輕型柴油車還原性顆粒捕集器控制策略及排放試驗研究

摘要：為使某輕型柴油車排放達到國六b排放標準，基于國六b輕型車排放標準對柴油機NO_x排放要求，制定柴油機選擇性催化還原顆粒捕集器（selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter，SDPF）后處理系統技術方案，建立結合前饋模型和反饋控制的SDPF控制策略，利用發動機臺架試驗對控制參數進行標定，并進行控制策略和排放測試驗證。全球統一輕型車輛測試循環（world light vehicle test cycle，WLTC）工況轉轂試驗結果表明：SDPF化學反應模型的效率與基于NO_x傳感器的NO_x轉化效率具有良好的一致性，偏差小于10%，驗證了控制策略的正確性和有效性；本方案的NO_x轉化率達到96.1%，所有污染物排放均滿足工程目標，該輕型柴油車排放滿足國六b排放標準。

關鍵詞：輕型柴油機；SDPF；后處理系統控制策略；WLTC試驗

中圖分類號：TK421.5 文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0001-07

引用格式：馬標，張方戈，程曉章，等.輕型柴油車還原性顆粒捕集器控制策略及排放試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（5）：1-7.

MA Biao，ZHANG Fangge，CHENG Xiaozhang，et al.Experimental study on emission and control strategy of regenerative particulate filter for a light-duty diesel vehicle［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：1-7.

0 引言

柴油機具有高效能和耐久性等特點，應用廣泛，但其排放中的NO_x和顆粒物（particulate matter，PM）對空氣質量和公眾健康構成了嚴重威脅^[1-2]，各國紛紛出臺更為嚴格的排放標準，推動了排放控制技術的發展和應用。相比國五排放標準中要求的測試循環工況，國六b標準中的全球統一輕型車輛測試循環（world light vehicle test cycle，WLTC）要求測試更多的低溫工況、更高的加速度以及低溫排放，因此，輕型柴油車滿足國六排放標準的挑戰巨大^[3-4]。為了滿足國六b排放標準對輕型柴油車排放的嚴格要求，開發高效的后處理系統及其控制策略尤為重要^[5]。降低NO_x污染物的后處理技術主要有選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術^[6]和稀燃NO_x 捕集（lean NO_x trap，LNT）技術等^[7]，柴油機顆粒物捕集器（ diesel particulate filter，DPF）是減少顆粒物排放有效且技術相對成熟的裝置^[8-9]。選擇性催化還原顆粒捕集器（selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter，SDPF）作為一種新型的后處理裝置，能夠同時實現顆粒物捕集與NO_x還原，其技術方案和控制策略的研發成為當前研究的熱點^[10]。SDPF將SCR催化劑涂覆在DPF載體上，通過與增壓器、氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）緊耦合連接應用在輕型柴油機上，盡可能利用柴油機排溫提高NO_x轉化效率，并捕集顆粒物^[11]。

目前，結合前饋模型和反饋控制的控制策略被廣泛認為是一種有效的SDPF控制方案^[12-13]。前饋模型根據發動機運行狀態預測NO_x排放，反饋控制利用NO_x傳感器的實時數據進行調整，從而在各種工況下實現NO_x和PM的最優轉化效率^[14]。然而，如何優化這兩者的結合，并通過實際車載試驗驗證其有效性，仍是一個亟待解決的難題^[15]。本文中提出一種基于前饋模型和反饋控制相結合的SDPF控制策略，針對某款柴油機的開發目標，設計SDPF后處理系統方案，通過發動機臺架試驗對控制參數進行標定，通過WLTC轉轂試驗驗證該控制策略的性能，為輕型柴油機車排放控制提供參考。

1 SDPF后處理技術方案

某輕型柴油機匹配車型排放限值及工程開發目標如表1所示，表中ρ_l為車輛單位里程排放的污染物質量；Ⅰ型試驗排放中各污染物及其對應的劣化系數如表2所示。

某輕型柴油車排放中NO_x原排達到600 mg/km，不滿足文獻[3]中的限值要求。綜合考慮，本文中設計后處理技術方案為DOC-SDPF-SCR-氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC），后處理系統采用“U”型結構布置，后處理各系統分布示意圖如圖1所示。根據國六b排放標準對SDPF系統低溫時的高效率和SDPF再生對涂層耐溫的要求，采用低溫性能較好的銅基分子篩，高溫時和SCR銅基分子篩相配合，使污染物排放達到工程目標，同時ASC氧化泄漏的氨，后處理技術方案中各部件相關系數如表3所示。

