馮海浩，李杰，王霞，于佳

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

柴油機(jī)由于其強(qiáng)大的動(dòng)力性、良好的經(jīng)濟(jì)性和較高的可靠性被廣泛應(yīng)用。相較于國(guó)五排放法規(guī)，國(guó)六排放法規(guī)大幅降低PM排放限值，瞬態(tài)排放要求由0.03 g/(kW·h)降低到0.01 g/(kW·h)，穩(wěn)態(tài)排放要求由0.02 g/(kW·h)降低到0.01 g/(kW·h)，并且新增了顆粒數(shù)的要求。僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化已無(wú)法滿足排放法規(guī)的要求。柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF，Diesel Particulate Filter)能夠有效降低柴油機(jī)的顆粒物排放(PM、PN)，捕集效率可達(dá)95%以上，是柴油機(jī)滿足嚴(yán)格國(guó)六法規(guī)要求必備的后處理裝置之一。然而，炭煙顆粒不斷地在 DPF 載體上沉積，會(huì)造成排氣阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性惡化，因此，對(duì) DPF 進(jìn)行再生，清除內(nèi)部炭煙是十分必要的。

DPF標(biāo)定的最大難點(diǎn)為DPF炭載量的準(zhǔn)確預(yù)估和炭載量的消除。消除炭載量有主動(dòng)再生和涂覆催化劑的被動(dòng)再生兩種方法，兩種方法均需要柴油機(jī)氧化催化器(DOC，Diesel Oxidation Catalyst)配合，DOC的主要作用是將NO氧化為NO，進(jìn)而氧化HC，為DPF提溫。被動(dòng)再生相比于主動(dòng)再生優(yōu)勢(shì)明顯,被動(dòng)再生溫度較低，且不需要額外的HC噴射，通過(guò)搭建合適的控制策略，既能夠保證消除DPF中積累的炭載量，還能夠避免高溫帶來(lái)的危害，延長(zhǎng)后處理裝置的使用壽命，保證一定的經(jīng)濟(jì)性。為保證被動(dòng)再生的速率，通常在DPF上涂覆貴金屬Pt和Pd，形成氧化催化柴油機(jī)顆粒捕集器(CDPF，Catalyzed Diesel Particulate Filter)。

針對(duì)CDPF被動(dòng)再生的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。張波采用基于Arrhenius 方程的模型方法，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)部分被動(dòng)再生適用工況，在此基礎(chǔ)上提出了基于炭載量預(yù)測(cè)模型、發(fā)動(dòng)機(jī)被動(dòng)再生 MAP 圖和發(fā)動(dòng)機(jī)排溫管理的被動(dòng)再生控制策略簡(jiǎn)單構(gòu)想。鄒莉等基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立CDPF一維反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)CDPF 的壓降和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了研究，并對(duì)再生反應(yīng)模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定及驗(yàn)證。褚國(guó)良等在一臺(tái)重型柴油機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于Arrhenius 方程的CDPF被動(dòng)再生化學(xué)反應(yīng)模型，標(biāo)定后的 CDPF 被動(dòng)再生模型能夠很好地預(yù)測(cè)CDPF中炭煙被NO氧化的反應(yīng)速率。李青等對(duì)堇青石和碳化硅(SiC)兩種載體材料進(jìn)行了CDPF 再生平衡點(diǎn)溫度臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)比了兩種載體材料 CDPF 在不同炭載量下的高溫極限被動(dòng)再生特性。Kong等通過(guò)晶格玻爾茲曼法(LBM)對(duì) DPF 通道內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象和炭煙沉積現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了催化劑對(duì)壓降特性的影響及炭煙與催化劑層的接觸比對(duì)再生效率的影響。Haralampous等研究了入口溫度對(duì)被動(dòng)再生特性的影響，結(jié)果表明CDPF 在入口溫度為300～400 ℃時(shí)再生速率最高。Kotrba等通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下催化劑涂覆量、有無(wú)柴油氧化催化器、炭載量和溫度等對(duì)被動(dòng)再生速率的影響。本研究針對(duì)CDPF標(biāo)定的難點(diǎn)，制定了合理的CDPF控制策略，并在Simulink中搭建了CDPF被動(dòng)再生控制模型，經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)的驗(yàn)證，該模型可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)CDPF內(nèi)的炭載量。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)為濰柴動(dòng)力股份有限公司某重型發(fā)動(dòng)機(jī)，后處理采用DOC+CDPF+SCR的高效路線，排放滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為內(nèi)燃機(jī)國(guó)家可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)儀器儀表包括HORIBA氣體排放設(shè)備、AVL顆粒排放設(shè)備、AVL 483煙度儀、AVL油耗儀、AVL燃油溫控儀和AVL進(jìn)氣流量計(jì)。

