基于模型的DPF主動(dòng)再生排氣溫度控制?

黃鐵雄，胡廣地，郭 峰，楊明亮

(1.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031； 2.西南交通大學(xué)汽車研究院，成都 610031)

前言

在輕型柴油車系統(tǒng)中，采用缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴油輔助顆粒物捕集器(DPF)主動(dòng)再生的后處理技術(shù)由于其空間布局、成本、對柴油機(jī)顆粒物(PM)的高捕集效率等優(yōu)勢，已被認(rèn)為是滿足日益嚴(yán)格的最新排放法規(guī)的有效手段[1]。目前國內(nèi)外對DPF設(shè)計(jì)、材料、催化劑等方面研究已取得長足的進(jìn)展[2]；由于車輛在實(shí)際道路行駛中其負(fù)荷、環(huán)境等的復(fù)雜多變性，加之DPF主動(dòng)再生過程是受高隨機(jī)因素干擾、具有強(qiáng)慣性和純滯后的非線性分布參量時(shí)變過程，發(fā)生在DPF內(nèi)部的催化氧化反應(yīng)受排氣流量、氧含量等影響同時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)的非受控特性。非受控再生發(fā)生時(shí)，DPF過濾體承載了較高的熱負(fù)荷和熱應(yīng)力，其內(nèi)部的峰值溫度和溫度梯度一旦超過臨界許用范圍，極易造成DPF過濾載體燒熔、燒裂等問題。因此研究實(shí)用、安全和可靠的DPF主動(dòng)再生控制技術(shù)成為推進(jìn)DPF系統(tǒng)化應(yīng)用的關(guān)鍵內(nèi)容[3-4]。

DPF主動(dòng)再生的本質(zhì)是熱管理。即DPF再生過程中通過引入一外部能量，并合理地控制能量分配使得過濾載體內(nèi)部累積的碳煙顆粒在排氣中O2的作用下被安全、可靠地燃燒掉，恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，完成再生過程。在DPF主動(dòng)再生控制系統(tǒng)中，對能量管理的具體表現(xiàn)即為對溫度的有效管理與可靠控制[5]。因此，確保DPF入口排氣溫度對目標(biāo)再生溫度的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，是系統(tǒng)的一項(xiàng)重要控制功能，對于提高DPF再生效率和發(fā)動(dòng)機(jī)油耗性能也具有非常重要的作用。臧志成等[6]開展了對DPF再生溫度閉環(huán)控制的相關(guān)研究；ECK C等[7]采用增益調(diào)度技術(shù)，提出了一種閉環(huán)魯棒策略設(shè)計(jì)方法，在不同環(huán)境溫度下的城市駕駛工況驗(yàn)證了其較好的抗擾動(dòng)性能；BENCHERIF K等[8]基于模型預(yù)測控制理論設(shè)計(jì)了再生控制算法，并與傳統(tǒng)PID控制方法進(jìn)行了對比測試，結(jié)果表明最大跟蹤誤差與PID控制相當(dāng)，為33.2℃，但超調(diào)量明顯降低；LEPREUX O等[9]采用基于模型的開發(fā)方式研究了一種針對DPF再生的催化轉(zhuǎn)化器出口溫度控制方法，并采用歐盟駕駛循環(huán)(NEDC)的市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)部分驗(yàn)證了其控制性能，表明對目標(biāo)溫度的控制誤差小于15℃。采用基于模型的控制策略開發(fā)方式可以降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，并增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性?？紤]實(shí)際需求和仿真實(shí)時(shí)性，本文中首先基于能量守恒和集總參數(shù)概念等搭建了仿真對象模型，對仿真模型參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上展開對控制算法模型的設(shè)計(jì)開發(fā)，提出一種基于排氣溫度和流量優(yōu)化的DPF再生溫度控制算法和控制器結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真分析等研究工作。本文中最后對設(shè)計(jì)的控制算法在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架和車輛道路行駛中分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，分析其在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的控制性能。

