DPF再生温度控制策略研究

吴 恒, 程晓章, 韦 伟

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009; 2.安徽艾可蓝节能环保科技有限公司,安徽 池州 247100)

与汽油机相比,柴油机的压缩比高、燃油消耗率低、燃油经济好,且没有点火系统的故障,因此应用日益广泛[1]。柴油机尾气排放主要有NOx、CO、HC和颗粒物,并以颗粒物为主[2],颗粒物排放已成为制约柴油机发展的关键。因此,如何有效地降低颗粒物排放是当前柴油机研究的热点和难点。随着排放法规的日益严格,仅仅依靠优化缸内燃烧过程已经不能满足排放标准,需要辅以后处理系统。

柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)是目前最有效的降低颗粒净化后处理技术[3]。一方面DOC可以降低HC、CO的排放;另一方面利用DOC对HC的氧化放热可以提高排气温度,使DPF入口温度达到微粒的可燃温度[4]，从而去除柴油机尾气中的碳烟颗粒,其效率超过90%。众所周知,再生控制是DPF的关键,其核心问题是如何使DPF入口温度达到再生要求。目前,国内外对柴油机的DPF再生过程和再生控制策略开展了大量的理论和实验研究。文献[5]证明了燃油催化再生添加剂(fuel borne catalyst,FBC)在DPF有效被动再生方面的有效性;文献[6]提出了一种基于改进的自适应干扰抑制控制的延迟时间自适应复合控制器,其设计可以有效控制DOC的输出温度;文献[7]在中低负荷的稳态条件下,研究了主动控制策略对排气热管理的影响;文献[8]研究DPF再生过程载体温度的控制,并提出了控制降低怠速再生过程载体温度的技术方案。分析得知,大部分研究都是从DPF再生参数优化与控制着手的。

本文提出新的假想,即DOC由6块相等的区域组成,目的是为了让再生温度能被精确地控制,DOC温度的模型值(由DOC的散热模型、柴油的热值和比热容、DOC对HC的氧化效率得出)与实测值能更好地吻合;通过标定好6块区域的效率、温升和温降斜率相同来合理控制再生的温度场,从而精确控制进入DPF入口的温度,进而最大限度地去除尾气中的碳烟颗粒。

1 试验装置

试验在一台排量为2.54 L的四缸增压中冷、最大功率为80 kW、最大转速为3 200 r/min的柴油发动机上进行。原机装配DOC+DPF可满足国五排放标准。

试验后处理主要结构参数如下:排气后处理系统形式为DOC+DPF;载体结构及材料为蜂窝状陶瓷;催化转化器容积为3 441 mL;颗粒捕集器型式为塞入式;颗粒物捕集器容积为3 685 mL;颗粒捕集器安装位置为增压器涡壳出口法兰盘距DPF载体端面950～1 250 mm处;贵金属(催化剂)种类及其质量比mPt∶mPd=2∶180;DOC载体孔密度为400 cpsi;DPF载体孔密度为300 cpsi。

2 台架布置

试验采用AVL SCHNEIDER电力测功机、AVL642燃烧分析仪、AVL不透光烟度计4390 G004、AVL滤纸烟度计415SE、AVL质量流量计7351 CST、AVL颗粒采样仪SPC478FC.CHAD,AVL前置采样仪HSS i60 MEDIUM、AVL燃油温控系统753CH以及若干K型温度传感器、若干压力传感器。发动机试验台架及示意图如图1所示。DOC载体内布置了7个温度传感器以获取载体内部温度情况,传感器是等距安装在DOC上,间距为50 mm,且第1个传感器在DOC最前端。

图1 试验台架及其示意图

3 DOC温度场建模

3.1 DOC反应机理及仿真模型

DOC是以一些贵金属为催化剂,通过氧化反应来减少发动机尾气中的CO、HC等有害气体,还可以通过控制燃油后喷控制其内部的氧化反应放热,从而实现其下游温度的控制,为DPF主动再生创造条件[9]。DOC反应的主要机理为:

(1)

(2)

2NO+O22NO2

(3)

(4)

DOC中的化学反应控制方程在AVL Fire软件中主要基于Voltz所建立的化学反应动力学方程[10],动力学模型也采用Voltz的实验数据[11]。

3.2 DOC载体内部分割

目前的DPF再生技术以主动再生为主。主动再生是一个典型的闭环控制问题,为了实现DPF温度的精确控制,后处理系统控制器根据DOC的温度反馈信号,调节后喷1的油量。不过,DOC载体以及其中的排气具有较大的热惯性,控制响应速度慢,若只用简单的闭环反馈控制很容易产生温度波动[12]。本文提出的DPF再生控制策略是将DOC载体划分成6块区域,假想DOC由6块效率区域组成,通过标定6块区域的效率、温升和温降趋势来控制DOC内部温度场,实现DPF再生温度的良好控制。试验中需要在原有2个PT200温度传感器的基础上,在DOC内部增加7支热电偶实时测量DOC 6块区域的温度,监测DOC温升和DPF温降。DOC传感器布置和模块示意图如图2所示。

