卻涉及較少，本研究中以一臺2.5 L發(fā)動機(jī)為研究對象，對基于流通阻力的再生觸發(fā)方式進(jìn)行了由理論分析到仿真計算再到試驗驗證的系統(tǒng)性研究。

1 基于流通阻力的碳載量預(yù)測原理

基于壓差傳感器測得的壓差值進(jìn)行碳載量預(yù)測，是早期一些廠家采用的一種方式。然而，車輛的實際運(yùn)行工況瞬息萬變，且壓差值受排氣流量、排氣溫度、傳感器安裝位置、管路結(jié)構(gòu)等因素的影響。且車輛的實際使用情況多種多樣，不同車型之間、不同運(yùn)行工況之間、具有不同駕駛習(xí)慣的駕駛員之間都存在著巨大的差異，這導(dǎo)致車輛在DPF積碳速率上存在較大差異，直接作為再生觸發(fā)方式存在誤差偏大的問題。

根據(jù)Konstandopoulos和Johnson［1］提出的潔凈過濾器壓降模型并忽略福希海默爾擴(kuò)展定律的影響，碳加載后DPF壓降可由式（1）近似得出。

式中：ΔpL為碳加載后DPF的整體壓降，kPa；μ為排氣動力黏度，與溫度相關(guān)，可由式（2）計算得出，動力黏度對碳加載后的DPF壓降ΔpL影響較??；QV為排氣體積流量，主要受發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的影響；Vt為過濾體體積；α為過濾體孔道寬度；ωs為過濾體壁厚；k0為潔凈過濾壁面的滲透率；L為過濾體孔道長度。Vt、α、ωs、k0和L由DPF載體的物理結(jié)構(gòu)決定，并受內(nèi)部碳載量的影響，F(xiàn)為摩擦因數(shù)，可取常數(shù)28.454［9］。

由式（1）可知，DPF壓降主要受排氣體積流量、DPF的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部碳載量的影響，當(dāng)DPF的物理結(jié)構(gòu)確定時，DPF壓降與排氣體積流量的比值僅與DPF內(nèi)部碳載量相關(guān)，本文記為流通阻力R，故式（1）可簡化表示為

根據(jù)以上分析，DPF內(nèi)部碳載量與計算得到的流通阻力存在相關(guān)關(guān)系，本文中對該相關(guān)關(guān)系和該計算方法的技術(shù)可行性進(jìn)行仿真分析和試驗研究。

2 碳載量預(yù)測模型研究

為驗證基于流通阻力的碳載量計算方法的技術(shù)可行性，采用GT-Power軟件進(jìn)行建模分析。

2.1 模型的建立與校準(zhǔn)

如圖1所示，仿真模型以氧化型催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）、DPF及其連接管路為研究對象，通過定義進(jìn)入系統(tǒng)的排氣溫度、排氣組分等對DPF的固體顆粒物捕集過程及其壓力變化進(jìn)行仿真計算。

圖1 DOC＋DPF仿真模型

該模型主要由以下幾部分構(gòu)成。

（1）Soot_inlet及其管路系統(tǒng) 此模塊根據(jù)發(fā)動機(jī)臺架采集的排放數(shù)據(jù)，并結(jié)合發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行工況信息查表得到排氣中固體顆粒物的含量。

（2）DOC_Reaction、DOC及DOCMonitor模塊DOC_Reaction模塊用于定義DOC內(nèi)所發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的公式及其摩爾組分比，通過調(diào)整DOC模塊內(nèi)的指前因子、活化能等因子可對DOC內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率及始能溫度等進(jìn)行仿真模擬，DOCMonitor模塊用于對相關(guān)變量進(jìn)行監(jiān)測和實時顯示。

（3）Soot_Regen_Cake、Soot_Regen_Wall、cDPF及cDPFMonitor模塊 該模塊用于定義固體顆粒物分別在碳餅層及深床層的沉積特性，cDPF模塊用于對DPF內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、固體顆粒物的捕集過程及壓力損失進(jìn)行模擬，cDPFMonitor模塊用于對相關(guān)過程和變量進(jìn)行監(jiān)測和實時顯示。

（4）Temperature_Monitor模塊 用于對仿真過程中的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。