1 仿真模型的建立

1.1 仿真模型

DPF主動(dòng)再生觸發(fā)后，通過在膨脹行程末往氣缸內(nèi)噴入燃油，這部分燃油不參與燃燒做功而是變成未燃HC與排氣充分混合后在柴油機(jī)氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)裝置上發(fā)生放熱反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)排氣溫度提升，輔助DPF主動(dòng)再生。目前有較多商業(yè)軟件和相關(guān)研究支持對DOC對象建模[10-11]，但這些模型往往考慮各種排氣組分因素，以及眾多狀態(tài)參量的空間分布，需要求解復(fù)雜的偏微分方程組，一般不便用作實(shí)時(shí)控制算法的開發(fā)目的。對控制開發(fā)而言，模型需要兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。為此，本文中在忽略DOC表面與環(huán)境的散熱損失(認(rèn)為該部分能量可以通過控制器設(shè)計(jì)的積分路徑補(bǔ)償)前提下，同時(shí)僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排氣各組分中未燃HC組分在DOC內(nèi)部的氧化反應(yīng)作用，參照文獻(xiàn)[12]并做合理假設(shè)和簡化處理的基礎(chǔ)上，基于能量守恒物理原理建立如下集總參量模型：

式中：Cpg，Cps分別為排氣和DOC載體材料定壓比熱容；ρg，ρs分別為排氣和DOC載體材料的密度；V0為DOC載體表觀體積；λ為DOC氣道總體積占比；Tg，T分別為DOC入口和出口端排氣溫度；為排氣質(zhì)量流量，DPF主動(dòng)再生時(shí)包括缸內(nèi)后噴燃油流量；Ts為DOC載體溫度；為缸內(nèi)后噴燃油氧化放熱速率；為單位時(shí)間內(nèi)的缸內(nèi)后噴燃油量；qlv為燃油低熱值，取4.285×104J/g；η為DOC對HC的轉(zhuǎn)換效率，為空速和溫度的函數(shù)，可由試驗(yàn)獲取并采用線性插值方式求算；Ac為DOC氣道表面總面積；Kc為排氣與DOC載體接觸表面的對流換熱系數(shù)。

將式(1)所描述的集總參量對象模型在SIMULINK環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)，可得到所搭建的仿真模型，如圖1所示。

圖1 SIMULINK中的仿真模型

1.2 模型驗(yàn)證

為保證上述仿真模型具有合理的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能，本文中對仿真模型進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上展開仿真分析，將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。為增強(qiáng)可比性，仿真和試驗(yàn)過程中均設(shè)定相同的DOC入口端溫度和空速等邊界條件，同時(shí)按照既定的缸內(nèi)后噴油量注入燃油(未燃HC)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排氣。圖2和圖3分別為不同空速條件下的模型仿真計(jì)算和臺架試驗(yàn)結(jié)果。可見，仿真過程中的DOC出口端溫度與試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際DOC出口溫度在較高和較低空速工況下均保持了一致的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)特性。這表明所搭建的仿真模型具有滿意的計(jì)算精度，適合控制開發(fā)目的，為后續(xù)的控制算法開發(fā)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等提供了研究基礎(chǔ)。

圖2 空速5×104h-1時(shí)模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果

圖3 空速10×104h-1時(shí)模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果

2 控制算法模型與仿真分析

2.1 控制算法模型

DPF主動(dòng)再生過程中由于受諸多因素如排氣流量、排氣氧含量、碳煙顆粒加載量水平等影響，其內(nèi)部的氧化反應(yīng)速度、載體溫度等往往表現(xiàn)出明顯的非受控特性[13]。因此，所設(shè)計(jì)的算法對DPF入口端溫度的控制性能尤為重要，以降低DPF內(nèi)部峰值溫度與溫度梯度，防止催化劑失效與過濾體燒熔、燒裂等風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的算法需具有良好的適應(yīng)性和可操作性，以降低針對不同應(yīng)用情況的匹配開發(fā)與標(biāo)定工作復(fù)雜程度，節(jié)約開發(fā)項(xiàng)目成本。

