摘要：為使某輕型柴油車排放達(dá)到國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)，基于國(guó)六b輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)NO_x排放要求，制定柴油機(jī)選擇性催化還原顆粒捕集器（selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter，SDPF）后處理系統(tǒng)技術(shù)方案，建立結(jié)合前饋模型和反饋控制的SDPF控制策略，利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并進(jìn)行控制策略和排放測(cè)試驗(yàn)證。全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（world light vehicle test cycle，WLTC）工況轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果表明：SDPF化學(xué)反應(yīng)模型的效率與基于NO_x傳感器的NO_x轉(zhuǎn)化效率具有良好的一致性，偏差小于10%，驗(yàn)證了控制策略的正確性和有效性；本方案的NO_x轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%，所有污染物排放均滿足工程目標(biāo)，該輕型柴油車排放滿足國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：輕型柴油機(jī)；SDPF；后處理系統(tǒng)控制策略；WLTC試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）05-0001-07

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0 引言

柴油機(jī)具有高效能和耐久性等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，但其排放中的NO_x和顆粒物（particulate matter，PM）對(duì)空氣質(zhì)量和公眾健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅^[1-2]，各國(guó)紛紛出臺(tái)更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了排放控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。相比國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)中要求的測(cè)試循環(huán)工況，國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)中的全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（world light vehicle test cycle，WLTC）要求測(cè)試更多的低溫工況、更高的加速度以及低溫排放，因此，輕型柴油車滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的挑戰(zhàn)巨大^[3-4]。為了滿足國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輕型柴油車排放的嚴(yán)格要求，開(kāi)發(fā)高效的后處理系統(tǒng)及其控制策略尤為重要^[5]。降低NO_x污染物的后處理技術(shù)主要有選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)^[6]和稀燃NO_x 捕集（lean NO_x trap，LNT）技術(shù)等^[7]，柴油機(jī)顆粒物捕集器（ diesel particulate filter，DPF）是減少顆粒物排放有效且技術(shù)相對(duì)成熟的裝置^[8-9]。選擇性催化還原顆粒捕集器（selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter，SDPF）作為一種新型的后處理裝置，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)顆粒物捕集與NO_x還原，其技術(shù)方案和控制策略的研發(fā)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)^[10]。SDPF將SCR催化劑涂覆在DPF載體上，通過(guò)與增壓器、氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）緊耦合連接應(yīng)用在輕型柴油機(jī)上，盡可能利用柴油機(jī)排溫提高NO_x轉(zhuǎn)化效率，并捕集顆粒物^[11]。

目前，結(jié)合前饋模型和反饋控制的控制策略被廣泛認(rèn)為是一種有效的SDPF控制方案^[12-13]。前饋模型根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)NO_x排放，反饋控制利用NO_x傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而在各種工況下實(shí)現(xiàn)NO_x和PM的最優(yōu)轉(zhuǎn)化效率^[14]。然而，如何優(yōu)化這兩者的結(jié)合，并通過(guò)實(shí)際車載試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，仍是一個(gè)亟待解決的難題^[15]。本文中提出一種基于前饋模型和反饋控制相結(jié)合的SDPF控制策略，針對(duì)某款柴油機(jī)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，設(shè)計(jì)SDPF后處理系統(tǒng)方案，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)WLTC轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證該控制策略的性能，為輕型柴油機(jī)車排放控制提供參考。

1 SDPF后處理技術(shù)方案

某輕型柴油機(jī)匹配車型排放限值及工程開(kāi)發(fā)目標(biāo)如表1所示，表中ρ_l為車輛單位里程排放的污染物質(zhì)量；Ⅰ型試驗(yàn)排放中各污染物及其對(duì)應(yīng)的劣化系數(shù)如表2所示。

