柴油機(jī)顆粒物捕集器(DPF)熱再生過程中需要采用適當(dāng)?shù)臒峁芾泶胧PF前端排氣溫度提升到500℃以上，同時(shí)為保證再生效率需將較高的排氣溫度維持在較長一段時(shí)間內(nèi)。由于車輛在實(shí)際道路行駛中其負(fù)荷、環(huán)境等復(fù)雜多變，DPF內(nèi)部溫度及發(fā)生在DPF內(nèi)的熱再生反應(yīng)受排氣溫度和排氣流量等影響，在特殊工況下表現(xiàn)出較強(qiáng)的非受控特性。非受控再生發(fā)生時(shí)，DPF承受著較高熱負(fù)荷和熱應(yīng)力，其內(nèi)部的峰值溫度和溫度梯度一旦超過臨界許用范圍，極易造成DPF載體燒熔或燒裂等問題。因此，研究對DPF熱再生過程的有效管理和可靠控制、促進(jìn)安全再生，成為推進(jìn)DPF系統(tǒng)化應(yīng)用的重要內(nèi)容。本次推文從過程控制的角度，首先基于DTI再生探討了一種確定DPF安全再生溫度的試驗(yàn)方法，通過分析得到安全再生溫度曲線。在此基礎(chǔ)上開展對再生溫度控制算法的研究工作，針對系統(tǒng)的大滯后特點(diǎn)提出一種采用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和流量作為增益補(bǔ)償優(yōu)化的DPF熱再生溫度控制器結(jié)構(gòu)，并通過仿真和車輛道路試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，為研究DPF熱再生過程的可靠控制和高效再生提供有意義參考。

01  試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸直列、增壓中冷柴油機(jī)，排氣后處理系統(tǒng)由DOC和DPF組成。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及DPF 后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)


表2 DPF后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)


試驗(yàn)臺(tái)架的總體布置示意如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路安裝有由DOC和DPF組成的后處理器，后處理器的DOC出口、入口端和DPF出口端均布置了相應(yīng)的排氣溫度傳感器。為防止試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓過高、惡化發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，在DPF兩端布置了壓差傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測排氣背壓情況。通過煙度計(jì)分別檢測DPF入口和出口端排氣中的碳煙排放，可分析DPF對碳煙顆粒的捕集效率情況。熱再生過程中利用高壓共軌系統(tǒng)靈活的多次噴射特性，在上止點(diǎn)后120°CA附近設(shè)置遠(yuǎn)后噴射，該部分噴油在缸內(nèi)生成未燃HC等，隨后在DOC內(nèi)發(fā)生催化型氧化放熱反應(yīng)，以達(dá)到排溫控制目的。DOC和DPF內(nèi)部均布置了探頭直徑為1mm 的鎧裝熱電偶型溫度傳感器，以獲取熱再生過程中DOC中心軸向的溫度情況及DPF內(nèi)的溫度場變化規(guī)律。


圖1 試驗(yàn)臺(tái)架總體布置

采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬DTI再生過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，以探討DPF在不同碳載量水平的安全再生溫度及其峰值溫度分布規(guī)律。試驗(yàn)中對DPF再生溫度從550℃開始至650℃，每隔25℃依次取點(diǎn)；碳載量以理論碳載量限值9g/L為依據(jù)，在SML的30%至150%間以30%的等間距設(shè)計(jì)測點(diǎn)。試驗(yàn)測點(diǎn)的設(shè)計(jì)如表3所示，總體上避免在較高的再生溫度下采用過大的DPF碳載量，以防止DPF被頻繁燒毀，從而影響試驗(yàn)進(jìn)度。試驗(yàn)前后均采用煙度計(jì)檢測DPF入口和出口端的碳煙排放情況，以判斷DPF是否失效損壞。

表3 試驗(yàn)測點(diǎn)設(shè)計(jì)