配備該輕型車的柴油機采用直列4缸、高壓共軌、增壓中冷等技術，柴油機主要技術參數如表4所示，車輛主要技術參數如表5所示，表中F₀、F₁、F₂為滑行阻力。

2 SDPF系統控制架構

合理的尿素噴射策略是SDPF系統控制的核心，首先建立NO_x原排模型，確定NO_x原排中NO₂的比例，計算尿素溶液初始噴射量，基于SDPF系統化學反應效率模型模擬反應過程，然后根據氨負載管理進行閉環控制，從而形成基于模型前饋控制與反饋控制相結合的控制策略。前饋控制是實現控制目標的預控制，提高控制速率。反饋控制能修正測量誤差，區分NO_x傳感器對NH₃的交叉敏感性，精確控制SDPF系統尿素噴射和化學反應過程。SDPF系統控制架構如圖2所示，主要包含原排模型、SDPF系統化學反應效率模型、氨存儲及反饋控制四部分。

2.1 NO_x原排模型

NO_x傳感器安裝在增壓器渦輪后，采用NO_x傳感器信號檢測與NO_x模型計算相結合的NO_x原排策略。在發動機起動后的暖機階段，為防止水蒸氣損壞NO_x傳感器，NO_x傳感器不進行露點檢測，NO_x原排由NO_x原排模型計算得到；當發動機冷卻液溫度和排氣溫度符合要求時，NO_x原排由上游NO_x傳感器測量得到。根據輕型柴油車經常使用的運行工況繪制運行脈譜，基于輕型柴油車開發目標，仿真計算發動機排放權重和目標，對發動機的轉速、轉矩進行優化標定，確定發動機原排，將NO_x質量分數輸入NO_x原排模型，排放分析儀根據NO_x與氨反應的化學計量比得到所需氨的質量流量。

2.2 SDPF系統化學反應效率模型

根據需求的NH₃，基于排氣中NO₂質量分數得到NO_x選擇還原效率的反應過程，車輛在急加速、急減速等瞬態工況，氨與NO_x不可能完全反應，同時國六b標準中規定了氨泄漏限值，因此為了實現最佳的轉化效率，應建立SDPF系統反應過程模型。

充分考慮吸附、選擇還原及氨泄漏，SDPF系統反應、轉化效率及相關計算式如下所示。

式中：r_NO、r_h、r_a、r_d、r_O分別為NO_x、水解、吸附、脫附、氧化反應速率因數；α為催化劑表面因數；κ_NO、κ_h、κ_a、κ_d、κ_O分別為NO_x、水解、吸附、脫附、氧化過程中的頻率因子；q_m，NO、q_m，CHNO、q_m，NH3分別為以g/s為單位的NO_x、CHNO、NH₃的質量流量的數值；θ為氨表面積吸附因數；E_NO、E_h、E_a、E_d、E_O、E分別為以J/mol為單位的NO_x、水解、吸附、脫附、氧化反應、SDPF的活化能的數值；R為以J/（mol·K）為單位理想氣態常數的數值；T為以K為單位的反應熱力學溫度的數值； τ為以s為單位的反應時間；ε為催化劑脫附修正因數；q_m，u、q_m，d分別為以g/s為單位的上游和下游傳感器測量的反應物的質量流量的數值；η_SPDF、η_s分別為SDPF模型和傳感器的轉化效率。

2.3 氨存儲控制

SDPF系統催化器表面始終進行氨吸附與脫附過程，必須對尿素噴射量進行修正，以避免未參加反應的氨排到大氣中造成空氣的二次污染。為了提高SDPF轉化效率并防止過多的氨泄漏，需要進行氨存儲控制。根據SDPF性能特性，催化器溫度和空速是影響氨存儲能力的主要因素。當排溫較高時，催化器的儲氨能力較低，空速對儲氨量的影響不大；當排溫較低時，催化器的儲氨能力較強，空速對儲氨能力的影響比高排氣溫度時更顯著。因此，需要建立SDPF系統催化器的氨存儲控制模型，根據當前工況下設定的SDPF氨存儲量與當前的氨存儲量之差，進行排氣流量修正，得到該工況下基于氨存儲的尿素噴射量的修正結果。