图2 DOC传感器布置和模块示意图

3.3 试验验证

为了验证模型的合理性和计算结果的准确性,试验的发动机及后处理参数设置同第1节。计算中采用台架试验的测量数据作为计算的初始和边界条件[13]。在t=40 s时垂直于轴向截面的流体温度场如图3所示。

从图3可以看出,在同一时刻不同轴向位置的温度没有明显关系,此时刻最高温度在DOC中间部分。这些现象是DOC系统的延时特性与空间特性的体现。

图3 复杂工况下t=40 s时刻垂直于轴向截面的流体温度场

6块区域试验结果与仿真模拟计算结果的对比如图4所示。从图4可以看出,试验与模拟计算结果基本一致。由此表明,本文建立的计算模型较为准确。

图4 6块区域试验和模拟计算结果的对比

3.4 DPF开环温度标定

再生DPF入口温度的模型是从燃油燃烧和废气的输入热量、DOC中散失到环境的热量、HC逃逸和废气带走的热量中组建关系搭建的模型。在标定DPF入口温度时,先搭建一个基于开环控制的模型值,再生温度逻辑模型如图5所示。在瞬态工况下修正6块区域模型值与设定值的差值以及DOC老化导致的后喷1油量增加使得实际温度达到再生温度，将此时的DPF入口温度实测值与设定值比较算出一个温度值,并将此温度值赋予DOC入口温度来修正DPF入口温度。

再生温度模型的建立和标定可以使排气进入DPF的温度达到(620±20) ℃,在满足再生温度的条件下控制DOC内部模型温度、热电偶实测温度、DPF入口设定温度三者接近(差值不能超过15 ℃),从而让DPF温度模型与实际更贴合,实现更精确的闭环控制。通过标定DOC的6块区域效率进气歧管绝对压力(manifold absolute pressure,MAP)来调节DOC内部模型温度,通过DPF入口温度设定值MAP来调节DOC内部设定温度,通过后喷1燃烧效率MAP来调节热电偶实测温度。在实际过程中,为了降低再生过程中机油稀释的风险,若后喷1油量过大,则让后喷1分2次喷射[14]。

图5 再生温度逻辑模型

后喷1的油量与DPF入口温度之间的关系如图6所示。

图6 后喷1油量与DPF入口温度的关系

为了能让每块区域的模型温度变化规律和实际测量温度变化规律相同,首先需要标定每块区域的质量,让每块区域的质量相等；其次,让每块区域的模型温度和实测温度的上升、下降斜率相同,这相当于标定模型温度的惯性量。标定之后每块区域的温度斜率趋势如图7所示。从图7可以看出,虽然每块区域的实测温度都比模型温度高,但模型温度和实测温度的上升、下降趋势基本保持一致，而且试验中瞬态工况下每块区域的模型温度和实测温度会有些偏差,但差值都控制在15 ℃范围以内,可以避免DPF载体发生损坏。

图7 6块区域的温度斜率

4 试验结果及分析

将上述标定好的数据固化到电子控制单元(electronic control unit,ECU)中,保持发动机为热态(水温控制在85 ℃左右),在试验台架上进行万有特性试验。转速由额定转速点以200 r/min的降幅逐渐减至1 000 r/min,每个转速点的工况扭矩保持一致。记录下各个工况点的实验数据,得到DPF温度-Engine Map,如图8所示。由图8可知,除低速小负荷区域外,经过DOC内部温度优化后,进入DPF的排气温度基本上达到(620±20) ℃,满足了再生温度要求。这说明本文提出将DOC分割成6块区域以精确控制DPF入口温度的策略可行,DPF的再生效率达到90%。

图8 DPF温度-Engine Map

5 结 论

本文提出了一种将DOC分割成6块区域,并标定好6块区域的效率、温升和温降趋势的温度控制策略，通过该策略的优化,实现了将温度模型输出温度与热电偶实测温度保持在较小的误差范围内。

(1) DPF的入口温度得到更加精确的控制,温度波动范围可控制在(620±20) ℃内,保证了DPF再生的完全性。

(2) 发生在发动机运转工况瞬态变化时的DPF再生,其温度模型输出温度与实测温度偏差较大,而优化后偏差可控制在15 ℃以内,避免了在加速状态时发生DPF实际入口温度比模型输出温度高出太多而对载体造成的热冲击等损伤。

(3) DPF温度MAP显示在万有特性下,除低速低负荷的很小区域DPF温度难以达到设定温度目标值,其他区域均满足再生温度需求。对于低速低负荷的再生控制将是今后的研究方向。