一种基于DPF过滤效率修正的碳载量模型计算方法

李延红，刘 浩，黄少文，翟霄雁

（中国重型汽车集团有限公司技术发展中心，山东 济南 250101）

为了满足国VI排放法规，柴油机采用颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）当前主流技术路线，尤其是壁流式DPF能够大程度降低尾气中颗粒物排放而应用广泛。DPF的安装会引起排气背压增加，随着碳载量soot的不断累积，会引起燃油经济性恶化。因此，DPF需要在柴油机各个工况下不发生碳颗粒堵塞并且能有效完成碳颗粒的再生清除。

DPF再生分为主动再生和被动再生两种，主动再生需要用发动机后喷或者在DOC前端增加HCI喷射柴油来实现。当碳载量达到一定限值时需要开始主动再生，小于限值时停止主动再生；被动再生为主的技术路线，需要在碳载量超标时提醒驾驶员，因此需要精确计算碳载量。

碳载量试验称重方法是对空载和加载后的DPF进行称重，但是在车辆实际运行中不能拆卸DPF，该方法不能应用到再生判断中，只能作为碳载量计算对照值。国内外学者开展了碳载量估算间接方法的研究，文献［1］和文献［2］研究了利用DPF压差来计算碳载量的方法，但是不同后处理大包特性导致DPF压差并不能完全与碳载量成显性关系，通用性不高，在碳载量较小时误差较大且没有做动态工况试验验证。文献［3］研究了基于碳载量模型估算碳载量的方法，但是该文原排碳载量没有考虑DPF过滤效率影响，也没有考虑再生成功后对碳载量初始值的设置。

本文提出了一种基于DPF过滤效率修正的碳载量模型计算方法，对原排碳载量增加了DPF过滤效率系数修正，也增加了再生成功后对碳载量初始值设置以及DPF称重后清零逻辑；通过MATLAB／Simulink软件来实现模型，并基于CCBC测试循环和C-WTVC测试循环来验证。

1 实现国VI排放的技术路线

为满足国VI法规，本文采取的系统方案如图1所示。

图1 系统方案简图

催化氧化器DOC可以氧化柴油发动机排气中的HC、CO及SOF，对固体颗粒物PM有一定降低作用，同时氧化过程中释放的热量可以提升排气温度，从而提高DPF效率。

尾气处理装置DPF可以吸附柴油发动机排气中的固体颗粒物PM，从而减少PM生成量。但是吸附一定量的PM后会产生较大的排气背压，需要DPF再生。

选择性催化还原系统SCR用于降低柴油发动机排气中的氮氧NOx量。

按照排气方向，图2从右向左依次布置上游PM传感器、HCI喷射装置、DOC上游温度传感器、DPF上游温度传感器、DPF压差传感器、SCR上游温度传感器、SCR上游NOx传感器、SCR下游温度传感器、SCR下游NOx传感器、下游PM传感器。

2 模型建立

柴油机排放的颗粒物主要由碳烟soot、可溶性有机物（SOF）和硫酸盐组成。其中SOF和硫酸盐的生成量少，且SOF在排气温度合适时会被DOC氧化，因此DPF中捕集的颗粒物成分主要是碳烟soot，本文主要针对碳烟soot累积量进行计算。

2.1 DPF碳载量理论模型建立

将DPF看成一个整体，建立质量平衡模型，实现对DPF碳载量的更新。DPF质量平衡示意图如图2所示。

图2 DPF质量平衡示意图

公式（1）、（2）为理想情况，认为DPF入口和出口的排气体积流量相同，没有考虑DPF堵塞等情况。图2中为碳烟在DPF内的沉积速率，计算如公式 （3）所示；m表示沉积在DPF内部的碳烟质量。

公式 （3）中E代表捕集器总的捕集过滤效率，计算如公式 （4）所示：

DPF碳烟质量的加载速率等于碳烟质量的沉积速率减去碳烟质量的氧化速率。其中碳烟颗粒的加载速率可以通过对时间求导获得，而碳烟质量的再生速率可以通过不同时刻的碳烟加载质量m乘以该时刻的再生氧化效率KR得到，从而得到微粒捕集器内的碳烟质量平衡方程，如公式 （5）：

将公式 （3） 带入公式 （5） 变形为公式 （6）：

公式 （6）可见，单位积分时间内沉积在DPF内部的碳烟质量等于DPF入口碳烟soot质量流量乘以DPF整体捕集过滤效率减去DPF再生速率。

对公式 （6）积分，得公式 （7）：

由公式 （7）可知，沉积在DPF内部的碳烟质量为DPF入口碳烟soot质量流量乘以DPF整体捕集过滤效率减去DPF再生速率后再积分。

2.2 基于DPF过滤效率修正的碳载量模型建立

在DPF内主要发生2种碳烟颗粒的氧化反应：热氧化反应主动再生和NO2辅助氧化反应被动再生，对应公式 （7）中KR×m。

根据公式 （7），本文提出的基于DPF过滤效率修正的碳载量模型中沉积在DPF内部的碳烟质量计算逻辑简图如图3所示。

图3 碳烟质量计算逻辑简图

图3 可见，碳载量为模型计算碳载量质量流量积分得到。模型计算碳载量质量流量为沉积质量流量减去再生消耗质量流量得到。沉积质量流量为碳载量原排乘以DPF过滤效率得到。再生消耗质量流量为主动再生消耗质量流量与被动再生消耗质量流量相加得到。