模型中涉及的DOC和DPF的基本參數(shù)如表1所示。將發(fā)動機(jī)臺架所采集的潔凈狀態(tài)下DPF的壓差及排氣流量信息與GT-Power模型仿真計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并通過調(diào)整模型參數(shù)對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行校準(zhǔn)，模型的校準(zhǔn)結(jié)果如圖2所示。校準(zhǔn)結(jié)果表明，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，誤差可控制在5%以內(nèi)，該模型精度滿足仿真計算的要求。

表1 DOC及DPF基本參數(shù)

圖2 GT-Power模型校準(zhǔn)結(jié)果

2.2 積碳情況對模型計算結(jié)果的影響

為模擬發(fā)動機(jī)在老化后出現(xiàn)的不同程度的原排惡化情況，并驗證固體顆粒物原排對模型計算結(jié)果的影響，本研究中對不同顆粒物原排下的DPF捕集過程及其壓差表現(xiàn)進(jìn)行了仿真分析。選取某款2.5 L發(fā)動機(jī)在熱態(tài)WHTC循環(huán)工況下的顆粒物原排信息，并逐點(diǎn)乘以系數(shù)（0.5倍、1倍、2倍、3倍加速積碳）后驗證DPF內(nèi)部碳載量與流通阻力之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，流通阻力與碳載量存在對應(yīng)關(guān)系，與加速積碳速率關(guān)系較小。

圖3 加速積碳工況下的流通阻力

以碳載量為4 g／L時的DPF壓差為例，壓差值受發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的影響較大，在0～10 kPa之間劇烈波動，如圖4所示。

圖4 碳載量為4 g／L時的DPF壓差

如表2和圖5所示，DPF流通阻力受發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的影響較小，碳載量為1 g／L時的流通阻力在26.6左右，碳載量為2 g／L時的流通阻力在33.4左右，碳載量為3 g／L時的流通阻力在39.2左右，碳載量為4 g／L時的流通阻力在44.7左右，即在不同的碳載量時，流通阻力具有明顯的可區(qū)分性。

表2 加速積碳工況下的流通阻力

圖5 不同碳載量時的流通阻力

由以上分析可知，雖然積碳速率及DPF內(nèi)部的碳載量存在差異，但碳載量與流通阻力值之間存在較好的一一對應(yīng)關(guān)系。

3 發(fā)動機(jī)臺架試驗研究

為進(jìn)一步驗證本文中所提出的基于流通阻力的碳載量預(yù)測模型的精確度及技術(shù)可行性，進(jìn)行了發(fā)動機(jī)臺架試驗研究。

3.1 試驗系統(tǒng)的建立

圖6所示為發(fā)動機(jī)臺架試驗布置示意圖。本研究以D25TCIF型柴油發(fā)動機(jī)及其所匹配的DOC＋DPF后處理系統(tǒng)為研究對象，對所搭建的基于流通阻力的碳載量預(yù)測模型進(jìn)行試驗研究。

圖6 發(fā)動機(jī)臺架試驗示意圖

試驗所使用的發(fā)動機(jī)為直列四缸、直噴、四沖程、渦輪增壓、高壓共軌柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表3所示。

表3 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

3.2 基于流通阻力的預(yù)測模型的試驗研究

圖7 DPF流通阻力P-V試驗

為驗證基于流通阻力的預(yù)測模型的技術(shù)可行性，設(shè)計了發(fā)動機(jī)臺架P-V試驗，其試驗流程定義如圖7所示，該試驗方法的優(yōu)點(diǎn)是理論上可涵蓋發(fā)動機(jī)運(yùn)行的大部分排氣流量范圍。本研究選取了經(jīng)稱重確定的DPF內(nèi)部碳載量分別為0、0.84、2.06、3.05和3.40 g／L 5種測試工況進(jìn)行試驗研究，發(fā)動機(jī)的循環(huán)噴油量和轉(zhuǎn)矩百分比隨時間的變化情況可根據(jù)表4進(jìn)行定義。對于碳載量更高的試驗工況，由于涉及DPF再生安全性問題，存在DPF燒蝕風(fēng)險，本研究僅進(jìn)行了模型預(yù)測。

表4 DPF流通阻力P-V試驗

在不同碳載量下進(jìn)行P-V試驗的試驗結(jié)果如圖8所示。由試驗數(shù)據(jù)可以看出，通過壓差傳感器讀取的壓差值受到排氣流量和排氣溫度變化等因素的影響，在不同碳載量時，DPF的壓差值隨發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的變化而劇烈變化。基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信息并讀取預(yù)先標(biāo)定入控制器的排氣流量MAP可獲得發(fā)動機(jī)增壓器出口處的排氣流量值，該值經(jīng)信號濾波及延時處理后可得流經(jīng)DPF處的排氣流量值，該延時處理主要考慮排氣流量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化率及后處理系統(tǒng)管路直徑等因素的影響。