從系統(tǒng)物理邊界角度，對再生目標(biāo)溫度的控制性能主要受當(dāng)前排氣溫度和排氣流量影響，獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等運(yùn)行工況。因此，本文中采用基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和排氣流量的控制增益補(bǔ)償方式，以較好地解決相同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下由于邊界條件如冷卻水溫、進(jìn)氣溫度與壓力等差異以及系統(tǒng)遲滯等所帶來的不確定性問題。圖4所示為設(shè)計(jì)的控制算法結(jié)構(gòu)頂層視圖，主要由前饋控制路徑和反饋控制路徑兩部分組成。前饋控制量信號和反饋控制量信號疊加后經(jīng)限幅、1階濾波器處理后生成最終的控制量輸出(即缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴油量)，有效避免系統(tǒng)的強(qiáng)時(shí)滯特性引發(fā)的振蕩。

圖4 排溫控制算法結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 前饋控制路徑設(shè)計(jì)

前饋控制具有預(yù)測控制作用，可以根據(jù)擾動(dòng)量或給定目標(biāo)量迅速執(zhí)行補(bǔ)償，不受對象滯后因素影響。因此，在具有強(qiáng)慣性和純滯后特性的系統(tǒng)中，前饋控制算法對于保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)的作用尤為突出。根據(jù)式(1)，考慮在穩(wěn)態(tài)工況下，DOC出口、入口端排氣和載體溫度在給定缸內(nèi)遠(yuǎn)后噴油流量的氧化放熱作用下維持相對平衡狀態(tài)，且DOC出口端排氣溫度達(dá)到目標(biāo)再生溫度，可以得到

式中：Ttrg為目標(biāo)再生溫度；為當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)排氣質(zhì)量流量，不包含缸內(nèi)后噴燃油流量組分；Cpexh為排氣定壓比熱容，為溫度的函數(shù)；ηt為DOC轉(zhuǎn)換熱效率，可通過試驗(yàn)方式測取，為DOC空速與溫度的二維插值MAP。該式經(jīng)整理后可得對應(yīng)的前饋控制量為

由該式可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速情況下前饋控制路徑可以綜合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)流量、排氣溫度和目標(biāo)再生溫度等，立即響應(yīng)并補(bǔ)償控制量輸出。

2.1.2 反饋控制路徑設(shè)計(jì)

反饋控制路徑采用經(jīng)典PID控制形式，其控制律為

式中：e(t)為偏差量輸入；u(t)為PID控制器的輸出；Kp，Ki和Kd分別為比例增益、積分增益和微分增益。各控制分量的增益參數(shù)即比例、積分、微分控制增益均設(shè)計(jì)為當(dāng)前排氣流量和排氣溫度的函數(shù)(見圖4)，采用線性插值。由于在低排氣流量下系統(tǒng)的熱時(shí)滯作用顯著增強(qiáng)[14]，為保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能在低排氣流量工況下一般需要以前饋控制作用占主導(dǎo)，采用較小的控制增益參數(shù)，以削弱PID反饋控制作用，避免振蕩；而高排氣流量情況下則反之。因此，采用排氣流量和溫度的增益補(bǔ)償方式也使得標(biāo)定優(yōu)化工作更具備可操作性，有規(guī)律可循。

圖5 反饋控制路徑PID算法設(shè)計(jì)

圖5為PID反饋控制路徑的內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)示意圖，濾波處理后的偏差量分別與比例控制增益、積分控制增益、微分控制增益作用后形成各單獨(dú)控制分量輸出，方便監(jiān)控調(diào)試。比例控制分量、積分控制分量與微分控制分量疊加并經(jīng)限幅處理后形成最終的反饋控制量。為了防止積分飽和，積分控制路徑中設(shè)計(jì)了積分抗飽和模塊以保證系統(tǒng)控制性能。

