基于機(jī)內(nèi)技術(shù)的dpf再生控制策略研究

基于機(jī)內(nèi)技術(shù)的dpf再生控制策略研究

堿減量和顆粒捕收劑再生技術(shù)隨著私家車的廣泛應(yīng)用和排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，只有依靠?jī)?nèi)部?jī)艋夹g(shù)無(wú)法滿足歐洲和其他排放法規(guī)的要求，必須同時(shí)采用物流裝置。與汽油機(jī)不同,柴油機(jī)的空燃比較大,無(wú)法利用汽油機(jī)的三效催化器對(duì)排放物進(jìn)行有效處理。微粒過(guò)濾技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)微粒排放控制簡(jiǎn)單和有效的技術(shù)之一[1~3]。近年來(lái),“氧化催化+微粒捕捉”已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),其基本功能如下:氧化催化:將沒(méi)有完全燃燒的HC、CO和部分微粒氧化,生成CO2和H2O。柴油機(jī)的氧化催化器一般為多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu),這樣的結(jié)構(gòu)使HC、CO與O2的接觸面積很大,保證氧化效率。在正常工作時(shí),HC和CO氧化過(guò)程的放熱能夠使催化器處于正常的工作溫度范圍。微粒捕捉:與汽油機(jī)相比,柴油機(jī)的有害排放物中微粒是主要成分之一。微粒捕捉器的功能是將微粒捕捉,其核心是過(guò)濾體和過(guò)濾體的再生。在剛開(kāi)始工作時(shí),過(guò)濾體可以吸附90%的微粒,隨著微粒的堆積,過(guò)濾體前后的壓力差越來(lái)越顯著,柴油機(jī)的排氣阻力加大,這時(shí)需要采用一系列措施將微粒燒掉,即進(jìn)行再生?！把趸呋?微粒捕捉”的最大技術(shù)難題就是過(guò)濾體的再生技術(shù)問(wèn)題。在各種柴油機(jī)微粒捕捉器再生技術(shù)中,除連續(xù)再生外,都需要對(duì)再生時(shí)機(jī)進(jìn)行判斷,并且對(duì)再生過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,即進(jìn)行再生控制。過(guò)濾體的再生受顆粒加載濃度、柴油機(jī)的排氣溫度、排氣中的氧氣含量、排氣流速等多種因素的影響,根據(jù)柴油機(jī)的使用特點(diǎn)和使用工況合理選擇再生技術(shù)對(duì)于微粒捕捉器的安全有效再生具有重要的意義。目前采用的再生方法主要有電加熱再生、噴油助燃再生、微波加熱再生、大負(fù)荷再生、反吹再生和催化再生[5~7]。本文研究的YC4W110-40型轎車柴油機(jī),具有布置緊湊、運(yùn)行工況復(fù)雜等特點(diǎn)。對(duì)于轎車柴油機(jī),一個(gè)好的再生方法必須滿足下列要求:增加的成本必須盡可能低;不能受制于正常的駕駛工況,即能夠在正常駕駛工況中實(shí)現(xiàn)再生,并且再生時(shí)對(duì)整車的駕駛性能影響要小。顯然上述再生技術(shù)對(duì)于轎車柴油機(jī)具有一定局限性。本文在綜合考慮各方面因素的基礎(chǔ)上,擬定一種全新的再生技術(shù):基于柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)控制技術(shù),結(jié)合多次噴射和空氣管理的協(xié)調(diào)控制,通過(guò)改變柴油機(jī)的燃燒規(guī)律提升排溫,實(shí)現(xiàn)過(guò)濾體的安全有效再生。該再生技術(shù)不用附加任何輔助系統(tǒng),無(wú)需對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行任何改動(dòng)。1dpf入口溫度的控制和在線故障診斷影響過(guò)濾體再生的因素很多,這些因素之間又相互影響。因此,要想獲得安全有效的再生,必須對(duì)過(guò)濾體的再生過(guò)程進(jìn)行密切的監(jiān)控。