02  再生溫度控制算法建模

DPF熱再生觸發(fā)后，通過在膨脹行程末往氣缸內(nèi)噴入燃油，這部分燃油不參與燃燒做功．燃油經(jīng)霧化后主要生成未燃HC，其與排氣充分混合后可在DOC裝置內(nèi)發(fā)生催化型氧化放熱反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)排氣溫度提升，輔助DPF熱再生。由于車輛行駛過程中其負(fù)荷、環(huán)境等的復(fù)雜多變性，DPF熱再生控制過程是受高隨機(jī)因素干擾的、具有強(qiáng)慣性和大滯后的非線性分布參量時(shí)變過程。從系統(tǒng)的物理邊界角度對目標(biāo)再生溫度的控制主要受到當(dāng)前排氣溫度和排氣流量的影響。因此，研究基于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和排氣流量的控制增益補(bǔ)償方法，以解決相同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下由于邊界條件如冷卻水溫、進(jìn)氣溫度與壓力等差異以及系統(tǒng)大滯后特性等帶來的不確定性問題。圖2為設(shè)計(jì)的控制算法結(jié)構(gòu)頂層示意，由前饋控制路徑和反饋控制路徑兩部分組成，前饋控制量信號(hào)和反饋控制量信號(hào)疊加后經(jīng)限幅、一階濾波器處理后生成最終的控制量輸出。


圖2 目標(biāo)再生溫度控制算法模型示意

前饋控制具有預(yù)測控制作用，可以根據(jù)擾動(dòng)量或給定目標(biāo)量迅速執(zhí)行補(bǔ)償，不受對象滯后因素影響。因此，在大慣性、大滯后特性的系統(tǒng)中，前饋控制對于保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)的作用尤為突出。發(fā)動(dòng)機(jī)在加、減速工況下，前饋控制路徑算法可以綜合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)流量、排氣溫度和目標(biāo)再生溫度等，立即響應(yīng)并補(bǔ)償控制量輸出。反饋控制路徑算法采用經(jīng)典PID控制形式，由于低排氣流量下系統(tǒng)的熱時(shí)滯作用顯著增強(qiáng)，為保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能在低排氣流量工況下需要以前饋控制作用占主導(dǎo)，并采用較小的PID控制增益參數(shù)，以削弱反饋控制作用，避免振蕩；在高排氣流量情況下則反之。因此，采用排氣流量和溫度的增益補(bǔ)償方式也使得標(biāo)定優(yōu)化工作更具備可操作性，有規(guī)律可循。

圖3為PID反饋控制路徑的內(nèi)部詳細(xì)設(shè)計(jì)示意，濾波處理后的偏差量分別與比例控制增益、積分控制增益和微分控制增益作用后形成各單獨(dú)控制分量輸出，控制分量疊加并限幅處理后形成最終的反饋控制量。為了防止積分飽和，積分控制路徑中設(shè)計(jì)了抗飽和模塊以保證系統(tǒng)控制性能。


圖3 反饋控制路徑PID算法設(shè)計(jì)

03  DOC仿真模型與仿真分析

較多專業(yè)軟件和相關(guān)研究支持對DOC對象建模，這些仿真對象模型往往考慮各種排氣組分因素以及眾多狀態(tài)參量的空間分布，需要求解復(fù)雜的偏微分方程組，一般不便用作實(shí)時(shí)控制算法的開發(fā)目的。對于輔助控制算法開發(fā)的仿真模型，需要兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率。因此，本文在忽略DOC表面與環(huán)境的散熱損失前提下，同時(shí)僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排氣各組分中未燃HC組分在DOC內(nèi)部的氧化反應(yīng)作用，做合理假設(shè)和簡化，基于能量守恒物理原理建立集總參量模型，具體模型闡述可參見原文。

為使仿真模型具有合理的穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)性能，對模型進(jìn)行了詳細(xì)標(biāo)定，以便在此基礎(chǔ)上展開仿真分析。圖4為不同空速條件下的模型仿真計(jì)算和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果。為增強(qiáng)結(jié)果的可比性，仿真和試驗(yàn)過程中均設(shè)定相同的DOC入口排氣溫度和空速等邊界條件，同時(shí)按照既定的缸內(nèi)后噴油量噴入燃油?？梢钥闯觯抡孢^程中DOC出口端溫度與試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際出口溫度在較高和較低空速工況下均保持了一致的動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)特性。