表1 柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

臺(tái)架試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。DOC位于CDPF前，DOC前還有一個(gè)HC噴射系統(tǒng)，此系統(tǒng)的作用是當(dāng)炭載量超過(guò)被動(dòng)再生能夠處理的限值時(shí)觸發(fā)主動(dòng)再生，清除CDPF的炭載量。CDPF兩端安裝一個(gè)壓差傳感器，DOC前端和CDPF前端分別安裝一個(gè)溫度傳感器。DOC和CDPF的貴金屬Pt與Pb的配比均為5∶1，DOC和CDPF的體積分別為6.48 L和11.11 L。

圖1 臺(tái)架試驗(yàn)布置示意圖

本研究提出了一種被動(dòng)再生的控制策略，在Matlab/Simulink中搭建了炭載量計(jì)算模型，然后結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)完成輔助熱管理和炭載量模型的標(biāo)定，并對(duì)炭載量模型的精確度和被動(dòng)再生控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，最后進(jìn)行了整車試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 被動(dòng)再生控制策略及炭載量模型搭建

CDPF被動(dòng)再生的技術(shù)難點(diǎn)主要有控制策略的開(kāi)發(fā)、炭載量的準(zhǔn)確預(yù)估以及溫度的合理控制。本研究通過(guò)控制策略、炭載量計(jì)算模型與數(shù)據(jù)標(biāo)定相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了炭載量的精準(zhǔn)預(yù)估，只觸發(fā)被動(dòng)再生便可滿足整車運(yùn)行的消炭需求。

2.1 被動(dòng)再生控制策略

合理的控制策略是被動(dòng)再生技術(shù)的核心，本研究提出了一種被動(dòng)再生控制策略，通過(guò)輔助熱管理的方式來(lái)控制CDPF的被動(dòng)再生速率，詳細(xì)的控制策略如圖2所示。

圖2 被動(dòng)再生控制策略示意圖

如圖2所示，縱坐標(biāo)從上到下共有4個(gè)閾值。閾值A(chǔ)表示被動(dòng)再生炭載量保護(hù)限值，當(dāng)CDPF內(nèi)的炭載量超過(guò)閾值A(chǔ)時(shí)，僅靠被動(dòng)再生已經(jīng)無(wú)法消掉CDPF里的積炭，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和CDPF的安全，此時(shí)會(huì)觸發(fā)主動(dòng)再生，通過(guò)HC噴射系統(tǒng)(DPM)噴射額外的柴油并與原機(jī)燃油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的方式來(lái)快速提升排氣溫度，達(dá)到快速清除積炭的目的。

閾值B為被動(dòng)再生觸發(fā)限值，當(dāng)CDPF內(nèi)的炭載量超過(guò)閾值B時(shí)，觸發(fā)被動(dòng)再生熱管理，通過(guò)原機(jī)輔助熱管理合理控制溫度，使溫度保持在被動(dòng)再生的高效窗口。原機(jī)熱管理的主要方式有降低軌壓和提前角、減少進(jìn)氣量和近后噴等方式。

