黄铁雄,胡广地,孟忠伟,曾东建
(1.西华大学汽车与交通学院,成都 610039;2.西南交通大学机械工程学院,成都 610031)
在DPF 热再生过程中,采用较高的再生效率有助于降低柴油机实际运行过程中的DPF 再生频率,从而降低综合燃油消耗。另一方面,由于再生完成后的洁净DPF 在初始工作阶段对PM 的捕集效率较低[4],因此应避免采用过高的再生效率,以降低排放。轻型柴油机通常采用缸内后喷油方式来辅助DPF 热再生,因此再生过程中在确保合理的再生效率的基础上降低再生持续时间,也有利于降低机油稀释影响,从而减小对发动机的磨损,延长机油更换的时间间隔和发动机的使用寿命。可见,再生效率是对DPF 热再生过程进行有效管理、促进高效应用的重要控制变量,可为DPF 热再生结束的控制提供判断依据。目前主流文献中均以DPF内碳载量作为判断热再生开始的依据,但对于如何判断DPF 再生结束缺乏进一步的深入探讨。文献[5]和文献[6]中利用安装在DPF两端的压差传感器测量DPF压差信号,建立碳载量与压差、排气流速等的对应关系,以此来判断DPF非再生阶段的碳载量水平和再生开始的时机。由于DPF热再生阶段的氧化反应作用使得DPF 深床层和饼层的局部碳烟结构被破坏,因此再生过程中基于DPF压差信号计算的碳载量与实际碳载量往往存在较大误差。文献[7]中提出了一种基于质量平衡的DPF 碳载量估计模型,但对于碳烟氧化的化学反应动力学参数采用了来自固定反应床的模拟炭黑的小样试验结果,同时对于模型估计的碳载量是否可用作再生结束的判断依据未作进一步讨论。文献[8]中分析了不同再生目标温度对再生效率的影响,其DPF 仿真模型采用GT⁃Power 软件建立,因此难以进行实时部署和用于在线观测。
本文中基于DPF热再生过程的碳烟颗粒氧化反应机理建立了DPF再生效率的实时计算模型。在此基础上采用试验研究方式对DPF热再生反应方程的化学反应动力学参数进行辨识,并在发动机台架的稳态工况和整车实际道路行驶工况进行再生效率模型的试验验证。结果为DPF热再生中准确判断再生结束时机和促进再生过程的高效控制提供参考。
发动机试验台架的布置示意图如图1 所示。试验用发动机为某4JB1/JE 型直列4 缸、增压中冷柴油机,在柴油机排气管路安装有由氧化型催化转化器(DOC)和DPF组成的后处理器。该柴油发动机采用高压共轨燃油喷射系统,因此试验中采用在发动机膨胀行程末往缸内喷入燃油方式,其生成的未燃HC等随排气进入DOC 后发生催化型氧化发热反应,从而实现DPF热再生时所需的较高排气温度目的。试验用发动机及后处理器的主要技术参数见表1。试验中采用的仪器设备包括HORIBA MEXA⁃7100D 气体分析仪、PT200排气温度传感器、SENSATA 1MPP2⁃1压差传感器、METTLER TOLEDO KA32s 高精度电子天平等。
试验用车辆为某轻型皮卡车。该试验车整备质量为1.78 t,最大设计总质量小于3.5 t,满足国Ⅴ排放法规,其基本技术参数见表2。
图1 发动机试验台架示意图
表1 试验用发动机及后处理器技术参数
DPF热再生过程中DPF入口端排气温度一般需维持在550 ℃以上[9]。由于排气温度较高,柴油机排气中的O2与DPF 内累积的碳烟颗粒发生氧化放热反应,其化学反应方程式为
表2 试验用车辆基本参数
式中∆H 为化学反应热。由于柴油机的排气中氧体积浓度较高,因此可忽略式(1)中生成产物CO 对再生过程影响,即fco=0。该式根据化学反应动力学经验定律可得:
式中:A为指前因子参量;Ea为式(1)的化学反应活化能;R为摩尔气体常数;T为DPF温度,根据DPF上游和下游温度传感器的测量结果加权计算得到。
