黃鐵雄，胡廣地，孟忠偉，曾東建

（1.西華大學汽車與交通學院，成都 610039；2.西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

前言

在DPF 熱再生過程中，采用較高的再生效率有助于降低柴油機實際運行過程中的DPF 再生頻率，從而降低綜合燃油消耗。另一方面，由于再生完成后的潔凈DPF 在初始工作階段對PM 的捕集效率較低［4］，因此應避免采用過高的再生效率，以降低排放。輕型柴油機通常采用缸內后噴油方式來輔助DPF 熱再生，因此再生過程中在確保合理的再生效率的基礎上降低再生持續(xù)時間，也有利于降低機油稀釋影響，從而減小對發(fā)動機的磨損，延長機油更換的時間間隔和發(fā)動機的使用壽命?？梢?，再生效率是對DPF 熱再生過程進行有效管理、促進高效應用的重要控制變量，可為DPF 熱再生結束的控制提供判斷依據(jù)。目前主流文獻中均以DPF內碳載量作為判斷熱再生開始的依據(jù)，但對于如何判斷DPF 再生結束缺乏進一步的深入探討。文獻［5］和文獻［6］中利用安裝在DPF兩端的壓差傳感器測量DPF壓差信號，建立碳載量與壓差、排氣流速等的對應關系，以此來判斷DPF非再生階段的碳載量水平和再生開始的時機。由于DPF熱再生階段的氧化反應作用使得DPF 深床層和餅層的局部碳煙結構被破壞，因此再生過程中基于DPF壓差信號計算的碳載量與實際碳載量往往存在較大誤差。文獻［7］中提出了一種基于質量平衡的DPF 碳載量估計模型，但對于碳煙氧化的化學反應動力學參數(shù)采用了來自固定反應床的模擬炭黑的小樣試驗結果，同時對于模型估計的碳載量是否可用作再生結束的判斷依據(jù)未作進一步討論。文獻［8］中分析了不同再生目標溫度對再生效率的影響，其DPF 仿真模型采用GT?Power 軟件建立，因此難以進行實時部署和用于在線觀測。

本文中基于DPF熱再生過程的碳煙顆粒氧化反應機理建立了DPF再生效率的實時計算模型。在此基礎上采用試驗研究方式對DPF熱再生反應方程的化學反應動力學參數(shù)進行辨識，并在發(fā)動機臺架的穩(wěn)態(tài)工況和整車實際道路行駛工況進行再生效率模型的試驗驗證。結果為DPF熱再生中準確判斷再生結束時機和促進再生過程的高效控制提供參考。

1 試驗裝置

發(fā)動機試驗臺架的布置示意圖如圖1 所示。試驗用發(fā)動機為某4JB1/JE 型直列4 缸、增壓中冷柴油機，在柴油機排氣管路安裝有由氧化型催化轉化器（DOC）和DPF組成的后處理器。該柴油發(fā)動機采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，因此試驗中采用在發(fā)動機膨脹行程末往缸內噴入燃油方式，其生成的未燃HC等隨排氣進入DOC 后發(fā)生催化型氧化發(fā)熱反應，從而實現(xiàn)DPF熱再生時所需的較高排氣溫度目的。試驗用發(fā)動機及后處理器的主要技術參數(shù)見表1。試驗中采用的儀器設備包括HORIBA MEXA?7100D 氣體分析儀、PT200排氣溫度傳感器、SENSATA 1MPP2?1壓差傳感器、METTLER TOLEDO KA32s 高精度電子天平等。

試驗用車輛為某輕型皮卡車。該試驗車整備質量為1.78 t，最大設計總質量小于3.5 t，滿足國Ⅴ排放法規(guī)，其基本技術參數(shù)見表2。

圖1 發(fā)動機試驗臺架示意圖

表1 試驗用發(fā)動機及后處理器技術參數(shù)

2 DPF再生效率建模與試驗

2.1 DPF熱再生反應機理與再生效率建模

DPF熱再生過程中DPF入口端排氣溫度一般需維持在550 ℃以上［9］。由于排氣溫度較高，柴油機排氣中的O2與DPF 內累積的碳煙顆粒發(fā)生氧化放熱反應，其化學反應方程式為

表2 試驗用車輛基本參數(shù)

式中?H 為化學反應熱。由于柴油機的排氣中氧體積濃度較高，因此可忽略式（1）中生成產(chǎn)物CO 對再生過程影響，即fco=0。該式根據(jù)化學反應動力學經(jīng)驗定律可得：

式中：A為指前因子參量；Ea為式（1）的化學反應活化能；R為摩爾氣體常數(shù)；T為DPF溫度，根據(jù)DPF上游和下游溫度傳感器的測量結果加權計算得到。

