柴油车微粒捕集器再生时机判断方法研究

罗 涛 索建军

摘要:再生不完全和过滤体损坏是目前微粒捕集器使用过程中存在的主要问题,准确的判断再生时机可以说是解决这两个问题的关键。文章讨论了DPF再生时机的判断方法,分析了各种方法的优、缺点。

关键词:再生不完全;过滤体损坏;再生时机

中图分类号:TK421文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0050-02

氮氧化物和微粒是机动车的主要污染物。其中微粒主要来自柴油车,是柴油车排放必须控制的主要对象。随着各国对环保要求的日益提高,排放法规日趋严格。而从燃烧的角度解决柴油车微粒的微粒排放已经接近极限,在没有新技术出现的情况下,依靠对已有技术进行改进和优化来进一步降低柴油车微粒物排放已经没有多大潜力。从长远看,为满足更严格的排放法规,排放后处理装置将成为车辆的一种标准配置。目前,在众多柴油车微粒排放后处理技术中,微粒捕集器(DPF)是公认有效的一种方法。

一、 DPF使用中存在的主要问题

微粒捕集器技术应用主要包括过滤体材料和过虑体的再生技术两个难题。近年来,过滤体材料的研究已经取得了很大的进步,目前使用的过滤体材料主要有:陶瓷基材料、金属基材料、复合基材料和新型材料(Al2O3 ·TiO2)等。其中,钛酸铝过滤体和碳化硅过滤体有较好的应用前景,但其实用性仍需通过实际应用进行进一步的验证。相对过滤体材料而言,过虑体再生技术相对滞后,目前,过滤体的再生技术主要有:进排气节流再生、喷油助燃再生、电加热再生、微波加热再生、逆向喷气再生、连续再生和催化再生等。但是每种再生技术都有自己的优缺点,并且没有非常成熟的应用装置。目前,在DPF使用过程中主要有以下几个问题:

(一)过滤体损坏

主要是过滤体的烧熔和破裂。这是因为在实际使用过程中,由于再生时机的选择过迟,造成微粒数量累积过多,导致了在再生过程中DPF温度过高,致使过滤体损坏。这样会导致柴油机尾气微粒直接排入空气中,DPF无法起到过滤的作用。这就需要进一步解决过滤材料的耐高温等问题。

(二)过滤体再生不完全

主要原因是因为DPF实际应用中,选择再生时机过早,因而微粒累积量不够而造成DPF再生困难,产生再生不完全的问题。如果次数过多,会造成DPF部分过孔堵死,使发动机排气背压上升,影响发动机性能。

上述两个问题对DPF使用影响很大,因此,需要将再生时候的微粒积存量控制在一定范围之内。而在车辆运行过程中,微粒体的积存量很难直接进行测量。因此,对于任何一种再生技术都有一个什么时候开始再生的问题,即再生时刻如何确定的问题。可以说,能否准确地判断再生时机,是DPF能否再生成功,保证其过滤效率和使用寿命达到预定要求的关键。

二、再生时机判断方法

再生时机的判断方法主要有以下几种:

(一)根据排气背压判断

根据排气背压判断再生时机是目前应用最普遍的方法,实质是判断微粒捕集器内的微粒量是否满足再生要求。根据排气背压判断再生时机,首先要确定发动机转速、负荷和排气背压流量之间的关系,即排气背压MAP。确定好排气背压MAP后,即可利用插值方法增加MAP的数据,利用查表的方式将监测到的排气压力值与排气背压MAP中对应的数据进行比较,当实时监测到的排气压力值超过允许的极限值时,DPF可以进行再生。此外,也可以首先发动机转速、负荷和排气流量的关系,即排气流量MAP,根据排气流量和排气压力值间的关系,确定排气背压,再利用实时监测的值和查表所得值进行比较,确定是否需要再生。

