基于Simulink模型的再生溫度控制策略

王秋花，劉永春，高發廷，李延紅

（中國重汽集團技術發展中心，山東 濟南 25000）

隨著汽車工業的快速發展，中國重型柴油車的數量也在飛速增長，隨之帶來的排放問題也日趨嚴重，對中國的環境帶來巨大的壓力，因此國家對車輛的排放法規也越來越嚴格。2018年6月22日，生態環境部發布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）標準［1］。為了滿足國六排放法規的要求，目前有兩種主流路線：一種為EGR+DOC+DPF+SCR的路線，另一種為Hi-eSCR（高效選擇性催化還原系統）方案或EGR+Hi-eSCR。目前中國市場上主要是第1種路線，本文主要介紹DOC輔助DPF再生的溫度控制策略。

1 國六后處理系統構成

國六后處理系統主要構成結構如圖1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。在DOC的上游布置有HCI燃油噴射裝置，用于提升DPF上游的溫度；在SCR的上游布置有De－NOx系統，用于向SCR載體中噴射尿素；同時，在DOC的上游、DPF的上游、SCR的上游和下游布置有4個排溫傳感器，分別用于DPF的再生控制和SCR的尿素噴射控制；在DOC的入口和ASC的出口分別設有2個NOX傳感器，用于SCR的閉環控制和OBD診斷；在DPF上設有壓差傳感器，用于DPF堵塞及輔助再生時刻判斷；在ASC的出口布置有PM傳感器，用于OBD診斷功能。

圖1 國六后處理系統構成

2 DOC與DPF的工作原理

DOC（Diesel Oxidation Catalyst）柴油機氧化型催化轉化器，是柴油機排氣后處理裝置中的一種，可通過氧化作用，同時降低排氣中CO、HC等污染物排放量，并且將排氣污染物中的一氧化氮 （NO）轉化為二氧化氮 （NO2）。DOC一般以金屬或陶瓷作為催化劑的載體，涂層中主要活性成分是鉑、鈀等貴金屬與稀土金屬。在國六系統中，DOC的作用至關重要，其主要作用有以下3點。

1）將廢氣里的NO轉化為NO2，當廢氣溫度高于300℃后，NO2能夠將DPF捕集到的顆粒再生掉，實現DPF的被動再生。

2）當DPF的主動再生需要被激活時，是DOC將HCI噴入的柴油氧化，把廢氣溫度提高到 600℃左右。

3）將廢氣里的NO轉化為NO2，當廢氣中NO2比例上升后，能夠迅速提升SCR的轉化效率能力。

DPF（Diesel Particulate Filter）柴油機顆粒捕捉器，是一種安裝在柴油發動機排放系統中的陶瓷過濾器，它的作用是通過表面跟內部混合的過濾裝置捕捉顆粒，例如擴散沉淀、慣性沉淀或者線性攔截，能夠有效地凈化排氣中70%～90%的顆粒，是凈化柴油機顆粒物最有效、最直接的方法之一。顆粒捕集持續發生，DPF內顆粒會越積越多，最終堵塞DPF，必須通過再生的方式清除碳顆粒，DPF再生方式分為被動再生、主動再生兩種。

被動再生：將NO在DOC載體中氧化為NO2，NO2比O2活躍，在250~450℃時，氧化碳顆粒。

發生的化學反應如下：

主動再生：實際運行工況中，排氣溫度達不到被動再生條件，需要通過HCI噴入燃油，在DOC中發生氧化反應，將排氣溫度提高到550℃以上，使得碳顆粒燃燒，氧化反應生成二氧化碳。

發生的化學反應如下［2］：

3 主動再生溫度控制

主動再生需求的溫度在550℃以上，但是當DPF溫度過高時，會造成DPF燒熔，溫度梯度過大會導致DPF燒裂［3］。因此，將DPF入口的溫度控制目標定義為600±50℃。