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根據(jù)文獻［10］和文獻［11］中的研究結果，排氣中的O2體積濃度大于5%時DPF 再生速率趨于穩(wěn)定。因此，式（2）中可忽略發(fā)動機尾氣中的O2濃度對再生速率的影響，綜合式（2）和式（3）可以得到：

由式（4）可以看出，DPF再生速率主要由DPF內的當前碳煙質量和再生反應溫度決定。DPF再生效率η定義為

式中m0為DPF 再生開始時刻的初始碳載量。將式（4）對時間求積分，同時結合式（5）可整理得到DPF再生效率模型為

式中t為再生持續(xù)時間，再生初始時刻t=0。可見，通過確定DPF內碳煙顆粒的再生反應速率和再生反應的化學反應動力學參數(shù)，可計算得到DPF再生效率。對模型中反應級數(shù)α 和反應活化能參數(shù)Ea等本文中采用臺架試驗獲取，從而確定DPF 內剩余碳煙質量和DPF溫度對再生速率的影響。

2.2 DPF剩余碳煙質量對再生速率的影響

圖2 所示為再生溫度600°C 下的DPF 內剩余碳煙質量隨再生持續(xù)時間的變化趨勢。圖中試驗開始前先將DPF 徹底再生，接著在特定的發(fā)動機工況對DPF 進行碳煙顆粒加載直至達到滿載碳載量水平，約9.1 g/L。隨后將DPF 置于排氣溫度為600 °C 的發(fā)動機尾氣中進行熱再生。試驗過程中每再生5 min左右將DPF從排氣管路中拆除，同時對DPF恒溫處理后采用高精度電子天平稱重。從圖中試驗結果可以看出，試驗開始后的前10 min 再生時間內DPF 內碳煙負載量隨再生時間快速降低，之后DPF剩余碳煙量的變化趨于平緩。試驗結束時總再生持續(xù)時間為21 min，DPF 內剩余碳煙質量為0.75 g/L，計算得到DPF再生效率為91.8%。采用多項式方程對試驗結果進行擬合，得到圖2 中示出的DPF 剩余碳煙量的變化趨勢曲線，其表達式為

式中：c0、c1、c2、c3和c4為擬合系數(shù)；t 為再生持續(xù)時間，h。

圖2 DPF剩余碳煙質量隨時間變化

將式（7）對時間求導，可得到該試驗稱重時刻的DPF再生速率，其與DPF內剩余碳煙量的關系如圖3所示。采用線性方程和最小二乘法對圖中DPF再生速率試驗結果校核，并進行參數(shù)辨識得到相關系數(shù)R2為0.997。表明試驗范圍內DPF 再生速率與剩余碳煙量具有較好的線性相關關系。因此模型中反應級數(shù)可確定為α=1?？梢钥闯?，DPF 內剩余碳煙量越大，DPF再生速率也越大；再生過程中隨著DPF內的剩余碳煙量減小，DPF再生速率將線性降低。

圖3 DPF再生速率與剩余碳煙質量關系

2.3 DPF溫度對再生速率的影響

為獲取DPF 溫度對再生速率的影響規(guī)律，試驗過程中在500～600 °C 范圍內依次選取不同的DPF再生溫度，將DPF 在依次選取的排氣溫度下持續(xù)再生一段時間，同時測量該段時間內的DPF 碳載量前后變化，得到不同再生溫度下DPF 再生速率的試驗結果，如表3所示。試驗中總共選取5種典型的DPF再生溫度情況，再生溫度間隔約25°C。為保證試驗結果的一致性以降低計算誤差，每次試驗的再生持續(xù)時間均設置為5 min，且每次試驗開始前先將DPF在630°C 排氣溫度下徹底再生，之后將DPF 進行碳煙顆粒加載直至滿載碳載量水平。

表3 DPF再生速率試驗結果

由于指前因子參量A 對再生溫度較為敏感，因此對表3 中的再生速率試驗結果進行歸一化處理，結合式（4）得到歸一化氧化速率θ的表達式為

式中u和w為擬合系數(shù)因子，其表達式為

式中Aref為參考溫度Tref試驗工況下的指前因子參量。

圖4 示出了歸一化后DPF 熱再生速率隨DPF 溫度變化情況。采用最小二乘法進行校核和參數(shù)辨識，得到相關系數(shù)為R2=0.996，擬合系數(shù)因子分別為u=8.038×105和w=1.293×104K。根據(jù)式（9）可進一步計算得到DPF 熱再生反應的活化能參數(shù)Ea=107.5 kJ/mol，由文獻［12］中研究結果，該試驗值在合理范圍內。

