基于模型的国VI重型柴油机DOC辅助DPF 系统控制策略研究

2019-10-28李延红高发廷王秋花黄少文

汽车电器 2019年10期

李延红，高发廷，王秋花，刘浩，黄少文

（中国重型汽车集团有限公司技术发展中心，山东济南 250101）

目前我国法规对重型汽车尾气的排放要求越来越严格，汽车排放尾气中颗粒PM和颗粒数PN成为衡量汽车品质的一个重要标准。为了达到国Ⅵ排放标准，不只发动机本体设计要发生变化，柴油车采用EGR+DOC+DPF+SCR技术成为满足排放法规的主要路线。相较于现有技术增加EGR（废气再循环）装置以降低原机的NOX（氮氧化物），后处理系统也要增加DOC（催化氧化器）和DPF（尾气处理装置），以降低尾气排放中的颗粒物。本文提出一种DOC辅助DPF系统控制策略。

1 实现国Ⅵ排放的技术路线

国Ⅵ法规中标准循环排放限值NOX降低到0.46g／kWh，PM降低至10mg／kWh，增加了PN6.0×1011／kWh的要求。为满足国Ⅵ法规，本文采取的系统方案如图1所示。

如图1所示，废气再循环系统EGR把发动机排出的部分废气送回进气歧管，与新鲜空气混合后一起再次进入气缸，使气缸中混合气的氧浓度和最高燃烧温度降低，从而减少了NOX的生成量。

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。

图1 实现国Ⅵ排放的系统方案

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的作用是降低柴油发动机排气中的氮氧NOX量。使用尿素水溶液作为还原剂，将尿素溶液实时适量地喷射到排气管中。喷射到排气管中的尿素首先会分解为氨气NH3和二氧化碳CO2；在选择性催化剂的作用下NH3会与NOX反应生成氮气N2和水H2O，从而将尾气中的NOX还原成无害的氮气N2。

2 DPF系统的组成及工作原理

2.1 DPF系统的组成

图2 DPF结构简图

DPF是一种全封闭式固体颗粒捕集器，其结构简图见图2。尾气只能通过通道之间壁面的毛细空隙才能排出，由于毛细空隙直径较小，因此DPF具有很好的过滤净化效果，但是吸附一定量的PM后会产生较大的排气背压。

DPF系统组成简图见图3。DPF系统主要包括排气管路、再生电控单元、HC喷射装置、DOC上游温度传感器、DOC、DPF上游温度传感器、DPF、DPF压差传感器及PM传感器；DPF的入口和DPF的出口与压差传感器相连。

图3 DPF系统简图

2.2 DPF系统的工作原理

DPF对PM有很好的过滤净化效果，过滤一定量PM颗粒后，会将DPF载体堵塞，会产生较大排气背压，使得发动机性能降低。DPF再生过程是碳烟颗粒氧化或燃烧，使载体不会堵塞。

DPF再生分为主动再生和被动再生两种形式。大多数工况下，柴油机DPF系统依靠发动机的排气温度进行被动再生；只有在发动机排气温度较低并且碳载量累积到再生阈值时才通过向DOC前排气管喷入HC，依靠DOC氧化放热提升排气温度实现DPF系统的主动再生。主动再生时利用DOC对燃油的氧化催化作用放出热量提高DPF的进气温度。通过在排气管道DOC前端附加喷油和供气装置，到DOC起燃点时向排气管道中DOC前端喷入适量燃油同时利用原始排气和附加的进气将喷入的高压燃油进行充分雾化，使其均匀分布于排气中。当充分雾化后的尾气流经DOC时，排气中的燃油将吸附在DOC表层；此时利用DOC的催化氧化作用释放出足够热量，使得DPF上游排气温度达到其再生温度从而在高温排气流过DPF时将内部捕集的可燃PM颗粒燃烧实现再生。

DPF主动再生时，DOC处化学方程式如公式（1）：

DPF处化学方程式如公式（2）：

DPF被动再生时，DOC处化学方程式如公式（3）：

DPF处化学方程式如公式（4）：

2.3 DPF系统的工作过程

DPF被动再生不需要控制，满足NO氧化条件即可发生。DPF主动再生工作过程如下。

1）升温阶段：主动再生请求满足时，ECU控制器控制发动机喷油使其转速维持在某一较高转速，同时限制进气节流阀TVA开度，减少新鲜进气量对温度的降低，关闭EGR阀以防废气温度流失；当DOC上游温度控制在350℃-400℃内时，升温完成。

2）再生阶段：升温完成后，ECU控制器控制发动机转速维持在某一较高转速，DCU控制器会根据主动再生中碳颗粒充分燃烧所需温度控制HC喷射装置打开HCI切断阀及打开HCI喷射阀向发动机排气管DOC前端喷入燃油。

3）降温阶段：再生完成后，关闭HCI关断阀及关闭HCI喷射阀；ECU控制器控制发动机回怠速，同时控制进气节流阀TVA全打开，最大新鲜空气进气量进入发动机进气管以降低温度；当DOC上游温度和DPF上游温度都低于设定值时，则降温成功，进入正常运行模式。

3 DPF系统再生控制策略

基于模型的DPF系统控制时，首先会根据再生请求开关请求、服务再生请求、碳载量计算再生请求判断是否存在主动再生请求；当存在主动再生请求时，会对DOC上游温度和DPF上游温度进行控制以达到再生要求，同时控制HC喷射。基于模型的DPF系统控制策略简图见图4。

图4 基于模型的DPF系统控制策略简图

3.1 再生请求控制

再生请求判断是综合再生开关再生请求、服务再生请求、碳载量计算再生请求来获得最终优先级最高的再生请求。再生请求控制策略简图见图5。

图5 再生请求控制策略简图

碳载量是根据DPF压差和模型来计算。利用DPF压差计算时需要大量的经验数据作为依据，基于模型计算时是通过当前工况计算的累积碳载量减去再生消耗的碳载量而得的。由于DPF压差与碳载量关系曲线会根据后处理大包不同而不同，本策略中DPF压差计算的碳载量仅作修正作用。

3.2 再生喷油量计算

当满足再生请求时，首先通过调整发动机ECU控制的喷油规律在上止点后喷入少量燃油，利用缸内高温高压环境使后喷入的柴油燃烧，使排气温度达到DOC的工作温度350℃；此时开启排气管HC喷射装置，使之向DOC前端的排气管中喷入少量柴油，通过DOC对HCI燃料的催化氧化作用来提高排气温度，直到DOC出口达到颗粒起燃温度600℃为止。再生喷油量计算是由当前DOC前端温度及DPF前端温度要达到再生时DOC前端需求温度及DPF前端需求温度所需热量而来。再生喷油量计算策略简图如图6所示。

图6 再生喷油量计算策略简图

3.3 再生过程控制

再生过程中为使得PM能充分燃烧，需要利用后喷提升DOC前端温度和利用HCI喷射提升DPF前端温度。根据再生请求及HCI喷油量，对HCI切断阀和HCI喷射阀进行闭环控制，保持DPF前端温度在PM起燃温度以上；在此期间对空气阀进行控制，保证已喷射HCI燃油在DOC前充分雾化，使其进入到DOC之后充分反应。HCI喷射控制策略如图7所示。