2.4 反饋控制

反饋控制能有效地提高系統的控制精度，NO_x傳感器收到露點信號后，進入自加熱模式，加熱到工作溫度為800 ℃后，檢測后處理系統上、下游排氣中的NO_x質量分數。根據催化器下游和上游的NO_x質量分數，計算實際NO_x轉化效率。將該轉化效率與化學反應模型得到的轉化效率進行比較，當兩者誤差超過限值，根據誤差采用不同的修正系數對尿素噴射量進行修正，從而在允許的NH₃泄漏情況下使NO_x轉化率達到開發目標。

3 SDPF系統模型參數化及標定

3.1 試驗準備

根據文獻[3]要求，控制策略驗證按照臺架和轉轂相結合的方式驗證，試驗設備包括AVL Dnyo Road 202/12.5L電力測功機、HORIBA MEXA-ONE-RS直采系統、HORIBA MEXA-ONE-C1稀采分析儀、AVL735S油耗儀、HORIBA 2000spcs PN計數器，采集發動機轉速、轉矩、功率、油耗及氣態污染物和顆粒物排放等信息。匹配軟件平臺采用商業軟件INCA，與電子控制單元（electronic control unit，ECU）通過ETK-ME設備相連，主要包括標定、數據管理、數據采集和數據分析等功能。

3.2 基本控制參數map標定

檢查臺架設備并上電后，ECU進行發動機、后處理狀態自檢，狀態良好后進行萬有特性試驗。 根據設計的SDPF系統控制策略，首先標定NO_x原排、NO_x中NO的占比等，然后標定不同溫度和流量下的氨負載量，最后通過填充-放空試驗，標定SDPF系統化學反應效率模型，試驗數據經過處理后下載到軟件中，并下載到ECU中進行轉轂試驗驗證。試驗過程如下：根據上游NO_x傳感器和HORIBA MEXA-ONE-RS采樣系統標定NO_x原排質量流量，得到每工況稀釋排氣經過背景校正的平均質量流量。

根據文獻[3]要求，假設排氣在標準狀態（溫度為273 K、大氣壓力為101.4 kPa）下的密度為1.293 kg/m³，由于使用全流稀釋采集測量氣態污染物，從稀釋排氣中采樣，每工況排氣污染物質量流量

q_m，h=0.001 587w（NO_x） K_H，D q_V，（10）

式中：q_m，h為以g/h為單位的NO_x污染物的質量流量的數值，w（NO_x）為確定的每工況稀釋排氣經過背景校正的NO_x質量分數，K_H，D為溫度和濕度修正因數，q_V為以kg/h為單位的排氣體積流量的數值。

根據排放設備采集的數據，將每工況稀釋排氣經過背景校正的NO_x平均質量流量填入原排map，ECU根據排氣量、溫度、質量分數等信息計算每工況下NO_x排放的質量流量，同時注意降低瞬態NO_x原排的峰值，輕型柴油機所有工況下NO_x的質量分數控制在800×10^-6以下，正常模式原排map如圖3所示，圖中噴油量為每沖程的噴油質量。同時NO_x與氨化學系數map的查詢輸入包括SCR催化器上游的NO_x中除NO₂外其他組分的質量比，因此，在化學系數map標定之前，需要標定該質量比。關閉尿素噴射，選擇不同SDPF入口溫度、排氣流量，盡可能選擇WLTC循環覆蓋區域，進行萬有特性試驗，通過HORIBA MEXA-ONE-RS直采系統標定NO_x、NO₂質量分數，處理后的數據填入以SDPF催化器入口溫度和排氣流量為參數的SDPF系統NO₂占比map中，結果如圖4所示。