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根据文献[10]和文献[11]中的研究结果,排气中的O2体积浓度大于5%时DPF 再生速率趋于稳定。因此,式(2)中可忽略发动机尾气中的O2浓度对再生速率的影响,综合式(2)和式(3)可以得到:
由式(4)可以看出,DPF再生速率主要由DPF内的当前碳烟质量和再生反应温度决定。DPF再生效率η定义为
式中m0为DPF 再生开始时刻的初始碳载量。将式(4)对时间求积分,同时结合式(5)可整理得到DPF再生效率模型为
式中t为再生持续时间,再生初始时刻t=0。可见,通过确定DPF内碳烟颗粒的再生反应速率和再生反应的化学反应动力学参数,可计算得到DPF再生效率。对模型中反应级数α 和反应活化能参数Ea等本文中采用台架试验获取,从而确定DPF 内剩余碳烟质量和DPF温度对再生速率的影响。
图2 所示为再生温度600°C 下的DPF 内剩余碳烟质量随再生持续时间的变化趋势。图中试验开始前先将DPF 彻底再生,接着在特定的发动机工况对DPF 进行碳烟颗粒加载直至达到满载碳载量水平,约9.1 g/L。随后将DPF 置于排气温度为600 °C 的发动机尾气中进行热再生。试验过程中每再生5 min左右将DPF从排气管路中拆除,同时对DPF恒温处理后采用高精度电子天平称重。从图中试验结果可以看出,试验开始后的前10 min 再生时间内DPF 内碳烟负载量随再生时间快速降低,之后DPF剩余碳烟量的变化趋于平缓。试验结束时总再生持续时间为21 min,DPF 内剩余碳烟质量为0.75 g/L,计算得到DPF再生效率为91.8%。采用多项式方程对试验结果进行拟合,得到图2 中示出的DPF 剩余碳烟量的变化趋势曲线,其表达式为
式中:c0、c1、c2、c3和c4为拟合系数;t 为再生持续时间,h。
图2 DPF剩余碳烟质量随时间变化
将式(7)对时间求导,可得到该试验称重时刻的DPF再生速率,其与DPF内剩余碳烟量的关系如图3所示。采用线性方程和最小二乘法对图中DPF再生速率试验结果校核,并进行参数辨识得到相关系数R2为0.997。表明试验范围内DPF 再生速率与剩余碳烟量具有较好的线性相关关系。因此模型中反应级数可确定为α=1。可以看出,DPF 内剩余碳烟量越大,DPF再生速率也越大;再生过程中随着DPF内的剩余碳烟量减小,DPF再生速率将线性降低。
图3 DPF再生速率与剩余碳烟质量关系
为获取DPF 温度对再生速率的影响规律,试验过程中在500~600 °C 范围内依次选取不同的DPF再生温度,将DPF 在依次选取的排气温度下持续再生一段时间,同时测量该段时间内的DPF 碳载量前后变化,得到不同再生温度下DPF 再生速率的试验结果,如表3所示。试验中总共选取5种典型的DPF再生温度情况,再生温度间隔约25°C。为保证试验结果的一致性以降低计算误差,每次试验的再生持续时间均设置为5 min,且每次试验开始前先将DPF在630°C 排气温度下彻底再生,之后将DPF 进行碳烟颗粒加载直至满载碳载量水平。
表3 DPF再生速率试验结果
由于指前因子参量A 对再生温度较为敏感,因此对表3 中的再生速率试验结果进行归一化处理,结合式(4)得到归一化氧化速率θ的表达式为
式中u和w为拟合系数因子,其表达式为
式中Aref为参考温度Tref试验工况下的指前因子参量。
图4 示出了归一化后DPF 热再生速率随DPF 温度变化情况。采用最小二乘法进行校核和参数辨识,得到相关系数为R2=0.996,拟合系数因子分别为u=8.038×105和w=1.293×104K。根据式(9)可进一步计算得到DPF 热再生反应的活化能参数Ea=107.5 kJ/mol,由文献[12]中研究结果,该试验值在合理范围内。
图4 DPF再生速率与再生温度关系