圖4 模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

將前述仿真模型和控制算法模型串聯(lián)并形成一個(gè)閉環(huán)，可以進(jìn)行模型層級的集成仿真測試。仿真測試中對控制算法的比例、積分和微分以及前饋等環(huán)節(jié)的控制參數(shù)開展系統(tǒng)化測試和仿真優(yōu)化，有利于評估算法的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)控制性能。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突變情況下的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，目標(biāo)再生溫度為600℃、排氣流量來自發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為仿真的輸入。根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，在仿真開始后的180s和360s處排氣流量急劇變化的情況下，實(shí)際DOC出口溫度仍保持了對目標(biāo)溫度的較好跟蹤特性，并迅速趨于穩(wěn)定。仿真過程中控制誤差基本在±20℃以內(nèi)，無靜態(tài)誤差，為控制算法在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用提供了保障，避免了因溫度控制不當(dāng)引發(fā)潛在的試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。


圖5 排氣流量突變工況仿真結(jié)果

04  整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證

車輛在實(shí)際道路行駛中多為急加速或減速等瞬態(tài)工況，瞬態(tài)工況下的車輛行駛速度、路面負(fù)載情況以及發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流量、排氣溫度等擾動(dòng)因素的變化劇烈。因而在一臺(tái)滿足國Ⅴ排放法規(guī)的安裝試驗(yàn)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及DPF后處理系統(tǒng)的某輕型皮卡車上進(jìn)行了在實(shí)際道路行駛的試驗(yàn)驗(yàn)證，以分析控制算法策略在實(shí)際應(yīng)用中的性能。圖6為兩種典型駕駛工況下的道路試驗(yàn)結(jié)果，分為市區(qū)工況和郊區(qū)工況道路駕駛，其平均車速分別為40和70km/h左右。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際道路駕駛過程中在車速、DOC入口端排氣溫度和排氣流量等擾動(dòng)量急劇變化的情況下，設(shè)計(jì)的算法策略與前述仿真結(jié)果表現(xiàn)出較為一致的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)和抗干擾性能。再生開始時(shí)對于目標(biāo)再生溫度變化而引起的超調(diào)量小于3%，系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定，無靜態(tài)誤差。試驗(yàn)的300s后再生目標(biāo)溫度設(shè)定為580℃，可以看出，試驗(yàn)中溫度控制算法對于車速、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度等變化具有較強(qiáng)的抗干擾力，實(shí)際DOC出口溫度對目標(biāo)溫度的跟蹤誤差保持在±20℃內(nèi)，有利于保障DPF安全、可靠和高效率再生。



圖6 市區(qū)和郊區(qū)工況車輛道路試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)論

(1)探討了一種以確定DPF安全再生溫度為目的的試驗(yàn)方法，通過對DTI再生試驗(yàn)結(jié)果的定量分析得到了DPF安全再生溫度曲線；根據(jù)當(dāng)前DPF碳載量可以確定合理的熱再生目標(biāo)溫度，從而降低DPF失效風(fēng)險(xiǎn)，保證安全和可靠再生。

(2)針對DPF熱再生過程具有大慣性和大滯后特點(diǎn)，研究了一種采用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度和排氣流量作為增益補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化DPF熱再生溫度控制器結(jié)構(gòu)，并通過仿真和車輛道路試驗(yàn)驗(yàn)證了其具有較好的動(dòng)態(tài)控制性能和復(fù)雜工況適應(yīng)能力；仿真和道路試驗(yàn)結(jié)果表明，DPF熱再生中對實(shí)際排溫控制的超調(diào)量小于3%，穩(wěn)態(tài)控制誤差小于20℃，有利于保障安全再生、提高再生效率，對于改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性及實(shí)現(xiàn)DPF系統(tǒng)化和高效應(yīng)用等方面也具有重要作用。