為此設(shè)計(jì)了由一個(gè)壓差傳感器和兩個(gè)排溫傳感器組成的再生監(jiān)控系統(tǒng)。壓力損失在DPF再生控制策略中占有重要地位,無(wú)論何種再生方式,壓力損失都可作為控制策略的主要參數(shù),因?yàn)樗c微粒沉積量直接相關(guān),并且受柴油機(jī)工況運(yùn)行參數(shù)的影響。DPF壓力損失值還是柴油機(jī)排氣系統(tǒng)在線故障診斷的重要判斷依據(jù)。在目標(biāo)柴油機(jī)的DPF系統(tǒng)中,采用壓差傳感器測(cè)量經(jīng)過(guò)微粒過(guò)濾器的壓降(如圖1所示),該數(shù)據(jù)作為一個(gè)重要的信號(hào)輸入傳輸?shù)紼CU,ECU根據(jù)壓力差來(lái)判斷捕集器中顆粒的集聚程度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DPF的再生啟動(dòng)與結(jié)束的控制。排氣溫度是決定過(guò)濾體能否進(jìn)行安全有效再生的關(guān)鍵,過(guò)低的入口再生溫度,會(huì)導(dǎo)致再生過(guò)緩或再生不完全。但過(guò)高的入口再生溫度也可能導(dǎo)致過(guò)載體溫度過(guò)高而燒毀。因此,應(yīng)在保證可靠再生的前提下,合理控制DPF的入口再生溫度。一方面,DOC入口溫度決定DOC中HC的可改變性(點(diǎn)火),另一方面,在再生過(guò)程中,DPF的入口溫度是決定過(guò)濾器中碳煙氧化的重要參數(shù)。為此在DPF系統(tǒng)中采用兩個(gè)排溫傳感器對(duì)排溫進(jìn)行監(jiān)控,其布置如圖1所示。排氣溫度傳感器在柴油機(jī)DPF系統(tǒng)中起十分重要的作用,在再生控制過(guò)程中,排氣溫度傳感器將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紼CU,并與存儲(chǔ)在ECU的再生安全溫度相比較,根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整柴油機(jī)的燃油噴射正時(shí)、多次噴射、進(jìn)氣流量等,避免再生溫度過(guò)高或過(guò)低,實(shí)現(xiàn)DPF安全有效的再生過(guò)程。2再生資源量利用根據(jù)上述分析,再生控制需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,即如何準(zhǔn)確判斷再生時(shí)機(jī)和采用何種途徑實(shí)現(xiàn)再生。針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的再生控制策略。建立了碳煙加載模型,實(shí)時(shí)監(jiān)控微粒捕捉器的飽和狀態(tài),確保再生時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確可靠。再生時(shí)機(jī)確定后,結(jié)合多次噴射和空氣管理的協(xié)調(diào)控制提升排溫,并對(duì)再生溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)DPF的有效安全再生。2.1粒徑沉積量再生時(shí)機(jī)的確定,也就是再生時(shí)過(guò)濾體內(nèi)過(guò)濾的微粒物質(zhì)量的確定。確定再生時(shí)機(jī)須考慮兩方面因素:微粒沉積引起的排氣阻力對(duì)柴油機(jī)性能的影響;微粒沉積量對(duì)再生過(guò)程的影響。微粒物質(zhì)量將影響柴油機(jī)性能、再生效率、再生時(shí)間、再生最高溫度和溫度梯度,以及再生穩(wěn)定性等。如果再生時(shí)機(jī)判斷得不準(zhǔn)確,微粒積累量過(guò)大則使柴油機(jī)性能嚴(yán)重惡化和過(guò)濾體燒熔燒裂,微粒積累過(guò)小,則再生不完全甚至無(wú)法再生。因此,準(zhǔn)確預(yù)估再生時(shí)機(jī)對(duì)于過(guò)濾體再生具有重要意義。由于在實(shí)車應(yīng)用中過(guò)濾器捕捉到的微粒物質(zhì)量不易直接測(cè)量,本文采用基于排氣背壓的間接檢測(cè)方法。