2.2 聯(lián)合仿真分析

上述控制算法模型與本文中前述仿真對象模型在SIMULINK中構(gòu)建并完成集成、參數(shù)整合后，可進(jìn)行模型級的聯(lián)合仿真測試。開展聯(lián)合仿真對算法模型中的比例、積分、微分和前饋等各控制環(huán)節(jié)的控制參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化整定和測試優(yōu)化，以初步評估算法性能與控制品質(zhì)。

聯(lián)合仿真中采用ODE4求解器，并設(shè)置算法模型部分的仿真步長為0.1s，與ECU中控制算法的實(shí)際運(yùn)行頻率保持一致。圖6所示為對各控制參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整定后、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩突變情況下的仿真測試結(jié)果。圖中排氣流量取自臺架實(shí)測數(shù)據(jù)，作為本次仿真的輸入?？梢钥闯?，在仿真開始后180和360s處排氣流量急劇變化的情況下，實(shí)際DOC出口端溫度保持了對目標(biāo)溫度較好的跟蹤特性并能迅速趨于穩(wěn)定，仿真過程中控制誤差在±25℃以內(nèi)。

圖6 排氣流量突變情況仿真結(jié)果

通過模型的聯(lián)合仿真方式可進(jìn)一步對再生過程的控制參數(shù)開展相關(guān)研究工作。如主動(dòng)再生初始階段需要將DPF入口端排氣溫度提升到較高水平，此時(shí)選擇合理的目標(biāo)溫度上升速率尤為重要[15]。目標(biāo)溫度上升速率過大則會(huì)帶來較大的控制超調(diào)量引發(fā)再生風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)易導(dǎo)致HC泄漏造成二次污染；上升速率太小則不利于快速完成再生，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，本文中對不同目標(biāo)溫度上升速率情況下的控制效果進(jìn)行了對比，仿真結(jié)果見圖7。由該圖可知，為保證安全可靠，再生選擇3～10℃/s的溫度變化速率可較好地滿足DPF再生要求。

圖7 不同溫度上升速率控制效果對比

可以看出，通過在算法建模階段開展仿真優(yōu)化，評估動(dòng)態(tài)性能和控制品質(zhì)，有利于降低控制算法在實(shí)際環(huán)境中的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺架與整車試驗(yàn)驗(yàn)證

SIMULINK環(huán)境建立的控制算法模型可自動(dòng)生成產(chǎn)品級的程序語言代碼，將該部分控制代碼集成到現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件之中，并編譯、下載到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制單元。在一臺滿足國五排放法規(guī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及裝配該試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的某輕型皮卡車上分別進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為江鈴4JB1型四缸直列、增壓中冷柴油機(jī)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及所配套的DPF后處理器等各產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)分別見表1和表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.1 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架的總體布置示意圖如圖8所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路安裝由DOC和DPF組成的后處理器，后處理器的DOC出口、入口端和DPF出口端均布置了相應(yīng)的排氣溫度傳感器。為防止試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓過高，惡化發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，在DPF兩端布置了壓差傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測排氣背壓情況。主動(dòng)再生過程中利用高壓共軌系統(tǒng)靈活的多次噴射特性，在上止點(diǎn)后120°CA附近設(shè)置遠(yuǎn)后噴射，該部分噴油在缸內(nèi)生成未燃HC隨后在DOC內(nèi)發(fā)生催化型氧化放熱反應(yīng)，達(dá)到排溫控制目的。

表2 后處理器技術(shù)參數(shù)