圖8 P-V試驗中DPF的壓差特性

經(jīng)計算獲得的DPF壓差與排氣體積流量的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。

由圖9的分析結(jié)果可知：

（1）壓差與排氣體積流量呈線性相關(guān)關(guān)系；

圖9 P-V試驗中DPF壓差與體積流量對應(yīng)關(guān)系

（2）DPF處于不同的碳載量水平時，該線性相關(guān)關(guān)系的曲線斜率存在明顯的可區(qū)分性，當(dāng)碳載量為0 g／L時斜率為0.016 9，當(dāng)碳載量為0.84 g／L時斜率為0.030 4，當(dāng)碳載量為2.06 g／L時斜率為0.036 8，當(dāng)碳載量為3.05 g／L時斜率為0.039 4，當(dāng)碳載量為3.40 g／L時斜率為0.045 7。

根據(jù)式（3）所示的計算方法，上述測試曲線的斜率即為DPF整體壓降與排氣體積流量的比值，乘以1 000后可得不同碳載量下的流通阻力值，可用于DPF再生觸發(fā)機(jī)制。梳理碳載量與流通阻力的對應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果如圖10和圖11所示，該試驗結(jié)果與圖3所示仿真計算結(jié)果吻合度較好。

圖10 DPF碳載量與流通阻力對應(yīng)關(guān)系試驗結(jié)果

圖11 DPF碳載量與流通阻力對應(yīng)關(guān)系試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對照

表5所示為碳載量為0、0.84、2.06、3.05和3.40 g／L時分別對應(yīng)的0.5倍加速積碳、1倍加速積碳、2倍加速積碳、3倍加速積碳工況下的仿真結(jié)果的平均值與試驗結(jié)果的對比分析。由對比結(jié)果可知，當(dāng)碳載量為0、0.84、2.06和3.05 g／L時，仿真結(jié)果的平均值與試驗結(jié)果的誤差在±5%以內(nèi)，誤差較??；當(dāng)碳載量為3.40 g／L時，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的平均值的誤差較大，為-10.3%，誤差的存在與試驗過程中的稱重誤差、環(huán)境溫濕度等對固體顆粒物質(zhì)量的影響等多方面因素有關(guān)。

表5 流通阻力試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

綜上所述，試驗結(jié)果與預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果整體較吻合，該模型可用于預(yù)測DPF內(nèi)部碳載量。

4 結(jié)論

本文中對基于流通阻力的再生觸發(fā)機(jī)制進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真計算和試驗驗證。

（1）建立了基于流通阻力特性的碳載量預(yù)測模型，碳載量與流通阻力值之間具有明確的一一對應(yīng)關(guān)系，模型可有效預(yù)估顆粒捕集器內(nèi)的碳載量。

（2）在瞬態(tài)運(yùn)行工況下，壓差值在較大范圍內(nèi)劇烈變化，但流通阻力值相對較穩(wěn)定。碳載量為1 g／L時，流通阻力介于25.37～28.28之間；碳載量為2 g／L時，流通阻力介于31.98～35.64之間；碳載量為3 g／L時，流通阻力介于37.8～41.04之間；碳載量為4 g／L時，流通阻力介于43.46～46.52之間。

（3）試驗結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的吻合度較好，該預(yù)測模型對DPF內(nèi)部的碳載量估算具有指導(dǎo)意義。當(dāng)碳載量為0、0.84、2.06和3.05 g／L時，發(fā)動機(jī)臺架試驗結(jié)果與仿真結(jié)果較吻合；當(dāng)碳載量為3.40 g／L時，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的偏差為-10.3%。

未來的研究可綜合考慮發(fā)動機(jī)不同燃燒情況對排氣組分的影響、灰分沉積對DPF性能的影響、溫度及濕度等環(huán)境因素對固體顆粒物沉積的影響等多方面因素，搭建更加完善的發(fā)動機(jī)和后處理系統(tǒng)被控對象模型，以期在滿足排放法規(guī)的同時，減少后處理系統(tǒng)開發(fā)的工作量。