基于Simulink模型的再生温度控制策略

王秋花，刘永春，高发廷，李延红

（中国重汽集团技术发展中心，山东 济南 25000）

随着汽车工业的快速发展，中国重型柴油车的数量也在飞速增长，随之带来的排放问题也日趋严重，对中国的环境带来巨大的压力，因此国家对车辆的排放法规也越来越严格。2018年6月22日，生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）标准［1］。为了满足国六排放法规的要求，目前有两种主流路线：一种为EGR+DOC+DPF+SCR的路线，另一种为Hi-eSCR（高效选择性催化还原系统）方案或EGR+Hi-eSCR。目前中国市场上主要是第1种路线，本文主要介绍DOC辅助DPF再生的温度控制策略。

1 国六后处理系统构成

国六后处理系统主要构成结构如图1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。在DOC的上游布置有HCI燃油喷射装置，用于提升DPF上游的温度；在SCR的上游布置有De－NOx系统，用于向SCR载体中喷射尿素；同时，在DOC的上游、DPF的上游、SCR的上游和下游布置有4个排温传感器，分别用于DPF的再生控制和SCR的尿素喷射控制；在DOC的入口和ASC的出口分别设有2个NOX传感器，用于SCR的闭环控制和OBD诊断；在DPF上设有压差传感器，用于DPF堵塞及辅助再生时刻判断；在ASC的出口布置有PM传感器，用于OBD诊断功能。

图1 国六后处理系统构成

2 DOC与DPF的工作原理

DOC（Diesel Oxidation Catalyst）柴油机氧化型催化转化器，是柴油机排气后处理装置中的一种，可通过氧化作用，同时降低排气中CO、HC等污染物排放量，并且将排气污染物中的一氧化氮 （NO）转化为二氧化氮 （NO2）。DOC一般以金属或陶瓷作为催化剂的载体，涂层中主要活性成分是铂、钯等贵金属与稀土金属。在国六系统中，DOC的作用至关重要，其主要作用有以下3点。

1）将废气里的NO转化为NO2，当废气温度高于300℃后，NO2能够将DPF捕集到的颗粒再生掉，实现DPF的被动再生。

2）当DPF的主动再生需要被激活时，是DOC将HCI喷入的柴油氧化，把废气温度提高到 600℃左右。

3）将废气里的NO转化为NO2，当废气中NO2比例上升后，能够迅速提升SCR的转化效率能力。

DPF（Diesel Particulate Filter）柴油机颗粒捕捉器，是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它的作用是通过表面跟内部混合的过滤装置捕捉颗粒，例如扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截，能够有效地净化排气中70%～90%的颗粒，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一。颗粒捕集持续发生，DPF内颗粒会越积越多，最终堵塞DPF，必须通过再生的方式清除碳颗粒，DPF再生方式分为被动再生、主动再生两种。

被动再生：将NO在DOC载体中氧化为NO2，NO2比O2活跃，在250~450℃时，氧化碳颗粒。

发生的化学反应如下：

主动再生：实际运行工况中，排气温度达不到被动再生条件，需要通过HCI喷入燃油，在DOC中发生氧化反应，将排气温度提高到550℃以上，使得碳颗粒燃烧，氧化反应生成二氧化碳。

发生的化学反应如下［2］：

3 主动再生温度控制

主动再生需求的温度在550℃以上，但是当DPF温度过高时，会造成DPF烧熔，温度梯度过大会导致DPF烧裂［3］。因此，将DPF入口的温度控制目标定义为600±50℃。

如图2所示，当DPF载体中累积的Soot量过多时，需要触发主动再生。此时，需要在DOC的入口处通过HCI燃油喷射装置喷入一定量的燃油，用于提升DPF的温度。HCI燃油喷射量的计算通常采用闭环控制策略。

图2 AHC燃油喷射系统构成

基本喷油量算法：

式中：dmFu——基本请求喷油量；dmFuOpenLop——基于开环控制计算的喷油量；dmFuFdBk——基于反馈控制计算的喷油量。

考虑到当DPF内载体温度过高时，会将DPF载体烧融，因此需要加入载体保护限值。

式中：dqDem——HCI模块喷油量；dmFuCatMax——基于DPF载体保护温度计算的最大喷油量。

3.1 开环燃油量dmFuOpenLop的计算

开环燃油量的计算主要是基于热力学方程。如图3所示，进入DOC载体内部的热量分为两部分，一部分为发动机废气中携带的热量，一部分为HCI喷入燃油转化的热量；DOC载体出口的热量可以分为3部分，一部分为HCI喷入的燃油未充分燃烧而损失的热量，一部分为流入DPF载体中废气携带的热量，还有一部分是散失到空气中的热量。

图3 DOC载体内部热力学方程式

式中：m˙EG——废气质量流量；cpEG，in——DOC入口废气的比热容；Tin——DOC载体入口温度；m˙Fu——开环请求燃油喷射量；Hu——燃油的热容量；KA——DOC与外界热交互系数；Tdem——需求温度；Tenv——大气温度；cpEG，out——DOC出口废气的比热容；Tout——DPF入口温度；fSlip——未转化燃油效率。

根据上述公式，使用Simulink搭建开环控制模型，如图4所示。

图4 开环燃油喷射量计算模型

3.2 闭环反馈燃油量dmFuFdBk的计算

在模型中增加实时反馈控制模块，用于实时调控HCI的喷油量。当DPF上游采集的温度值大于期望目标值时，需要减少喷油量；反之，则需要增加喷油量。为了精确控制反馈的喷油量，可以将DOC载体细分成几个部分，然后根据需求温度和实际温度的差值，可以计算得出反馈喷油量dmFuFd－Bk。反馈控制模块如图5所示。

图5 DOC反馈控制模块

式中：fac——反馈喷油量热容系数；Tdem——DOC载体内不同块的需求温度；TSim——DOC载体内不同块的仿真温度，TSim的计算可以根据DOC载体入口温度Tin和DPF入口温度Tout的温度，然后根据热力学模型进行估算。

3.3 载体保护喷油量dmFuCatMax的计算

再生时，若载体内温度过高，会造成载体的高温失效，因此需要设置一个基于载体保护的最大温度，如图6所示。然后根据DOC载体内的仿真温度，通过热力学方程，计算得出基于载体保护所允许的最大喷油量dmFuCatMax。

图6 载体保护喷油量

4 再生温度控制结果

4.1 试验工况的确定

试验工况采用GB／T19754-2005推荐的中国典型城市公交车循环 （CCBC）工况［4］，该循环工况是基于北京、上海、广州3个城市的公交运行数据制定的，包含怠速、加减速、高中低速等实际道路工况，运行时间1314s，如图7所示。

4.2 主动再生温度控制结果

图8是CCBC循环工况下的再生温度控制结果。从图8中可以看出，DPF入口温度可以平稳地控制在600±50℃内，满足设计要求。

图7 CCBC循环工况

图8 CCBC循环下的再生温度控制

5 结论

1）基于柴油机后喷控制技术的DPF再生技术方案结构简单，控制灵活，符合现代重型柴油机的发展方向。

2）采用本文的基于Simulink模型的DPF再生温度控制策略，整个DPF再生过程是安全且有效的。