圖4 DPF再生速率與再生溫度關系

3 臺架與車輛道路試驗驗證

3.1 發(fā)動機臺架試驗

采用C 程序語言將DPF 再生效率模型編程實現(xiàn)，并編譯和下載到發(fā)動機控制單元。在發(fā)動機臺架上進行4 次DPF 熱再生試驗。每一次試驗開始前，將DPF 加載至接近滿載碳載量水平，約8～9 g/L。圖5 中分別示出了不同再生持續(xù)時間下DPF 再生效率隨時間變化趨勢。試驗中采用典型的分階段式的DPF 再生控制模式［13］。其中第1 階段為初始再生階段，初始再生階段由于碳載量較高故采用較低的再生溫度，該階段的再生目標溫度設置為530°C，再生保持時間約為6.7 min；第2 階段的目標再生溫度設置為580°C，再生保持時間自圖5（a）至圖5（d）分別約為3.3、11.3、14.3 和18.3 min。因此，圖5（a）～圖5（d）試驗的有效再生持續(xù)時間分別約為10、18、21和25 min。由圖可知，再生開始后當DPF 再生溫度達到設定的初始再生溫度530°C 時，再生效率逐漸上升；當進行到第2 再生階段時，由于再生溫度升高，DPF再生效率呈快速上升趨勢。此后，隨著再生持續(xù)時間的增加，再生溫度保持不變但由于DPF 內的剩余碳煙量逐漸減少，因此再生效率的上升速度趨于平緩。

圖5（a）～圖5（d）中試驗結束時，DPF 再生效率的模型計算結果分別為25.8%、49.9%、56.3%和64.7%，對應的試驗測量結果分別為20.2%、52.4%、58.2%和67.4%。將模型計算結果與試驗測量結果進行對比，如圖6 所示?？梢钥闯瞿Ｐ偷淖畲笥嬎阏`差為5.6%，表明本文中建立的模型能夠實時和準確地計算DPF 熱再生過程中的再生效率，較好滿足實際應用需求。

圖5 臺架試驗中DPF再生效率隨時間變化

圖6 再生效率模型計算結果與試驗結果對比

3.2 車輛道路試驗驗證

圖7 示出了再生效率模型的車輛道路試驗結果和試驗過程中車速和再生溫度隨時間的變化情況。試驗開始時DPF 初始碳載量為7.57 g/L，試驗中最高車速約120 km/h，試驗工況主要包含高速和市郊駕駛工況，如圖7 所示，試驗的第5 min 處開始DPF熱再生，再生過程中由于車速和排氣流量等的急劇變化，使得對再生溫度的控制難度增加，因此實際DPF再生溫度與目標溫度之間存在較大的波動。再生過程初始階段的目標再生溫度設置為520 °C，持續(xù)時間約5 min；第2、3 階段的目標再生溫度分別為580 和600 °C，再生持續(xù)時間均為15 min 左右。因此，整個試驗的總再生持續(xù)時間約34 min。隨著再生的進行，DPF 再生效率逐漸增大。試驗結束時DPF 再生效率的計算值為76.8%，試驗測量結果為72.0%，得到模型的計算誤差為4.8%。表明建立的再生效率模型能夠在車輛實際道路行駛中實時和準確的判斷DPF 內再生效率水平，為評估和確定合理的再生結束時機提供了有效的判斷依據(jù)。

圖7 實際道路行駛中DPF再生效率隨時間變化

在車輛實際運行過程中，DPF 再生開始時的初始碳載量不可由測量直接獲得，通常根據(jù)DPF 壓降信號或模型預估方法等計算得到［6-7，14］。另一方面，根據(jù)建立的再生效率模型可獲得再生結束后的DPF內剩余碳煙質量。在實際應用中由于車輛運行中DPF 對碳煙顆粒的加載和再生過程為交替、反復進行，若進一步采用該剩余碳煙質量作為后續(xù)碳煙加載過程的初始碳載量，則需進一步研究合理的控制策略如采取間隔性的強制徹底再生措施等，以降低累加誤差的影響。

4 結論

（1）基于DPF 熱再生反應機理探討并建立了DPF再生效率計算模型，通過發(fā)動機臺架試驗對DPF再生反應的化學反應動力學參數(shù)進行了校核和辨識，得到DPF內碳煙顆粒與O2的熱再生氧化反應的反應級數(shù)為α=1，反應的活化能參數(shù)為Ea=107.5 kJ/mol。

（2）通過發(fā)動機臺架的穩(wěn)態(tài)試驗工況和整車實際道路行駛工況分別進行了試驗驗證。結果表明，再生過程中再生效率模型的最大計算誤差為5.6%，較好滿足實際應用要求，為DPF 熱再生中準確判斷再生結束時機和促進再生過程的高效控制和應用提供了參考。