中圖分類號：U469 收稿日期：2025-03-20 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.012

Abstract：Currently，dieselengineemissionregulationsarebecomingincreasinglystrngentndtheimportanceofftertreatment systemsforcommercialvehicledieselenginsisgrowing.Regenerationcontoltrategiesandlifepredictionavebecomekeytecholo gies.Thispaperfirstintroducestheworkingprincipleoftheafertreatmentsystemforcommercialvehicledieselengiesandexplains thenumerouscallgesfcedbyegeerationcontrolandlifepredictionTenitpropoesodelpredictieotrol-based generationoptimiationstrategyandadata-drivenifepreditionmetodforteaftertreatmentsystem，supportingthontiuousdevelopment of commercial vehicle diesel engines.

Key words：Diesel engine;Aftertreatment system;Regeneration control;Life prediction;Machine learning

1前言

隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，商用車尾氣后處理系統(tǒng)成為實現(xiàn)超低排放的關鍵環(huán)節(jié)。柴油顆粒物捕集器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)作為柴油機后處理系統(tǒng)的核心部件，其正常工作對降低顆粒物和氮氧化物排放至關重要。而在實際運行過程中，DPF會由于捕集顆粒物而逐漸阻塞，SCR催化劑也會由于積碳和硫等原因失活，因此需要進行定期再生以保證后處理系統(tǒng)的高效運轉。再生控制策略直接決定了再生過程的穩(wěn)定性和完全程度，而預測后處理系統(tǒng)的壽命則有助于制定合理的再生和維護計劃，從而提高整車的運營效率和經(jīng)濟性，降低排放和能耗[1]。

2商用車柴油機后處理系統(tǒng)工作原理

商用車柴油機后處理系統(tǒng)的主要作用是減少發(fā)動機尾氣中有害物質的排放，主要包括DPF和SCR系統(tǒng)兩大組成部分[2]。柴油顆粒物捕集器是一種陶瓷壁流式濾芯，它由數(shù)以萬計的蜂窩狀小管道構成，進入DPF的尾氣通過這些管道的多孔陶瓷壁，使顆粒物被阻擋在管道內壁上，過濾后的清潔氣體則從相鄰的開口小管排出[3]。隨著使用時間的增加，被捕獲的顆粒物會在DPF內部逐漸累積，導致背壓升高，當背壓達到一定閾值時，就需要對DPF進行再生，將捕獲的顆粒物氧化燃燒掉，以恢復DPF的過濾性能。

DPF的再生主要有主動再生和被動再生兩種方式[4]。主動再生是通過外部輔助熱源如燃燒器或電加熱裝置提供高溫，使顆粒物氧化燃燒；被動再生則利用發(fā)動機運行時排出的一氧化氮（NO）與顆粒物直接發(fā)生反應，在加裝的氧化催化器的幫助下，顆粒物在較低溫度下就可實現(xiàn)連續(xù)燃燒。相比主動再生，被動再生的優(yōu)點是無需外部熱源，耗能少且無需發(fā)動機停車，但其限制是環(huán)境溫度和排氣溫度必須足夠高，一些先進的DPF系統(tǒng)集成了主被動再生控制策略，根據(jù)工況自動切換，以達到高效、節(jié)能的目的[5]。

SCR系統(tǒng)是減少柴油機氮氧化物 （NO_x） 排放的主要手段，它利用尿素水溶液作為還原劑，在SCR催化轉化器上發(fā)生選擇性催化還原反應，將有毒的NO轉化為無害的氮氣和水，催化轉化器內的貴金屬催化劑如釩基或銅基鑲嵌蜂窩陶瓷，可高效催化尿素與 NO_x 的反應。SCR系統(tǒng)的關鍵在于精準控制尿素噴射量和噴射時間，使之與排氣中的NO量相匹配。如果尿素不足，則無法充分還原 NO_x ；如果過量，則會導致殘留的尿素進入后續(xù)部件如DPF，影響其性能并加速失活。SCR催化劑表面還會逐漸被顆粒物、硫酸鹽等污染物覆蓋而失活，也需要進行定期再生，常見的方法包括通過控制進氣供給臨時升高催化劑溫度，使顆粒物氧化；或者利用富氨氣氛下的催化劑水解作用去除硫酸鹽[]。

3商用柴油機后處理系統(tǒng)再生控制策略及壽命預測面臨的挑戰(zhàn)

由于柴油機排放的碳煙顆粒（PM）和氮氧化物需要通過DPF、SCR、DOC等多級后處理裝置進行凈化，而這些裝置的再生與壽命管理涉及動態(tài)工況適應性、熱管理、催化劑衰減等復雜因素，使得其優(yōu)化控制難度較大，影響柴油機的排放合規(guī)性和長期可靠性[7]。

