一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計算方法

李延紅，劉 浩，黃少文，翟霄雁

（中國重型汽車集團有限公司技術發(fā)展中心，山東 濟南 250101）

為了滿足國VI排放法規(guī)，柴油機采用顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）當前主流技術路線，尤其是壁流式DPF能夠大程度降低尾氣中顆粒物排放而應用廣泛。DPF的安裝會引起排氣背壓增加，隨著碳載量soot的不斷累積，會引起燃油經(jīng)濟性惡化。因此，DPF需要在柴油機各個工況下不發(fā)生碳顆粒堵塞并且能有效完成碳顆粒的再生清除。

DPF再生分為主動再生和被動再生兩種，主動再生需要用發(fā)動機后噴或者在DOC前端增加HCI噴射柴油來實現(xiàn)。當碳載量達到一定限值時需要開始主動再生，小于限值時停止主動再生；被動再生為主的技術路線，需要在碳載量超標時提醒駕駛員，因此需要精確計算碳載量。

碳載量試驗稱重方法是對空載和加載后的DPF進行稱重，但是在車輛實際運行中不能拆卸DPF，該方法不能應用到再生判斷中，只能作為碳載量計算對照值。國內(nèi)外學者開展了碳載量估算間接方法的研究，文獻［1］和文獻［2］研究了利用DPF壓差來計算碳載量的方法，但是不同后處理大包特性導致DPF壓差并不能完全與碳載量成顯性關系，通用性不高，在碳載量較小時誤差較大且沒有做動態(tài)工況試驗驗證。文獻［3］研究了基于碳載量模型估算碳載量的方法，但是該文原排碳載量沒有考慮DPF過濾效率影響，也沒有考慮再生成功后對碳載量初始值的設置。

本文提出了一種基于DPF過濾效率修正的碳載量模型計算方法，對原排碳載量增加了DPF過濾效率系數(shù)修正，也增加了再生成功后對碳載量初始值設置以及DPF稱重后清零邏輯；通過MATLAB／Simulink軟件來實現(xiàn)模型，并基于CCBC測試循環(huán)和C-WTVC測試循環(huán)來驗證。

1 實現(xiàn)國VI排放的技術路線

為滿足國VI法規(guī)，本文采取的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案簡圖

催化氧化器DOC可以氧化柴油發(fā)動機排氣中的HC、CO及SOF，對固體顆粒物PM有一定降低作用，同時氧化過程中釋放的熱量可以提升排氣溫度，從而提高DPF效率。

尾氣處理裝置DPF可以吸附柴油發(fā)動機排氣中的固體顆粒物PM，從而減少PM生成量。但是吸附一定量的PM后會產(chǎn)生較大的排氣背壓，需要DPF再生。

選擇性催化還原系統(tǒng)SCR用于降低柴油發(fā)動機排氣中的氮氧NOx量。

按照排氣方向，圖2從右向左依次布置上游PM傳感器、HCI噴射裝置、DOC上游溫度傳感器、DPF上游溫度傳感器、DPF壓差傳感器、SCR上游溫度傳感器、SCR上游NOx傳感器、SCR下游溫度傳感器、SCR下游NOx傳感器、下游PM傳感器。

2 模型建立

柴油機排放的顆粒物主要由碳煙soot、可溶性有機物（SOF）和硫酸鹽組成。其中SOF和硫酸鹽的生成量少，且SOF在排氣溫度合適時會被DOC氧化，因此DPF中捕集的顆粒物成分主要是碳煙soot，本文主要針對碳煙soot累積量進行計算。

2.1 DPF碳載量理論模型建立

將DPF看成一個整體，建立質(zhì)量平衡模型，實現(xiàn)對DPF碳載量的更新。DPF質(zhì)量平衡示意圖如圖2所示。

圖2 DPF質(zhì)量平衡示意圖

公式（1）、（2）為理想情況，認為DPF入口和出口的排氣體積流量相同，沒有考慮DPF堵塞等情況。圖2中為碳煙在DPF內(nèi)的沉積速率，計算如公式 （3）所示；m表示沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量。