閾值C為CDPF被動(dòng)再生熱管理退出的限值，當(dāng)CDPF內(nèi)的炭載量高于閾值B時(shí)，觸發(fā)CDPF被動(dòng)再生熱管理，發(fā)動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行在被動(dòng)再生輔助熱管理模式，直到炭載量低于閾值C，發(fā)動(dòng)機(jī)退出輔助被動(dòng)再生熱管理模式，恢復(fù)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常模式。

閾值D為主動(dòng)再生炭載量退出閾值，當(dāng)炭載量超過(guò)閾值A(chǔ)觸發(fā)主動(dòng)再生，進(jìn)入主動(dòng)再生熱管理模式，直到炭載量低于閾值D，發(fā)動(dòng)機(jī)退出主動(dòng)再生熱管理模式，恢復(fù)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常模式。

2.2 炭載量計(jì)算模型的搭建

精確估算CDPF炭載量對(duì)CDPF的再生十分關(guān)鍵，它有助于掌握CDPF最佳再生時(shí)刻，保證CDPF安全可靠工作。如果炭載量的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值差別過(guò)大，CDPF載體會(huì)有燒毀、燒裂的風(fēng)險(xiǎn)，縮短 CDPF 的壽命。在整車運(yùn)行過(guò)程中炭載量無(wú)法直接測(cè)量，需通過(guò)間接的方式得到，因此，獲得一個(gè)可實(shí)時(shí)響應(yīng)、炭載量預(yù)估精準(zhǔn)的模型是再生控制策略實(shí)施的基礎(chǔ)。本研究根據(jù)DOC和CDPF系統(tǒng)的工作原理，結(jié)合被動(dòng)再生控制策略，在Matlab/Simulink中搭建了炭載量計(jì)算模型，模型示意見(jiàn)圖3。

炭載量模型共包括兩種計(jì)算方法：基于模型計(jì)算的炭載量和基于壓差計(jì)算的炭載量。基于模型計(jì)算的炭載量模型主要根據(jù)化學(xué)方程式和試驗(yàn)標(biāo)定相關(guān)速率系數(shù)相結(jié)合的方式對(duì)炭載量進(jìn)行計(jì)算；對(duì)于基于壓差計(jì)算的炭載量模型，在體積流量很低時(shí)壓差區(qū)分度很小，預(yù)測(cè)結(jié)果偏差大，因此只有當(dāng)體積流量大于閾值時(shí)才會(huì)啟用基于壓差的炭載量預(yù)估模型。炭載量模型的計(jì)算框架見(jiàn)圖4所示。

圖3 炭載量計(jì)算模型示意圖

圖4 CDPF炭載量模型計(jì)算架構(gòu)

如圖4所示，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸?shù)脑囼?yàn)數(shù)據(jù)，無(wú)論體積流量大還是小，基于模型的炭載量預(yù)估方法均會(huì)對(duì)炭載量進(jìn)行計(jì)算，基于壓差的炭載量預(yù)估方法只有在體積流量大于閾值時(shí)才會(huì)進(jìn)行計(jì)算。為降低CDPF被燒融、燒毀的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)兩種方法計(jì)算出來(lái)的炭載量采用取大的策略，最后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)間和噴油量對(duì)炭載量模型進(jìn)行灰分修正，灰分修正系數(shù)是經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值。

影響被動(dòng)再生的關(guān)鍵因素主要有兩點(diǎn)：合適的排氣溫度和較高的NO轉(zhuǎn)化效率。僅靠發(fā)動(dòng)機(jī)原始的排放和排溫水平無(wú)法滿足被動(dòng)再生的速率需求，因此需要在CDPF前加裝DOC，其主要作用是將NO氧化為NO提高DPF被動(dòng)再生速率和氧化HC，為CDPF再生提供高的溫度。通過(guò)被動(dòng)再生的反應(yīng)方程可知，DOC對(duì)NO的轉(zhuǎn)化效率越高，被動(dòng)再生的速率也越高。DOC對(duì)NO的轉(zhuǎn)化特性主要與DOC內(nèi)溫度相關(guān)，DOC對(duì)NO的轉(zhuǎn)化效率特性見(jiàn)圖5。圖5中，左側(cè)轉(zhuǎn)化效率曲線受化學(xué)反應(yīng)速率限制，右側(cè)曲線受化學(xué)平衡限制，因此CDPF被動(dòng)再生的溫度窗口為250～550 ℃，其中350～400 ℃時(shí)最佳。