某輕型柴油車排放中NO_x原排達(dá)到600 mg/km，不滿足文獻(xiàn)[3]中的限值要求。綜合考慮，本文中設(shè)計(jì)后處理技術(shù)方案為DOC-SDPF-SCR-氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC），后處理系統(tǒng)采用“U”型結(jié)構(gòu)布置，后處理各系統(tǒng)分布示意圖如圖1所示。根據(jù)國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SDPF系統(tǒng)低溫時(shí)的高效率和SDPF再生對(duì)涂層耐溫的要求，采用低溫性能較好的銅基分子篩，高溫時(shí)和SCR銅基分子篩相配合，使污染物排放達(dá)到工程目標(biāo)，同時(shí)ASC氧化泄漏的氨，后處理技術(shù)方案中各部件相關(guān)系數(shù)如表3所示。

配備該輕型車的柴油機(jī)采用直列4缸、高壓共軌、增壓中冷等技術(shù)，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表4所示，車輛主要技術(shù)參數(shù)如表5所示，表中F₀、F₁、F₂為滑行阻力。

2 SDPF系統(tǒng)控制架構(gòu)

合理的尿素噴射策略是SDPF系統(tǒng)控制的核心，首先建立NO_x原排模型，確定NO_x原排中NO₂的比例，計(jì)算尿素溶液初始噴射量，基于SDPF系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)效率模型模擬反應(yīng)過(guò)程，然后根據(jù)氨負(fù)載管理進(jìn)行閉環(huán)控制，從而形成基于模型前饋控制與反饋控制相結(jié)合的控制策略。前饋控制是實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的預(yù)控制，提高控制速率。反饋控制能修正測(cè)量誤差，區(qū)分NO_x傳感器對(duì)NH₃的交叉敏感性，精確控制SDPF系統(tǒng)尿素噴射和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。SDPF系統(tǒng)控制架構(gòu)如圖2所示，主要包含原排模型、SDPF系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)效率模型、氨存儲(chǔ)及反饋控制四部分。

2.1 NO_x原排模型

NO_x傳感器安裝在增壓器渦輪后，采用NO_x傳感器信號(hào)檢測(cè)與NO_x模型計(jì)算相結(jié)合的NO_x原排策略。在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的暖機(jī)階段，為防止水蒸氣損壞NO_x傳感器，NO_x傳感器不進(jìn)行露點(diǎn)檢測(cè)，NO_x原排由NO_x原排模型計(jì)算得到；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度和排氣溫度符合要求時(shí)，NO_x原排由上游NO_x傳感器測(cè)量得到。根據(jù)輕型柴油車經(jīng)常使用的運(yùn)行工況繪制運(yùn)行脈譜，基于輕型柴油車開(kāi)發(fā)目標(biāo)，仿真計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排放權(quán)重和目標(biāo)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化標(biāo)定，確定發(fā)動(dòng)機(jī)原排，將NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸入NO_x原排模型，排放分析儀根據(jù)NO_x與氨反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比得到所需氨的質(zhì)量流量。

2.2 SDPF系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)效率模型

根據(jù)需求的NH₃，基于排氣中NO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到NO_x選擇還原效率的反應(yīng)過(guò)程，車輛在急加速、急減速等瞬態(tài)工況，氨與NO_x不可能完全反應(yīng)，同時(shí)國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了氨泄漏限值，因此為了實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)化效率，應(yīng)建立SDPF系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程模型。

充分考慮吸附、選擇還原及氨泄漏，SDPF系統(tǒng)反應(yīng)、轉(zhuǎn)化效率及相關(guān)計(jì)算式如下所示。

式中：r_NO、r_h、r_a、r_d、r_O分別為NO_x、水解、吸附、脫附、氧化反應(yīng)速率因數(shù)；α為催化劑表面因數(shù)；κ_NO、κ_h、κ_a、κ_d、κ_O分別為NO_x、水解、吸附、脫附、氧化過(guò)程中的頻率因子；q_m，NO、q_m，CHNO、q_m，NH3分別為以g/s為單位的NO_x、CHNO、NH₃的質(zhì)量流量的數(shù)值；θ為氨表面積吸附因數(shù)；E_NO、E_h、E_a、E_d、E_O、E分別為以J/mol為單位的NO_x、水解、吸附、脫附、氧化反應(yīng)、SDPF的活化能的數(shù)值；R為以J/（mol·K）為單位理想氣態(tài)常數(shù)的數(shù)值；T為以K為單位的反應(yīng)熱力學(xué)溫度的數(shù)值； τ為以s為單位的反應(yīng)時(shí)間；ε為催化劑脫附修正因數(shù)；q_m，u、q_m，d分別為以g/s為單位的上游和下游傳感器測(cè)量的反應(yīng)物的質(zhì)量流量的數(shù)值；η_SPDF、η_s分別為SDPF模型和傳感器的轉(zhuǎn)化效率。