公式 （3）中E代表捕集器總的捕集過濾效率，計算如公式 （4）所示：

DPF碳煙質(zhì)量的加載速率等于碳煙質(zhì)量的沉積速率減去碳煙質(zhì)量的氧化速率。其中碳煙顆粒的加載速率可以通過對時間求導獲得，而碳煙質(zhì)量的再生速率可以通過不同時刻的碳煙加載質(zhì)量m乘以該時刻的再生氧化效率KR得到，從而得到微粒捕集器內(nèi)的碳煙質(zhì)量平衡方程，如公式 （5）：

將公式 （3） 帶入公式 （5） 變形為公式 （6）：

公式 （6）可見，單位積分時間內(nèi)沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量等于DPF入口碳煙soot質(zhì)量流量乘以DPF整體捕集過濾效率減去DPF再生速率。

對公式 （6）積分，得公式 （7）：

由公式 （7）可知，沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量為DPF入口碳煙soot質(zhì)量流量乘以DPF整體捕集過濾效率減去DPF再生速率后再積分。

2.2 基于DPF過濾效率修正的碳載量模型建立

在DPF內(nèi)主要發(fā)生2種碳煙顆粒的氧化反應：熱氧化反應主動再生和NO2輔助氧化反應被動再生，對應公式 （7）中KR×m。

根據(jù)公式 （7），本文提出的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型中沉積在DPF內(nèi)部的碳煙質(zhì)量計算邏輯簡圖如圖3所示。

圖3 碳煙質(zhì)量計算邏輯簡圖

圖3 可見，碳載量為模型計算碳載量質(zhì)量流量積分得到。模型計算碳載量質(zhì)量流量為沉積質(zhì)量流量減去再生消耗質(zhì)量流量得到。沉積質(zhì)量流量為碳載量原排乘以DPF過濾效率得到。再生消耗質(zhì)量流量為主動再生消耗質(zhì)量流量與被動再生消耗質(zhì)量流量相加得到。

研究表明：中、高負荷工況，同一工況點瞬態(tài)工況下的soot排放與穩(wěn)態(tài)工況下的soot排放不同。實際運行時，柴油機會經(jīng)常出現(xiàn)加速和減速的情況，進氣系統(tǒng)的反應相對于燃油噴射系統(tǒng)存在滯后現(xiàn)象，加速過程時瞬態(tài)工況下的進氣量少于穩(wěn)態(tài)工況，造成過量空氣系數(shù)下降，使噴入缸內(nèi)的燃油得不到充分燃燒，導致soot的瞬態(tài)排放高于穩(wěn)態(tài)排放；減速過程則相反。因此計算原排碳載量質(zhì)量流量時應考慮穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況，穩(wěn)態(tài)計算為轉(zhuǎn)速和扭矩查脈譜得到soot原排原始值加溫度EGR率修正，試驗表明瞬態(tài)工況下空燃比與soot的有一定關系。邏輯簡圖如圖4所示。

圖4 原排碳載量質(zhì)量流量計算邏輯簡圖

按照DPF過濾效率計算公式需要DPF入口排放濃度與DPF出口排放濃度，但是在實際應用中在DPF入口和出口均沒有測試排放濃度的傳感器，在DOC上游和SCR下游均設置了PM傳感器。PM傳感器在測量階段的測量電流能反映排氣中碳煙soot的濃度。DPF過濾效率可通過公式 （8）計算：

主動再生消耗碳載量主要是排氣中的氧氣與DPF的soot發(fā)生氧化還原反應，生成CO2、CO，反應方程式為：

主動再生消耗碳載量邏輯簡圖如圖5所示。

圖5 主動再生消耗碳載量邏輯簡圖

被動再生消耗碳載量主要是DOC轉(zhuǎn)化后的NO2與DPF的soot發(fā)生持續(xù)氧化還原反應，生成CO2、CO和NO，反應方程式為：

被動再生消耗碳載量邏輯簡圖如圖6所示。

圖6 被動再生消耗碳載量邏輯簡圖

碳載量積分主要完成模型計算碳載量質(zhì)量流量積分得到碳載量質(zhì)量，以及增加DPF堵塞或者移除等故障對碳載量質(zhì)量的影響。當再生成功時，碳載量質(zhì)量重置為再生成功初始值。積分比例系數(shù)在無故障時，僅需要考慮單位換算；當DPF堵塞故障發(fā)生時，積分比例系數(shù)按照堵塞程度增加；當DPF移除故障發(fā)生時，積分比例系數(shù)會減少。