DPF的再生控制是商用柴油機后處理系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，其核心挑戰(zhàn)在于如何在不同工況下高效清除積碳顆粒，同時避免再生過程中的熱失控和油耗增加。而在實際運行中，由于商用柴油機通常處于工況變化頻繁、長時間低負荷運行的狀態(tài)，DPF無法在最佳溫度范圍內進行穩(wěn)定再生，導致顆粒物堆積過度，增加了DPF堵塞風險、排氣背壓升高、發(fā)動機燃油消耗增加等問題。另外，DPF的再生控制涉及溫度管理、氧氣濃度調節(jié)、噴油策略優(yōu)化等多個變量，控制邏輯復雜且受外部環(huán)境因素影響。

例如，在寒冷環(huán)境下，DPF的被動再生溫度難以達到PM燃燒閥值，導致再生效率降低，而在高負荷工況下，過度再生可能引發(fā)催化劑燒結、DPF熱疲勞損壞等問題，縮短系統(tǒng)壽命。同時，主動再生過程中，噴油策略的優(yōu)化難度較大，例如噴油量過高可能導致燃油稀釋潤滑油，噴油量過低則可能導致燃燒不完全，增加碳煙殘留，進一步影響DPF的長期工作穩(wěn)定性。

因此，如何在不同工況下自適應調整DPF再生策略，以在滿足排放法規(guī)的同時，最大限度降低燃油消耗，是當前商用柴油機后處理系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[8]。

4商用車柴油機后處理系統(tǒng)再生控制策略及壽命預測優(yōu)化路徑

4.1基于模型預測控制的DPF再生優(yōu)化策略

在商用車柴油發(fā)動機后處理系統(tǒng)中，DPF的有效再生對于維護系統(tǒng)性能和滿足嚴格的排放標準至關重要?；谀Ｐ皖A測控制（MPC）的DPF再生優(yōu)化策略是一種先進的控制方法，能夠實現(xiàn)再生過程的高效管理。

MPC是一種動態(tài)控制技術，通過預測未來的系統(tǒng)行為來優(yōu)化當前的控制輸入。在DPF再生的應用中，MPC利用一個數(shù)學模型來預測未來一段時間內DPF的狀態(tài)，如溫度、壓力降和積碳量，并計算最優(yōu)的控制策略以最小化積碳并防止過度加熱或物理損傷。研究人員首先需要開發(fā)一個準確的DPF動態(tài)模型，描述溫度、壓力和積碳的關系。這個模型應包括反應動力學、熱傳遞和流動特性。模型的數(shù)學表達式如下：

式中， T 為濾芯溫度； P 為壓差； c 為積碳量； θ 為控制參數(shù)（如加熱功率、進氣流量等） _;f 為DPF內部反應的動力學函數(shù)。MPC需要設定優(yōu)化目標，如最小化再生時間和能耗，同時滿足系統(tǒng)的物理和安全約束，如溫度不超過設定的最大值以避免損傷DPF?？刂茊栴}可以表示為：

式中， x（t） 為系統(tǒng)狀態(tài)； u（t） 為控制輸入； L 為成本函數(shù)，包括再生時間和能耗等。

MPC的核心在于其能夠實時更新模型預測，并根據(jù)當前的測量數(shù)據(jù)調整控制策略，系統(tǒng)運行時，控制器每隔一定時間（如每分鐘）收集最新的DPF狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于當前模型進行未來狀態(tài)的預測，計算出最優(yōu)的控制輸入。研究人員根據(jù)MPC的計算結果，自動調整如加熱元件的功率輸出、發(fā)動機的運行參數(shù)等，以實現(xiàn)預定的優(yōu)化目標，這需要高度的系統(tǒng)集成和良好的傳感器網(wǎng)絡，以確保數(shù)據(jù)的準確性和控制命令的及時響應。

通過以上步驟，基于模型預測控制的DPF再生優(yōu)化策略不僅可以提高再生效率，減少能源消耗，還可以延長DPF的使用壽命，降低維護成本，這種方法利用先進的控制理論和強大的計算能力，為商用柴油機后處理系統(tǒng)提供一種高效、可靠的再生控制解決方案。

4.2基于數(shù)據(jù)驅動的后處理系統(tǒng)壽命預測方法

在商用車柴油機后處理系統(tǒng)的運行過程中，傳統(tǒng)的壽命預測方法主要依賴于物理模型和經(jīng)驗公式，但在復雜工況下難以精準預測系統(tǒng)的實際壽命。因此，采用基于數(shù)據(jù)驅動的方法，利用傳感器數(shù)據(jù)、歷史運行記錄、機器學習算法等進行壽命預測，能夠提高預測的精準度，增強系統(tǒng)的健康管理能力。該方法主要包括構建數(shù)據(jù)驅動的壽命預測模型和設計智能算法進行壽命評估，以實現(xiàn)柴油機后處理系統(tǒng)的精準健康監(jiān)測和壽命預測，具體如表1所示。