2.3 氨存儲(chǔ)控制

SDPF系統(tǒng)催化器表面始終進(jìn)行氨吸附與脫附過(guò)程，必須對(duì)尿素噴射量進(jìn)行修正，以避免未參加反應(yīng)的氨排到大氣中造成空氣的二次污染。為了提高SDPF轉(zhuǎn)化效率并防止過(guò)多的氨泄漏，需要進(jìn)行氨存儲(chǔ)控制。根據(jù)SDPF性能特性，催化器溫度和空速是影響氨存儲(chǔ)能力的主要因素。當(dāng)排溫較高時(shí)，催化器的儲(chǔ)氨能力較低，空速對(duì)儲(chǔ)氨量的影響不大；當(dāng)排溫較低時(shí)，催化器的儲(chǔ)氨能力較強(qiáng)，空速對(duì)儲(chǔ)氨能力的影響比高排氣溫度時(shí)更顯著。因此，需要建立SDPF系統(tǒng)催化器的氨存儲(chǔ)控制模型，根據(jù)當(dāng)前工況下設(shè)定的SDPF氨存儲(chǔ)量與當(dāng)前的氨存儲(chǔ)量之差，進(jìn)行排氣流量修正，得到該工況下基于氨存儲(chǔ)的尿素噴射量的修正結(jié)果。

2.4 反饋控制

反饋控制能有效地提高系統(tǒng)的控制精度，NO_x傳感器收到露點(diǎn)信號(hào)后，進(jìn)入自加熱模式，加熱到工作溫度為800 ℃后，檢測(cè)后處理系統(tǒng)上、下游排氣中的NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)。根據(jù)催化器下游和上游的NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算實(shí)際NO_x轉(zhuǎn)化效率。將該轉(zhuǎn)化效率與化學(xué)反應(yīng)模型得到的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行比較，當(dāng)兩者誤差超過(guò)限值，根據(jù)誤差采用不同的修正系數(shù)對(duì)尿素噴射量進(jìn)行修正，從而在允許的NH₃泄漏情況下使NO_x轉(zhuǎn)化率達(dá)到開(kāi)發(fā)目標(biāo)。

3 SDPF系統(tǒng)模型參數(shù)化及標(biāo)定

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，控制策略驗(yàn)證按照臺(tái)架和轉(zhuǎn)轂相結(jié)合的方式驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備包括AVL Dnyo Road 202/12.5L電力測(cè)功機(jī)、HORIBA MEXA-ONE-RS直采系統(tǒng)、HORIBA MEXA-ONE-C1稀采分析儀、AVL735S油耗儀、HORIBA 2000spcs PN計(jì)數(shù)器，采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、油耗及氣態(tài)污染物和顆粒物排放等信息。匹配軟件平臺(tái)采用商業(yè)軟件INCA，與電子控制單元（electronic control unit，ECU）通過(guò)ETK-ME設(shè)備相連，主要包括標(biāo)定、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等功能。

