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      輕型柴油車DPF碳載量的計算與路試驗證

      2018-09-06 10:22:40楊闖陳靜殷志雄張亮劉志艷
      汽車零部件 2018年8期
      關(guān)鍵詞:量值載量微粒

      楊闖,陳靜,殷志雄,張亮,劉志艷

      (江西五十鈴發(fā)動機有限公司,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種捕集機制:布朗擴散、直接攔截和慣性碰撞[7]。

      布朗擴散為細(xì)小的顆粒物在柴油機排氣氣流中受高溫氣體分子的碰撞而作的布朗運動,導(dǎo)致脫離原先的氣流方向而向任意方向隨機運動。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動,從而實現(xiàn)布朗擴散的捕集效應(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排放的細(xì)小微粒作用會較弱,但攔截作用效果的增強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)、氮氣(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。

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