圖5 DOC對(duì)NO2轉(zhuǎn)化效率特性圖

發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，排氣溫度較低，因而被動(dòng)再生速率較低。為提高被動(dòng)再生的速率，需要進(jìn)行輔助熱管理，輔助熱管理主要有進(jìn)氣節(jié)流、推遲主噴和缸內(nèi)后噴等手段。本研究綜合考慮排溫和油耗的trade-off關(guān)系，采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Design Of Experiment，DOE)方法分析各種手段在萬(wàn)有特性不同運(yùn)行區(qū)域提升排氣溫度的效率，即采用在相同工況點(diǎn)平均損失1 g/(kW·h)的燃油消耗率帶來(lái)的排氣溫度提升來(lái)表征提升排氣溫度的效率。在需要提升排溫的區(qū)域，進(jìn)氣節(jié)流閥的提排溫效率最高，但是會(huì)導(dǎo)致煙度增大；推遲主噴的提排溫效率最低，標(biāo)定合適的缸內(nèi)后噴油量和后噴角可以降低煙度。本試驗(yàn)輔助熱管理以調(diào)節(jié)進(jìn)氣節(jié)流閥為主，推遲主噴和缸內(nèi)后噴為輔，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)煙度和動(dòng)力性要求的同時(shí)，通過(guò)犧牲盡量少的經(jīng)濟(jì)性來(lái)達(dá)到需求排氣溫度。輔助熱管理前后DOC前溫度和NO轉(zhuǎn)化效率提升情況見(jiàn)圖6和圖7。

由圖6和圖7可以看出，對(duì)中低負(fù)荷區(qū)域進(jìn)行熱管理后，排氣溫度升高明顯，NO濃度也隨之大幅提升。被動(dòng)再生時(shí)主要是NO和碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，NO濃度越高，消耗的碳也越快越多,因此提高熱管理水平，增加NO的濃度占比，可以有效提高CDPF的被動(dòng)再生速率。

圖6 輔助熱管理前后DOC前排溫差值

圖7 輔助熱管理前后DOC出口NO2轉(zhuǎn)化效率差值

3 試驗(yàn)結(jié)果分析討論

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)完成了對(duì)炭載量模型和CDPF輔助被動(dòng)再生熱管理數(shù)據(jù)標(biāo)定，并驗(yàn)證了標(biāo)定模型的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)步驟如下。

1)無(wú)積炭CDPF稱重。更換干凈、無(wú)積炭的CDPF，并對(duì)其稱重，為保證每次積炭稱重時(shí)狀態(tài)一致，發(fā)動(dòng)機(jī)在某一固定工況運(yùn)行10 min，運(yùn)行結(jié)束后，整個(gè)稱重過(guò)程在3 min內(nèi)完成，稱重時(shí)應(yīng)保證CDPF入口端朝上，防止積炭掉落。

2)CDPF積炭。發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫且煙度大的區(qū)域運(yùn)行，根據(jù)CDPF的積炭速率，間隔一段固定時(shí)間后對(duì)DPF進(jìn)行一次稱重，一直積到炭載量閾值A(chǔ)的1.4倍左右，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)炭載量模型進(jìn)行標(biāo)定。

3)CDPF消炭。當(dāng)炭載量位于閾值A(chǔ)和閾值B之間時(shí)，運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況路譜，并啟用CDPF輔助被動(dòng)再生功能，驗(yàn)證CDPF輔助被動(dòng)再生效果。