數(shù)據(jù)驅動的壽命預測首先需要建立數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，涵蓋排氣溫度、背壓、尿素噴射量、催化劑活性、氣流速度、顆粒物積累量等關鍵參數(shù)，并結合歷史運行數(shù)據(jù)，構建壽命預測數(shù)據(jù)庫。例如，在DPF壽命預測中，系統(tǒng)可通過傳感器實時監(jiān)測DPF的背壓變化趨勢、顆粒物累積速率、再生頻率，并結合歷史數(shù)據(jù)分析DPF的堵塞趨勢，從而預測其剩余使用壽命（RemainingUsefulLife，RUL）。在SCR系統(tǒng)的壽命預測中，數(shù)據(jù)驅動模型可整合尿素噴射系統(tǒng)的工作狀態(tài)、催化劑轉換效率、NO_x 排放濃度等數(shù)據(jù)，識別SCR催化劑的衰減規(guī)律。例如，當SCR催化劑的NO轉化效率下降至某一閾值時，模型可預測其壽命終點，并提前預警用戶進行維護或更換。為了提高預測的精準度，數(shù)據(jù)驅動模型通常采用多變量回歸分析、時間序列建模、深度學習等方法，綜合分析不同變量對壽命的影響。

在數(shù)據(jù)驅動的壽命預測模型基礎上，采用智能算法進行壽命評估，能夠進一步提升預測準確性，使系統(tǒng)具備自適應學習和實時診斷能力。

a.隨機森林（RF）和支持向量機（SVM）等機器學習算法可用于識別后處理系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并分類不同的老化階段，如在DPF健康監(jiān)測中，系統(tǒng)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓練RF模型，自動判斷DPF是否處于正常狀態(tài)、輕度堵塞、中度堵塞或嚴重堵塞，從而指導再生策略的優(yōu)化。

b.深度神經(jīng)網(wǎng)絡（DNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）可用于復雜非線性壽命預測，特別是在多工況條件下，系統(tǒng)壽命衰減模式難以通過傳統(tǒng)數(shù)學模型描述，在SCR系統(tǒng)壽命預測中，CNN可用于自動提取排氣溫度分布特征，與尿素噴射數(shù)據(jù)結合，預測SCR催化劑的衰減速率。

c.貝葉斯網(wǎng)絡（BayesianNetwork）可用于不確定性分析，結合實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，動態(tài)調整壽命預測結果，提高預測的魯棒性。

5結語

商用車柴油機后處理系統(tǒng)再生控制及壽命預測技術是實現(xiàn)超低排放和提高整車運營效率的關鍵。本文介紹了后處理系統(tǒng)的工作原理及面臨的諸多挑戰(zhàn)，提出了基于模型預測控制的DPF再生優(yōu)化策略和基于數(shù)據(jù)驅動的壽命預測方法。這些方法通過模型預測、多變量優(yōu)化、機器學習等技術，實現(xiàn)了對復雜工況下再生過程的精準控制和對后處理系統(tǒng)健康狀態(tài)的實時監(jiān)測及壽命預警，為制定合理的再生維護策略提供了理論支撐和技術保障。未來，隨著控制理論、模型技術、大數(shù)據(jù)分析等領域的創(chuàng)新發(fā)展，再生控制和壽命預測技術將更加智能化、自適應化，為打造高效節(jié)能、環(huán)?？煽康男乱淮裼蜋C后處理系統(tǒng)奠定堅實基礎。

參考文獻：

[1]劉偉達，王洪光，陳寧，等.柴油機后處理系統(tǒng)不同基材緊耦合SCR性能研究[J].內燃機學報，2025，43（1）：64-71.

[2]魏起森.柴油機尾氣后處理系統(tǒng)再生輔助進氣的研究[J].內燃機與配件，2023，（15）：25-27.

[3]李健巍，孫志江，楊起，等.非道路國四柴油機后處理系統(tǒng)加速耐久試驗設計[J].內燃機與動力裝置，2024，41（5）：58-63.

[4]趙鵬，何大禮，吳章輝，等.國VI柴油機油關鍵技術及開發(fā)進展介紹[J].潤滑油，2023，38（3）：1-6.

[5]唐瑜亮，何婷.基于工況法的新能源商用車動力系統(tǒng)匹配仿真研究[J].汽車電器， 2025（3）：28-34+37 #

[6]張健.商用車液力自動變速器建模及性能優(yōu)化[J].汽車工藝師，2025（Z1）：55-59.

[7]朱成明，胡華強.輕型商用車空氣懸架系統(tǒng)的設計研究[J].專用汽車 ，2025（1）：27-29+61

[8]程曉章，劉凡，張子涵，等.基于國VI柴油機后處理系統(tǒng)綜合性能試驗研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2023，46（10）：1349-1354+1368.