3.2 基本控制參數(shù)map標(biāo)定

檢查臺(tái)架設(shè)備并上電后，ECU進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、后處理狀態(tài)自檢，狀態(tài)良好后進(jìn)行萬(wàn)有特性試驗(yàn)。 根據(jù)設(shè)計(jì)的SDPF系統(tǒng)控制策略，首先標(biāo)定NO_x原排、NO_x中NO的占比等，然后標(biāo)定不同溫度和流量下的氨負(fù)載量，最后通過(guò)填充-放空試驗(yàn)，標(biāo)定SDPF系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)效率模型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后下載到軟件中，并下載到ECU中進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程如下：根據(jù)上游NO_x傳感器和HORIBA MEXA-ONE-RS采樣系統(tǒng)標(biāo)定NO_x原排質(zhì)量流量，得到每工況稀釋排氣經(jīng)過(guò)背景校正的平均質(zhì)量流量。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]要求，假設(shè)排氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為273 K、大氣壓力為101.4 kPa）下的密度為1.293 kg/m³，由于使用全流稀釋采集測(cè)量氣態(tài)污染物，從稀釋排氣中采樣，每工況排氣污染物質(zhì)量流量

q_m，h=0.001 587w（NO_x） K_H，D q_V，（10）

式中：q_m，h為以g/h為單位的NO_x污染物的質(zhì)量流量的數(shù)值，w（NO_x）為確定的每工況稀釋排氣經(jīng)過(guò)背景校正的NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)，K_H，D為溫度和濕度修正因數(shù)，q_V為以kg/h為單位的排氣體積流量的數(shù)值。

根據(jù)排放設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，將每工況稀釋排氣經(jīng)過(guò)背景校正的NO_x平均質(zhì)量流量填入原排map，ECU根據(jù)排氣量、溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等信息計(jì)算每工況下NO_x排放的質(zhì)量流量，同時(shí)注意降低瞬態(tài)NO_x原排的峰值，輕型柴油機(jī)所有工況下NO_x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在800×10^-6以下，正常模式原排map如圖3所示，圖中噴油量為每沖程的噴油質(zhì)量。同時(shí)NO_x與氨化學(xué)系數(shù)map的查詢輸入包括SCR催化器上游的NO_x中除NO₂外其他組分的質(zhì)量比，因此，在化學(xué)系數(shù)map標(biāo)定之前，需要標(biāo)定該質(zhì)量比。關(guān)閉尿素噴射，選擇不同SDPF入口溫度、排氣流量，盡可能選擇WLTC循環(huán)覆蓋區(qū)域，進(jìn)行萬(wàn)有特性試驗(yàn)，通過(guò)HORIBA MEXA-ONE-RS直采系統(tǒng)標(biāo)定NO_x、NO₂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，處理后的數(shù)據(jù)填入以SDPF催化器入口溫度和排氣流量為參數(shù)的SDPF系統(tǒng)NO₂占比map中，結(jié)果如圖4所示。

對(duì)于化學(xué)轉(zhuǎn)化系數(shù)和氨存儲(chǔ)標(biāo)定，通過(guò)填充-放空試驗(yàn)，確定工況點(diǎn)和排氣溫度，設(shè)定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行10 min，加熱SDPF，使載體內(nèi)部沒(méi)有氨存儲(chǔ)，在該工況下穩(wěn)定運(yùn)行20 min，進(jìn)行尿素噴射，噴射過(guò)程中，NO_x質(zhì)量逐漸下降直至轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高，持續(xù)噴射，當(dāng)下游氨傳感器檢測(cè)到排氣中的氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2×10^-6，停止噴射尿素，當(dāng)上游NO_x質(zhì)量分?jǐn)?shù)與下游一致時(shí)，結(jié)束該工況，運(yùn)行下一個(gè)工況，對(duì)數(shù)據(jù)處理后得到的平均化學(xué)轉(zhuǎn)化系數(shù)map，如圖5所示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算氨存儲(chǔ)，不考慮尿素噴嘴到催化器排氣管路之間附著的氨，發(fā)動(dòng)機(jī)某工況下催化器中的氨存儲(chǔ)量等于尿素噴射量減去反應(yīng)掉尿素量和氨泄漏量，計(jì)算得到的不同溫度和排氣流量下NH₃負(fù)載量map如圖6所示。