研究表明：中、高负荷工况，同一工况点瞬态工况下的soot排放与稳态工况下的soot排放不同。实际运行时，柴油机会经常出现加速和减速的情况，进气系统的反应相对于燃油喷射系统存在滞后现象，加速过程时瞬态工况下的进气量少于稳态工况，造成过量空气系数下降，使喷入缸内的燃油得不到充分燃烧，导致soot的瞬态排放高于稳态排放；减速过程则相反。因此计算原排碳载量质量流量时应考虑稳态和瞬态两种情况，稳态计算为转速和扭矩查脉谱得到soot原排原始值加温度EGR率修正，试验表明瞬态工况下空燃比与soot的有一定关系。逻辑简图如图4所示。

图4 原排碳载量质量流量计算逻辑简图

按照DPF过滤效率计算公式需要DPF入口排放浓度与DPF出口排放浓度，但是在实际应用中在DPF入口和出口均没有测试排放浓度的传感器，在DOC上游和SCR下游均设置了PM传感器。PM传感器在测量阶段的测量电流能反映排气中碳烟soot的浓度。DPF过滤效率可通过公式 （8）计算：

主动再生消耗碳载量主要是排气中的氧气与DPF的soot发生氧化还原反应，生成CO2、CO，反应方程式为：

主动再生消耗碳载量逻辑简图如图5所示。

图5 主动再生消耗碳载量逻辑简图

被动再生消耗碳载量主要是DOC转化后的NO2与DPF的soot发生持续氧化还原反应，生成CO2、CO和NO，反应方程式为：

被动再生消耗碳载量逻辑简图如图6所示。

图6 被动再生消耗碳载量逻辑简图

碳载量积分主要完成模型计算碳载量质量流量积分得到碳载量质量，以及增加DPF堵塞或者移除等故障对碳载量质量的影响。当再生成功时，碳载量质量重置为再生成功初始值。积分比例系数在无故障时，仅需要考虑单位换算；当DPF堵塞故障发生时，积分比例系数按照堵塞程度增加；当DPF移除故障发生时，积分比例系数会减少。

2.3 基于DPF过滤效率修正的碳载量仿真模型构建

运用MATLAB／Simulink软件，将图3碳烟质量计算逻辑简图中稳态原排碳载量、瞬态原排碳载量、DPF过滤效率、主动再生消耗碳载量、被动再生消耗碳载量、碳载量积分模型搭建成完整的DPF碳载量仿真模型，如图7所示。

图7 DPF碳载量仿真模型

3 CCBC测试循环验证

碳加载试验主要是验证DPF碳加载模型与实际加载是否一致。为了验证搭建的基于DPF过滤效率修正的碳载量模型稳态特性，车辆载荷为17t，测试循环为CCBC循环。

CCBC循环碳加载试验结果如表1所示。

表1 CCBC循环碳加载试验结果

CCBC循环碳加载试验结果折线图如图8所示。

图8 CCBC循环碳加载试验结果折线图

图8 中纵坐标为碳加载量，横坐标为里程。通过表1和图8的碳加载试验称重结果和碳加载模型增长对比数据可见，模型计算较为准确，偏差约为12%，满足精度要求。

图9 CCBC循环碳烟soot量测试结果图

图10 CCBC循环碳烟原排soot量质量流量测试结果图

图11 CCBC循环被动再生及主动再生soot量质量流量测试结果图

图12 CCBC循环DPF上游温度测试结果图

最后一组7个CCBC循环测试数据碳烟soot量测试结果如图9~图12所示。横坐标为测试时间，纵坐标依次为碳烟soot量、碳烟原排soot量质量流量、被动再生soot量质量流量、主动再生soot量质量流量、DPF上游温度。由于DPF上游温度偏低，最高温度仅为300℃左右，碳烟累积循环过程中O2和soot的氧化反应主动再生反应温度条件在500~700℃，主动再生soot量质量流量为0；碳烟累积循环过程中NO2和soot在250~450℃之间会发生被动再生反应，低于250℃被动再生soot量质量流量为0。

4 C-WTVC测试循环验证

为验证搭建的基于DPF过滤效率修正的碳载量模型瞬态特性，车辆载荷为17t，测试循环为C-WTVC循环，海拔为3700m。碳加载试验结果如表2所示。

表2 C-WTVC循环碳加载试验结果

由表2对比表1可见，由于测试循环不同及测试海拔不同，相同里程下实际碳加载量表2比表1大很多。

C-WTVC循环碳加载试验结果折线图如图13所示。图13中纵坐标为碳加载量，横坐标为里程。通过表2和图13的碳加载试验称重结果和碳加载模型增长对比数据可见，模型计算较为准确，偏差约为13%，满足精度要求。

图13 C-WTVC循环碳加载试验结果

选取一组C-WTVC循环测试数据碳烟soot量测试结果图如图14~图17所示。横坐标为测试时间，纵坐标依次为碳烟soot量、碳烟原排soot量质量流量、被动再生soot量质量流量、主动再生soot量质量流量、DPF上游温度。

图14 C-WTVC循环碳烟soot量测试结果图

图15 C-WTVC循环碳烟原排soot量质量流量测试结果图

图16 C-WTVC循环被动再生及主动再生soot量质量流量测试结果图

图17 C-WTVC循环DPF上游温度测试结果图

5 结论

本文提出的基于DPF过滤效率修正的碳载量模型相较于其他碳载量计算方法而言利用DPF效率修正可以弥补DPF压差计算碳载量方法中DPF压差传感器在低排气流量时偏差过大的不足，也可以弥补碳载量理论计算方法中DPF堵塞故障及DPF移除故障情况下碳载量依然正常计算的不足，可以准确进行DPF主动再生触发时刻判断。CCBC测试循环和CWTVC测试循环测试结果表明，本文的DPF过滤效率修正的碳载量模型计算的碳载量与实际称重的碳载量误差在12%~13%之间，满足工程应用要求。