圖8 臺架試驗(yàn)總體布置示意圖

臺架試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、測功機(jī)負(fù)載等來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工作過程，以分析設(shè)計(jì)的算法策略在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。本文中選取了兩種不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的臺架試驗(yàn)結(jié)果，如圖9和圖10所示。兩種試驗(yàn)工況分別代表了兩種不同大小的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量情況。圖9所示為較低排氣流量(160kg/h)下的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)開始時(shí)設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1800r/min，轉(zhuǎn)矩為40N·m；圖10表示在較高排氣流量(325kg/h)下的試驗(yàn)結(jié)果，對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況為轉(zhuǎn)速2 400r/min、轉(zhuǎn)矩100N·m。分析圖9和圖10的試驗(yàn)結(jié)果可知：再生初始階段對于由目標(biāo)再生溫度變化引起的超調(diào)量小于3%，系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定，無靜態(tài)誤差；在600s后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油量同時(shí)變化的瞬態(tài)工況模擬測試過程中，實(shí)際溫度對目標(biāo)再生溫度的跟蹤誤差小于25℃，超過25℃部分的持續(xù)時(shí)間小于20s。這表明前述的排溫控制算法策略在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了滿意的控制效果，并表現(xiàn)出了較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和鎮(zhèn)定品質(zhì)。

圖9 排氣流量160kg/h時(shí)臺架試驗(yàn)結(jié)果

圖10 排氣流量325kg/h時(shí)臺架試驗(yàn)結(jié)果

3.2 整車道路試驗(yàn)

車輛在實(shí)際道路行駛中多為急加速或減速等瞬態(tài)工況，瞬態(tài)工況下的車輛行駛速度、路面負(fù)載情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量、排氣溫度等擾動(dòng)因素的變化更加劇烈。在裝配了臺架試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的某皮卡車上進(jìn)行了車輛在實(shí)際道路行駛的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖11～圖13中給出了3種典型駕駛工況下的道路試驗(yàn)結(jié)果，分別為市區(qū)工況、郊區(qū)工況和高速工況道路行駛情況，代表的平均駕駛車速分別為 40，70和100km/h。由試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際道路駕駛過程中在車速、DOC入口端排氣溫度、排氣流量等擾動(dòng)量急劇變化的情況下，本文中的算法策略與上述發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出較為一致的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和抗干擾能力，控制誤差除高速工況外均小于25℃，超過25℃部分持續(xù)時(shí)間均小于20s。高速工況下由于DOC入口端排氣溫度變化劇烈，對實(shí)際控制性能有較大的影響，可進(jìn)一步優(yōu)化特定工況區(qū)域的增益補(bǔ)償，改進(jìn)控制效果。

圖11 市區(qū)工況車輛道路試驗(yàn)結(jié)果

圖12 郊區(qū)工況車輛道路試驗(yàn)結(jié)果

圖13 高速工況車輛道路試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)本文中提出了一種采用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和排氣流量作為增益補(bǔ)償?shù)腄PF主動(dòng)再生目標(biāo)溫度控制方法，并通過臺架和車輛道路試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的動(dòng)態(tài)控制性能和復(fù)雜工況適應(yīng)能力。有利于促進(jìn)安全和可靠再生，對于提高DPF再生效率和發(fā)動(dòng)機(jī)油耗性能等也具有非常重要的作用。同時(shí)，采用基于排氣溫度和排氣流量的控制增益補(bǔ)償方式使得算法策略兼顧了性能和成本因素，降低了實(shí)際工程應(yīng)用中標(biāo)定工作的復(fù)雜程度。

(2)采用基于模型的控制策略開發(fā)方式能夠顯著提高開發(fā)效率，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約開發(fā)成本。通過在算法建模階段開展仿真優(yōu)化，評估動(dòng)態(tài)性能和控制品質(zhì)，有效避免了發(fā)動(dòng)機(jī)臺架、整車試驗(yàn)過程中由于溫度控制不當(dāng)引發(fā)的DPF失效、損毀風(fēng)險(xiǎn)。

(3)采用本文中提出的溫度控制策略，能夠有效控制排氣溫度至DPF主動(dòng)再生需要的目標(biāo)溫度并維持較強(qiáng)的控制品質(zhì)和適應(yīng)性能。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均表明，主動(dòng)再生過程中對實(shí)際排溫控制的超調(diào)量小于3%，在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況、車輛加減速等強(qiáng)擾動(dòng)工作工況下，穩(wěn)態(tài)誤差小于25℃。