采用C 程序语言将DPF 再生效率模型编程实现,并编译和下载到发动机控制单元。在发动机台架上进行4 次DPF 热再生试验。每一次试验开始前,将DPF 加载至接近满载碳载量水平,约8~9 g/L。图5 中分别示出了不同再生持续时间下DPF 再生效率随时间变化趋势。试验中采用典型的分阶段式的DPF 再生控制模式[13]。其中第1 阶段为初始再生阶段,初始再生阶段由于碳载量较高故采用较低的再生温度,该阶段的再生目标温度设置为530°C,再生保持时间约为6.7 min;第2 阶段的目标再生温度设置为580°C,再生保持时间自图5(a)至图5(d)分别约为3.3、11.3、14.3 和18.3 min。因此,图5(a)~图5(d)试验的有效再生持续时间分别约为10、18、21和25 min。由图可知,再生开始后当DPF 再生温度达到设定的初始再生温度530°C 时,再生效率逐渐上升;当进行到第2 再生阶段时,由于再生温度升高,DPF再生效率呈快速上升趋势。此后,随着再生持续时间的增加,再生温度保持不变但由于DPF 内的剩余碳烟量逐渐减少,因此再生效率的上升速度趋于平缓。
图5(a)~图5(d)中试验结束时,DPF 再生效率的模型计算结果分别为25.8%、49.9%、56.3%和64.7%,对应的试验测量结果分别为20.2%、52.4%、58.2%和67.4%。将模型计算结果与试验测量结果进行对比,如图6 所示。可以看出模型的最大计算误差为5.6%,表明本文中建立的模型能够实时和准确地计算DPF 热再生过程中的再生效率,较好满足实际应用需求。
图5 台架试验中DPF再生效率随时间变化
图6 再生效率模型计算结果与试验结果对比
图7 示出了再生效率模型的车辆道路试验结果和试验过程中车速和再生温度随时间的变化情况。试验开始时DPF 初始碳载量为7.57 g/L,试验中最高车速约120 km/h,试验工况主要包含高速和市郊驾驶工况,如图7 所示,试验的第5 min 处开始DPF热再生,再生过程中由于车速和排气流量等的急剧变化,使得对再生温度的控制难度增加,因此实际DPF再生温度与目标温度之间存在较大的波动。再生过程初始阶段的目标再生温度设置为520 °C,持续时间约5 min;第2、3 阶段的目标再生温度分别为580 和600 °C,再生持续时间均为15 min 左右。因此,整个试验的总再生持续时间约34 min。随着再生的进行,DPF 再生效率逐渐增大。试验结束时DPF 再生效率的计算值为76.8%,试验测量结果为72.0%,得到模型的计算误差为4.8%。表明建立的再生效率模型能够在车辆实际道路行驶中实时和准确的判断DPF 内再生效率水平,为评估和确定合理的再生结束时机提供了有效的判断依据。
图7 实际道路行驶中DPF再生效率随时间变化
在车辆实际运行过程中,DPF 再生开始时的初始碳载量不可由测量直接获得,通常根据DPF 压降信号或模型预估方法等计算得到[6-7,14]。另一方面,根据建立的再生效率模型可获得再生结束后的DPF内剩余碳烟质量。在实际应用中由于车辆运行中DPF 对碳烟颗粒的加载和再生过程为交替、反复进行,若进一步采用该剩余碳烟质量作为后续碳烟加载过程的初始碳载量,则需进一步研究合理的控制策略如采取间隔性的强制彻底再生措施等,以降低累加误差的影响。
(1)基于DPF 热再生反应机理探讨并建立了DPF再生效率计算模型,通过发动机台架试验对DPF再生反应的化学反应动力学参数进行了校核和辨识,得到DPF内碳烟颗粒与O2的热再生氧化反应的反应级数为α=1,反应的活化能参数为Ea=107.5 kJ/mol。
(2)通过发动机台架的稳态试验工况和整车实际道路行驶工况分别进行了试验验证。结果表明,再生过程中再生效率模型的最大计算误差为5.6%,较好满足实际应用要求,为DPF 热再生中准确判断再生结束时机和促进再生过程的高效控制和应用提供了参考。