在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,同樣的微粒沉積量會(huì)表現(xiàn)出不同的排氣背壓,并且變化范圍大,相同沉積量在不同工況的排氣背壓差異接近4倍。反之,同樣的排氣背壓所對(duì)應(yīng)的微粒沉積量也會(huì)差異很大,所以僅通過(guò)排氣背壓這一個(gè)參數(shù)來(lái)確定再生時(shí)機(jī)是不夠的,必須結(jié)合柴油機(jī)的其它運(yùn)行參數(shù)來(lái)進(jìn)行[10~11]。實(shí)際運(yùn)行時(shí)柴油機(jī)可以檢測(cè)到的參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、負(fù)荷百分比L、捕集器壓力損失Δp(壓差)等,本文提出根據(jù)壓力損失、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷百分比來(lái)進(jìn)行微粒沉積量的評(píng)估判斷,提高再生的一致性,以實(shí)現(xiàn)有效可靠的再生。其基本表達(dá)式為圖3給出了目標(biāo)柴油機(jī)在不同微粒沉積量下的壓力損失分布,根據(jù)需要可以做出更多圖表,可以看出在各沉積量下,速度和負(fù)荷對(duì)壓力損失的影響趨勢(shì)較為一致。此處主要說(shuō)明微粒沉積量的求解過(guò)程:(1)在DPF工作過(guò)程中,獲取到壓力損失值、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷信號(hào)后,首先在圖3幾張表中尋找到該轉(zhuǎn)速和負(fù)荷點(diǎn),確定對(duì)應(yīng)壓力損失值。(2)將實(shí)測(cè)的壓力損失值與這幾個(gè)壓力損失值比較,實(shí)測(cè)值一般只處于兩個(gè)圖表的壓力損失值之間,除非壓力損失很大,超出圖表范圍。(3)確定這兩個(gè)圖表,實(shí)際微粒沉積量就在這兩個(gè)圖表所對(duì)應(yīng)的微粒沉積量之間。對(duì)微粒沉積量進(jìn)行插值計(jì)算,就可求得實(shí)際沉積量。對(duì)于落在圖表中最大壓力損失之外的點(diǎn),實(shí)際微粒沉積量取邊界值。這樣就可以根據(jù)壓力損失、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷得到實(shí)際微粒沉積量,再根據(jù)需要判斷是否進(jìn)行再生。如果實(shí)際微粒沉積量大于再生要求臨界值,則觸發(fā)再生控制措施。2.2排氣溫度與再生的關(guān)系由于柴油機(jī)為富氧燃燒,排氣中的氧氣濃度一般能夠滿足過(guò)濾體再生的要求。排氣溫度和氣流速度是決定過(guò)濾體能否有效再生的關(guān)鍵。圖4示出了目標(biāo)柴油機(jī)不同工況下的排氣等溫曲線,一般在全負(fù)荷條件下排氣溫度最高,排氣溫度可以達(dá)到600℃以上。在車輛通常運(yùn)行的工況下,柴油機(jī)排氣溫度基本在400℃以下。因此,再生要求的500~650℃,在標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)只能在高速和滿負(fù)荷達(dá)到。在低速和部分負(fù)荷工況,為了提高排氣溫度,在柴油機(jī)內(nèi)部采用輔助的措施,如后噴射、延遲主噴射、進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)和進(jìn)氣節(jié)流。在再生中是一個(gè)還是多個(gè)措施觸發(fā),取決于柴油機(jī)的工作區(qū)域。在DOC中,燃油的氧化會(huì)導(dǎo)致排氣溫度的進(jìn)一步升高。圖5所示為目標(biāo)柴油機(jī)的排氣溫度和再生要求的關(guān)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷因素的柴油機(jī)措施,該脈譜圖大體上分為升溫措施特征不同的6個(gè)區(qū)域:(1)區(qū)域1:不需附加措施。