NO_x轉(zhuǎn)化效率是SDPF系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，關(guān)系到尿素噴射策略的效率修正和反饋修正。SDPF系統(tǒng)考慮催化劑的化學(xué)反應(yīng)特性，與單獨(dú)SCR邏輯不同，SDPF系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)模型效率標(biāo)定與SCR模型標(biāo)定不同。通過(guò)填充-放空試驗(yàn)，仿真計(jì)算的SDPF活化能因子為58 800、頻率因子為2 956 000 000。進(jìn)行不同溫度下的工況效率轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)定后結(jié)果如圖7所示。由于SCR帶有ASC，ASC氧化泄漏的氨，因此標(biāo)定SCR活化能為60 000，頻率因子為2 275 000 000。

4 控制策略及排放測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SDPF系統(tǒng)控制邏輯和車輛排放，按照文獻(xiàn)[3]要求進(jìn)行WLTC試驗(yàn)。測(cè)試車輛磨合里程為3 000 km，性能確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)后，采用滑行法加載并匹配換擋線；為了保證一致性，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，通過(guò)INCA記錄發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，HORIBA MEXA-ONE-C1稀采分析儀記錄車輛運(yùn)行結(jié)果。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，基于化學(xué)反應(yīng)效率模型NO_x轉(zhuǎn)化效率和基于NO_x傳感器測(cè)試的NO_x轉(zhuǎn)化效率如圖8、9所示，排放結(jié)果（劣化系數(shù)見(jiàn)表1）如表6所示。

由圖8、9和表6可知：基于化學(xué)反應(yīng)效率模型NO_x轉(zhuǎn)化效率和基于NO_x傳感器NO_x轉(zhuǎn)化效率的偏差小于10%，考慮轉(zhuǎn)轂、HORIBA 排放分析儀的精度偏差，排放結(jié)果差異在控制范圍內(nèi)，且NO_x轉(zhuǎn)化效率達(dá)到96.1%；試驗(yàn)中最大NO_x排放為24.27 mg/km，小于27 mg/km（工程目標(biāo)），HC、CO等其他污染物低于工程目標(biāo)，滿足國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)的SDPF系統(tǒng)技術(shù)方案成功滿足了排放開(kāi)發(fā)目標(biāo)；通過(guò)緊耦合“U”型布置結(jié)構(gòu)，SDPF系統(tǒng)在低溫和高溫條件下均表現(xiàn)出優(yōu)異性能，確保了NO_x和顆粒物的高效轉(zhuǎn)化和捕集。

2）建立了結(jié)合前饋模型和反饋控制的SDPF控制策略，并驗(yàn)證了其在實(shí)際工況下的有效性；WLTC轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)結(jié)果表明NO_x轉(zhuǎn)化效率偏差小于10%。

3）提出的SDPF控制方案使輕型柴油機(jī)車排放滿足了國(guó)六b排放標(biāo)準(zhǔn)，該方案NO_x轉(zhuǎn)化率達(dá)到96.1%，所有污染物排放均滿足工程目標(biāo)，為輕型柴油車的排放控制提供了有效解決方案。

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Experimental study on emission and control strategy of regenerative particulate filter for a light-duty diesel vehicle

MA Biao¹， ZHANG Fangge¹， CHENG Xiaozhang^2*， WANG Chenfang²

1.Technical Center， Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.， Hefei 230601， China；2.School of Automotive and Transportation Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China

Abstract：In order to ensure that the emissions of a certain light-duty diesel vehicle meet the National 6b emission standards，based on the emission requirements for nitrogen oxides （NO_x） in light-duty diesel engines under the China 6b emission standards， a technical scheme for the selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter（SDPF） after-treatment system is developed. An SDPF control strategy integrating a feedforward model and feedback control is established， and control parameters are calibrated using engine bench tests，and the control strategy and emission testing verification are conducted. The results of the chassis dynamometer WLTC tests show that the efficiency of the SDPF chemical reaction model is highly consistent with the NO_x conversion efficiency measured by NO_x sensors， with discrepancies less than 10%， confirming the correctness and effectiveness of the control strategy. The proposed scheme achieves a NO_x conversion rate of 96.1%， with all pollutant emissions meeting the engineering targets， successfully reaching the China 6b emission standard for a particular light-duty diesel vehicle.

Keywords：light diesel engine;SDPF;after-treatment control strategy;WLTC test

（責(zé)任編輯：劉麗君）