但是,根据排气背压判断再生时机存在以下困难:排气压力本身是一个脉动的信号,要实时地把排气压力监测的十分准确难度很大。(1)不同工况条件下排气背压MAP数据的取得是一个十分庞大的工程,要做大量的实验,进行大量的数据分析;不同工况条件下对应的排气压力限值的确定也是一个棘手的问题;(2)影响排气压力的因素纵多,如何区分正常的和非正常的排气压力值是一个必须解决的问题;(3)排气压力传感器工作环境十分恶劣,要求其在腐蚀性、湿度、严寒、高温、抗微粒阻塞等严苛的条件下仍能够很好的工作;(4)根据实验得到的数据比较少,必须进行插值,现在普遍采用的线性插值方法所得到的数据不是很准确,与实际的有一定的差距;(5)整个再生控制系统比较复杂,控制起来比较困难,造价比较昂贵。

(二)根据时间判断

根据时间来判断再生时机,有一定的实用性。有关实验表明:在一定的工况条件下,排气压力与时间基本上成正比。若发动机工况稳定,假设过滤效率不变,则微粒积存量与排气压力成正比。

因此,在发动机工况较为稳定或有规律的条件下,可以利用时间作为判断再生的依据。根据柴油机的常用工况以及在此工况的微粒排放特性和过滤器的过滤效率,或通过试验方法确定在一段时间内过滤器中微粒的积存量,可以确定再生时刻。这种方法结构简单,成本较低,且实现起来也比较容易,但是用这种方法判断再生时机不是很精确。因为车辆实际运行中,发动机工况不可能稳定在某一特定的工况,DPF的过滤效率会随着时间的增加而改变,如前所述的假设是不成立的。因此,按照时间来判断再生时机是不甚科学的。但是对于一些运行有规律的车辆(如城市公共汽车、工程机械等),只要能合理的确定再生时间间隔,这种方法还是有一定的实用性的。

(三)根据行驶里程判断

由于车辆实际行驶里程无法从ECU直接测到,因此,这种方法应该说是一种人工触发的方法。驾驶员可以根据里程表显示读数进行人为的干预,确保再生时机更加可靠。根据行驶里程判断再生时机,方法也比较简单。

但是,微粒累积量相同的情况下,发动机工况不同的条件下行驶里程都不一样,而且可能差距很大。因此,以此种方法判断再生时机,需要确定不同工况的条件下累积微粒量达到再生要求时车辆的行驶里程。而这种方法的困难在于DPF自动再生控制系统如何准确的获得车辆的行驶里程数。当然可以利用车速传感器,但是这样会造成控制系统成本的增加。

因此,根据行驶里程判断再生时机要想做到完全自动再生,困难还是比较大。如果在行驶里程达到再生时人为地触发再生开关来达到再生的目的则会简单很多。但是,这种方法判断再生时机也是不甚准确。

(四)根据总的耗油量判断

根据耗油量判断再生时机也是一种比较简单的方法。在实际车辆运行中,微粒累积量与耗油量的关系也甚为密切。车辆正常工况条件下运行时,消耗每升燃油所产生的微粒量相差不是很大。因此,可以将燃油消耗量作为判断再生时机的依据。

根据耗油量判断再生时机,相对根据时间和行驶里程判断再生时机的方法,准确性有了很大的提高。相对根据排气背压判断再生时机的方法,虽然准确性稍差,但是不论在硬件还是软件的实现以及工作量上,都要容易许多。因此根据耗油量判断再生时机不失为一种可行的方法。

(五)根据模型判断

根据模型判断是最早利用的方法之一。由于影响排气压力的因素众多,此种方法将其中一部分影响因素忽略或者将其看为常量,而对其中影响比较明显的因素进行分析,确定最终的模型。

目前DPF过滤模型建立和发展的基础主要依赖于Konstangdopoulos和Johnson早期建立的模型。他们建立的过滤模型十分全面,其中,排气背压和微粒过滤模型在较为宽广的排气条件下已经得到验证,并得到了广泛的赞同。

三、结语

文章阐述了DPF在使用过程中存在的主要问题,并分析了产生该问题的主要原因。研究了DPF再生时机的判断方法,并阐明了各种方法的优缺点。对以排气背压进行再生时机判断的方法进行了重点分析。因为在众多判断DPF再生时机的方法中,根据排气背压来判断是应用最普遍,也是以后最主要的应用方法。

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作者简介:罗涛(1985-),男,军事交通学院动力机械及工程专业硕士研究生,研究方向:军用动力机械性能。