(2)區(qū)域2:延遲主噴射,近后噴射大于上止點(diǎn)后30°CA。(3)區(qū)域3:延遲主噴射,遠(yuǎn)后噴射大于上止點(diǎn)后70°CA。(4)區(qū)域4:近后噴射大于上止點(diǎn)后30°CA,延遲主噴射,降低進(jìn)氣壓力。(5)區(qū)域5:近后噴射大于上止點(diǎn)后30°CA,延遲主噴射,降低進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣節(jié)流穩(wěn)定燃燒。(6)區(qū)域6:禁止再生。聯(lián)合使用上述措施,在殘余含氧量大于5%時(shí),DOC下游溫度即DPF入口溫度可達(dá)到600℃。由于碳煙在較低的氧氣濃度時(shí)燃盡很慢,所以殘余含氧量很重要。過(guò)濾器再生期間,碳煙燃燒所需氧氣是從流經(jīng)過(guò)濾器的少量廢氣中獲得的。有EGR時(shí)比無(wú)EGR時(shí),再生效率約下降20%,這是因?yàn)镋GR導(dǎo)致廢氣中含氧量減少,部分碳煙未被燒掉。因此,在上述整個(gè)再生區(qū)域中,廢氣再循環(huán)在再生期間被禁止,避免EGR對(duì)再生過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。再生是保證微粒捕集器正常工作的重要過(guò)程,但再生過(guò)程中仍然存在過(guò)濾體燒熔和燒裂問(wèn)題,這主要是再生時(shí)溫度過(guò)高和溫度梯度過(guò)大造成的。對(duì)于給定微粒負(fù)載的DPF再生,初始溫度決定了再生早期的化學(xué)反應(yīng)速率。如果初始的反應(yīng)速率過(guò)高,產(chǎn)生的反應(yīng)熱導(dǎo)致溫度快速上升,超過(guò)DPF材料能夠忍受的范圍,使DPF在再生的早期階段產(chǎn)生裂縫。因此需要對(duì)再生溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,確保DPF的安全再生。本文采用的排氣溫度控制原理如圖6所示,根據(jù)DPF和DOC上游的排氣溫度傳感器的實(shí)際反饋信號(hào)和目標(biāo)值的偏差,通過(guò)微調(diào)主噴射、后噴射和進(jìn)氣量改變柴油機(jī)的燃燒,實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣溫度的調(diào)節(jié)。具體工作過(guò)程如下:ECU首先根據(jù)DPF再生溫度目標(biāo)值與DPF上游實(shí)測(cè)溫度的偏差,獲得DOC上游溫度的目標(biāo)值,同時(shí)調(diào)整主噴正時(shí);然后根據(jù)DOC上游溫度目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值的偏差,微調(diào)后噴射和進(jìn)氣量,使最終再生溫度穩(wěn)定在目標(biāo)設(shè)定值的安全范圍內(nèi)。3碳煙的起燃過(guò)程圖7為再生期間載體平均溫度、最高溫度以及入口溫度的變化,圖8示出了再生期間載體前后壓降及殘余碳煙密度的變化。由圖可以看出,在初始保溫的50s內(nèi),整個(gè)載體處于溫度分布均勻狀態(tài)。在50~100s,入口處的排氣溫度的提升使載體材料從前端到尾端的總體溫度都得到了提升。在再生進(jìn)行到90s時(shí),載體前端溫度可達(dá)500℃,達(dá)到了碳煙起燃溫度,載體前端開(kāi)始有碳煙燃燒,并逐漸向中心區(qū)域擴(kuò)展。在100s時(shí),載體內(nèi)部的最高溫度可達(dá)550℃,碳煙的氧化速度顯著提升,在載體內(nèi)部出現(xiàn)了更大范圍的高溫區(qū)域。100~150s期間,載體內(nèi)碳煙的燃燒繼續(xù)由靠近入口的區(qū)域向載體中部和尾端,以及軸向的邊緣區(qū)域發(fā)展。隨著碳煙燃燒的進(jìn)行,載體的背壓出現(xiàn)了下降,隨著大量的碳煙被除去,載體前后的壓降變化速度也有所減緩。在150s之后,尾端徑向靠外側(cè)的碳煙繼續(xù)緩慢燃燒。在180s時(shí),尾端碳煙的燃燒趨于結(jié)束。在載體的整個(gè)再生過(guò)程中,DPF