2.3 基于DPF過濾效率修正的碳載量仿真模型構建

運用MATLAB／Simulink軟件，將圖3碳煙質(zhì)量計算邏輯簡圖中穩(wěn)態(tài)原排碳載量、瞬態(tài)原排碳載量、DPF過濾效率、主動再生消耗碳載量、被動再生消耗碳載量、碳載量積分模型搭建成完整的DPF碳載量仿真模型，如圖7所示。

圖7 DPF碳載量仿真模型

3 CCBC測試循環(huán)驗證

碳加載試驗主要是驗證DPF碳加載模型與實際加載是否一致。為了驗證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型穩(wěn)態(tài)特性，車輛載荷為17t，測試循環(huán)為CCBC循環(huán)。

CCBC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果如表1所示。

表1 CCBC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果

CCBC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果折線圖如圖8所示。

圖8 CCBC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果折線圖

圖8 中縱坐標為碳加載量，橫坐標為里程。通過表1和圖8的碳加載試驗稱重結(jié)果和碳加載模型增長對比數(shù)據(jù)可見，模型計算較為準確，偏差約為12%，滿足精度要求。

圖9 CCBC循環(huán)碳煙soot量測試結(jié)果圖

圖10 CCBC循環(huán)碳煙原排soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖11 CCBC循環(huán)被動再生及主動再生soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖12 CCBC循環(huán)DPF上游溫度測試結(jié)果圖

最后一組7個CCBC循環(huán)測試數(shù)據(jù)碳煙soot量測試結(jié)果如圖9~圖12所示。橫坐標為測試時間，縱坐標依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質(zhì)量流量、被動再生soot量質(zhì)量流量、主動再生soot量質(zhì)量流量、DPF上游溫度。由于DPF上游溫度偏低，最高溫度僅為300℃左右，碳煙累積循環(huán)過程中O2和soot的氧化反應主動再生反應溫度條件在500~700℃，主動再生soot量質(zhì)量流量為0；碳煙累積循環(huán)過程中NO2和soot在250~450℃之間會發(fā)生被動再生反應，低于250℃被動再生soot量質(zhì)量流量為0。

4 C-WTVC測試循環(huán)驗證

為驗證搭建的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型瞬態(tài)特性，車輛載荷為17t，測試循環(huán)為C-WTVC循環(huán)，海拔為3700m。碳加載試驗結(jié)果如表2所示。

表2 C-WTVC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果

由表2對比表1可見，由于測試循環(huán)不同及測試海拔不同，相同里程下實際碳加載量表2比表1大很多。

C-WTVC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果折線圖如圖13所示。圖13中縱坐標為碳加載量，橫坐標為里程。通過表2和圖13的碳加載試驗稱重結(jié)果和碳加載模型增長對比數(shù)據(jù)可見，模型計算較為準確，偏差約為13%，滿足精度要求。

圖13 C-WTVC循環(huán)碳加載試驗結(jié)果

選取一組C-WTVC循環(huán)測試數(shù)據(jù)碳煙soot量測試結(jié)果圖如圖14~圖17所示。橫坐標為測試時間，縱坐標依次為碳煙soot量、碳煙原排soot量質(zhì)量流量、被動再生soot量質(zhì)量流量、主動再生soot量質(zhì)量流量、DPF上游溫度。

圖14 C-WTVC循環(huán)碳煙soot量測試結(jié)果圖

圖15 C-WTVC循環(huán)碳煙原排soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖16 C-WTVC循環(huán)被動再生及主動再生soot量質(zhì)量流量測試結(jié)果圖

圖17 C-WTVC循環(huán)DPF上游溫度測試結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文提出的基于DPF過濾效率修正的碳載量模型相較于其他碳載量計算方法而言利用DPF效率修正可以彌補DPF壓差計算碳載量方法中DPF壓差傳感器在低排氣流量時偏差過大的不足，也可以彌補碳載量理論計算方法中DPF堵塞故障及DPF移除故障情況下碳載量依然正常計算的不足，可以準確進行DPF主動再生觸發(fā)時刻判斷。CCBC測試循環(huán)和CWTVC測試循環(huán)測試結(jié)果表明，本文的DPF過濾效率修正的碳載量模型計算的碳載量與實際稱重的碳載量誤差在12%~13%之間，滿足工程應用要求。