對于化學轉化系數和氨存儲標定，通過填充-放空試驗，確定工況點和排氣溫度，設定轉速、轉矩，發動機運行10 min，加熱SDPF，使載體內部沒有氨存儲，在該工況下穩定運行20 min，進行尿素噴射，噴射過程中，NO_x質量逐漸下降直至轉化效率達到最高，持續噴射，當下游氨傳感器檢測到排氣中的氨的質量分數大于2×10^-6，停止噴射尿素，當上游NO_x質量分數與下游一致時，結束該工況，運行下一個工況，對數據處理后得到的平均化學轉化系數map，如圖5所示。為了簡化計算氨存儲，不考慮尿素噴嘴到催化器排氣管路之間附著的氨，發動機某工況下催化器中的氨存儲量等于尿素噴射量減去反應掉尿素量和氨泄漏量，計算得到的不同溫度和排氣流量下NH₃負載量map如圖6所示。

NO_x轉化效率是SDPF系統的重要指標之一，關系到尿素噴射策略的效率修正和反饋修正。SDPF系統考慮催化劑的化學反應特性，與單獨SCR邏輯不同，SDPF系統化學反應模型效率標定與SCR模型標定不同。通過填充-放空試驗，仿真計算的SDPF活化能因子為58 800、頻率因子為2 956 000 000。進行不同溫度下的工況效率轉轂試驗驗證，標定后結果如圖7所示。由于SCR帶有ASC，ASC氧化泄漏的氨，因此標定SCR活化能為60 000，頻率因子為2 275 000 000。

4 控制策略及排放測試驗證

為了驗證SDPF系統控制邏輯和車輛排放，按照文獻[3]要求進行WLTC試驗。測試車輛磨合里程為3 000 km，性能確認達到設計指標后，采用滑行法加載并匹配換擋線；為了保證一致性，重復進行3次試驗，通過INCA記錄發動機運行數據，HORIBA MEXA-ONE-C1稀采分析儀記錄車輛運行結果。通過數據處理，基于化學反應效率模型NO_x轉化效率和基于NO_x傳感器測試的NO_x轉化效率如圖8、9所示，排放結果（劣化系數見表1）如表6所示。

由圖8、9和表6可知：基于化學反應效率模型NO_x轉化效率和基于NO_x傳感器NO_x轉化效率的偏差小于10%，考慮轉轂、HORIBA 排放分析儀的精度偏差，排放結果差異在控制范圍內，且NO_x轉化效率達到96.1%；試驗中最大NO_x排放為24.27 mg/km，小于27 mg/km（工程目標），HC、CO等其他污染物低于工程目標，滿足國六b排放標準要求。

5 結論

1）設計的SDPF系統技術方案成功滿足了排放開發目標；通過緊耦合“U”型布置結構，SDPF系統在低溫和高溫條件下均表現出優異性能，確保了NO_x和顆粒物的高效轉化和捕集。

2）建立了結合前饋模型和反饋控制的SDPF控制策略，并驗證了其在實際工況下的有效性；WLTC轉轂試驗結果表明NO_x轉化效率偏差小于10%。

3）提出的SDPF控制方案使輕型柴油機車排放滿足了國六b排放標準，該方案NO_x轉化率達到96.1%，所有污染物排放均滿足工程目標，為輕型柴油車的排放控制提供了有效解決方案。

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Experimental study on emission and control strategy of regenerative particulate filter for a light-duty diesel vehicle

MA Biao¹， ZHANG Fangge¹， CHENG Xiaozhang^2*， WANG Chenfang²

1.Technical Center， Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.， Hefei 230601， China；2.School of Automotive and Transportation Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China

Abstract：In order to ensure that the emissions of a certain light-duty diesel vehicle meet the National 6b emission standards，based on the emission requirements for nitrogen oxides （NO_x） in light-duty diesel engines under the China 6b emission standards， a technical scheme for the selective catalytic reduction-coated diesel particulate filter（SDPF） after-treatment system is developed. An SDPF control strategy integrating a feedforward model and feedback control is established， and control parameters are calibrated using engine bench tests，and the control strategy and emission testing verification are conducted. The results of the chassis dynamometer WLTC tests show that the efficiency of the SDPF chemical reaction model is highly consistent with the NO_x conversion efficiency measured by NO_x sensors， with discrepancies less than 10%， confirming the correctness and effectiveness of the control strategy. The proposed scheme achieves a NO_x conversion rate of 96.1%， with all pollutant emissions meeting the engineering targets， successfully reaching the China 6b emission standard for a particular light-duty diesel vehicle.

Keywords：light diesel engine;SDPF;after-treatment control strategy;WLTC test

（責任編輯：劉麗君）