如圖2所示，當DPF載體中累積的Soot量過多時，需要觸發主動再生。此時，需要在DOC的入口處通過HCI燃油噴射裝置噴入一定量的燃油，用于提升DPF的溫度。HCI燃油噴射量的計算通常采用閉環控制策略。

圖2 AHC燃油噴射系統構成

基本噴油量算法：

式中：dmFu——基本請求噴油量；dmFuOpenLop——基于開環控制計算的噴油量；dmFuFdBk——基于反饋控制計算的噴油量。

考慮到當DPF內載體溫度過高時，會將DPF載體燒融，因此需要加入載體保護限值。

式中：dqDem——HCI模塊噴油量；dmFuCatMax——基于DPF載體保護溫度計算的最大噴油量。

3.1 開環燃油量dmFuOpenLop的計算

開環燃油量的計算主要是基于熱力學方程。如圖3所示，進入DOC載體內部的熱量分為兩部分，一部分為發動機廢氣中攜帶的熱量，一部分為HCI噴入燃油轉化的熱量；DOC載體出口的熱量可以分為3部分，一部分為HCI噴入的燃油未充分燃燒而損失的熱量，一部分為流入DPF載體中廢氣攜帶的熱量，還有一部分是散失到空氣中的熱量。

圖3 DOC載體內部熱力學方程式

式中：m˙EG——廢氣質量流量；cpEG，in——DOC入口廢氣的比熱容；Tin——DOC載體入口溫度；m˙Fu——開環請求燃油噴射量；Hu——燃油的熱容量；KA——DOC與外界熱交互系數；Tdem——需求溫度；Tenv——大氣溫度；cpEG，out——DOC出口廢氣的比熱容；Tout——DPF入口溫度；fSlip——未轉化燃油效率。

根據上述公式，使用Simulink搭建開環控制模型，如圖4所示。

圖4 開環燃油噴射量計算模型

3.2 閉環反饋燃油量dmFuFdBk的計算

在模型中增加實時反饋控制模塊，用于實時調控HCI的噴油量。當DPF上游采集的溫度值大于期望目標值時，需要減少噴油量；反之，則需要增加噴油量。為了精確控制反饋的噴油量，可以將DOC載體細分成幾個部分，然后根據需求溫度和實際溫度的差值，可以計算得出反饋噴油量dmFuFd－Bk。反饋控制模塊如圖5所示。

圖5 DOC反饋控制模塊

式中：fac——反饋噴油量熱容系數；Tdem——DOC載體內不同塊的需求溫度；TSim——DOC載體內不同塊的仿真溫度，TSim的計算可以根據DOC載體入口溫度Tin和DPF入口溫度Tout的溫度，然后根據熱力學模型進行估算。

3.3 載體保護噴油量dmFuCatMax的計算

再生時，若載體內溫度過高，會造成載體的高溫失效，因此需要設置一個基于載體保護的最大溫度，如圖6所示。然后根據DOC載體內的仿真溫度，通過熱力學方程，計算得出基于載體保護所允許的最大噴油量dmFuCatMax。

圖6 載體保護噴油量

4 再生溫度控制結果

4.1 試驗工況的確定

試驗工況采用GB／T19754-2005推薦的中國典型城市公交車循環 （CCBC）工況［4］，該循環工況是基于北京、上海、廣州3個城市的公交運行數據制定的，包含怠速、加減速、高中低速等實際道路工況，運行時間1314s，如圖7所示。

4.2 主動再生溫度控制結果

圖8是CCBC循環工況下的再生溫度控制結果。從圖8中可以看出，DPF入口溫度可以平穩地控制在600±50℃內，滿足設計要求。

圖7 CCBC循環工況

圖8 CCBC循環下的再生溫度控制

5 結論

1）基于柴油機后噴控制技術的DPF再生技術方案結構簡單，控制靈活，符合現代重型柴油機的發展方向。

2）采用本文的基于Simulink模型的DPF再生溫度控制策略，整個DPF再生過程是安全且有效的。