步驟2首先要標(biāo)定基于壓差的炭載量模型，CDPF炭載量與CDPF壓差和體積流量的關(guān)系見(jiàn)圖8。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在體積流量較小的工況時(shí)，各炭載量下壓差區(qū)分度不明顯，基于壓差的模型誤差較大，只有當(dāng)體積流量大于閾值時(shí)，不同炭載量下壓差區(qū)分才會(huì)明顯，此時(shí)啟用基于壓差的炭載量計(jì)算模型。

圖8 不同CDPF炭載量下隨體積流量變化的壓差特性

基于壓差和基于化學(xué)反應(yīng)的炭載量計(jì)算模型相互協(xié)調(diào)工作，相互印證炭載量計(jì)算的準(zhǔn)確性，降低因炭載量模型計(jì)算不準(zhǔn)確導(dǎo)致的CDPF被燒融、燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。臺(tái)架標(biāo)定的CDPF炭載量和實(shí)際稱重值見(jiàn)圖9。由圖9可知，炭載量計(jì)算值和實(shí)際值最大偏差0.14 g/L，偏差3.6%，滿足CDPF再生控制的功能需求。

圖9 炭載量實(shí)際稱重值和模型計(jì)算值對(duì)比

對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)中模型計(jì)算炭載量和實(shí)際稱重炭載量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以數(shù)值表示趨勢(shì)線的擬合程度，數(shù)值越接近于1，表示模型計(jì)算值和實(shí)際稱重值之間的相關(guān)性系數(shù)越高，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖10。由圖知，模型計(jì)算炭載量和實(shí)際稱重炭載量數(shù)據(jù)落點(diǎn)均接近趨勢(shì)線，兩者之間偏差小，線性擬合相關(guān)系數(shù)>0.99，兩者之間炭載量數(shù)據(jù)擬合可靠性強(qiáng)。

圖10 實(shí)際稱重炭載量與模型計(jì)算炭載量相關(guān)性系數(shù)

運(yùn)行步驟3，當(dāng)積炭值位于閾值A(chǔ)和閾值B之間時(shí)，啟用CDPF輔助被動(dòng)再生功能，并運(yùn)行整車常用路譜，在沒(méi)有觸發(fā)主動(dòng)再生的情況下，僅需2 h，CDPF內(nèi)的炭載量便能從3.8 g/L降低到0.96 g/L，能夠滿足CDPF消炭的需求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 CDPF輔助被動(dòng)再生炭載量實(shí)際稱重試驗(yàn)結(jié)果

3.2 整車試驗(yàn)結(jié)果

啟用CDPF輔助被動(dòng)再生功能進(jìn)行整車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 CDPF炭載量隨行駛里程變化的整車試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

如圖12所示，炭載量模型計(jì)算值與實(shí)際稱重值偏差小，炭載量計(jì)算值和實(shí)際值最大偏差0.21 g/L，偏差為9.8%，輔助被動(dòng)再生策略能夠滿足CDPF消炭需求，炭載量控制穩(wěn)定，整車運(yùn)行5 000 km無(wú)主動(dòng)再生發(fā)生。

對(duì)整車試驗(yàn)中模型計(jì)算炭載量和實(shí)際稱重炭載量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見(jiàn)圖13。模型計(jì)算炭載量和實(shí)際稱重炭載量數(shù)據(jù)落點(diǎn)均接近趨勢(shì)線，兩者之間偏差小，線性擬合相關(guān)系數(shù)>0.99，兩者之間炭載量數(shù)據(jù)擬合可靠性強(qiáng)。

圖13 實(shí)際稱重炭載量與模型計(jì)算炭載量相關(guān)性系數(shù)

4 結(jié)論

a)精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)響應(yīng)的炭載量計(jì)算模型是再生控制的基礎(chǔ)，臺(tái)架試驗(yàn)和整車試驗(yàn)預(yù)估炭載量最大偏差分別為0.14 g/L和0.21 g/L；

b)合理的排溫、NO占比是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)再生成功的關(guān)鍵；

c)輔助被動(dòng)再生控制策略能夠滿足整車的運(yùn)行需求，整車運(yùn)行5 000 km無(wú)主動(dòng)再生發(fā)生。