商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)再生控制策略及壽命預(yù)測(cè)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U469 收稿日期：2025-03-20 DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.06.012

Abstract：Currently，dieselengineemissionregulationsarebecomingincreasinglystrngentndtheimportanceofftertreatment systemsforcommercialvehicledieselenginsisgrowing.Regenerationcontoltrategiesandlifepredictionavebecomekeytecholo gies.Thispaperfirstintroducestheworkingprincipleoftheafertreatmentsystemforcommercialvehicledieselengiesandexplains thenumerouscallgesfcedbyegeerationcontrolandlifepredictionTenitpropoesodelpredictieotrol-based generationoptimiationstrategyandadata-drivenifepreditionmetodforteaftertreatmentsystem，supportingthontiuousdevelopment of commercial vehicle diesel engines.

Key words：Diesel engine;Aftertreatment system;Regeneration control;Life prediction;Machine learning

1前言

隨著節(jié)能減排要求的不斷提高，商用車(chē)尾氣后處理系統(tǒng)成為實(shí)現(xiàn)超低排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。柴油顆粒物捕集器（DPF）和選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)作為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的核心部件，其正常工作對(duì)降低顆粒物和氮氧化物排放至關(guān)重要。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，DPF會(huì)由于捕集顆粒物而逐漸阻塞，SCR催化劑也會(huì)由于積碳和硫等原因失活，因此需要進(jìn)行定期再生以保證后處理系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。再生控制策略直接決定了再生過(guò)程的穩(wěn)定性和完全程度，而預(yù)測(cè)后處理系統(tǒng)的壽命則有助于制定合理的再生和維護(hù)計(jì)劃，從而提高整車(chē)的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)性，降低排放和能耗[1]。

2商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)工作原理

商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的主要作用是減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中有害物質(zhì)的排放，主要包括DPF和SCR系統(tǒng)兩大組成部分[2]。柴油顆粒物捕集器是一種陶瓷壁流式濾芯，它由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的蜂窩狀小管道構(gòu)成，進(jìn)入DPF的尾氣通過(guò)這些管道的多孔陶瓷壁，使顆粒物被阻擋在管道內(nèi)壁上，過(guò)濾后的清潔氣體則從相鄰的開(kāi)口小管排出[3]。隨著使用時(shí)間的增加，被捕獲的顆粒物會(huì)在DPF內(nèi)部逐漸累積，導(dǎo)致背壓升高，當(dāng)背壓達(dá)到一定閾值時(shí)，就需要對(duì)DPF進(jìn)行再生，將捕獲的顆粒物氧化燃燒掉，以恢復(fù)DPF的過(guò)濾性能。

DPF的再生主要有主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩種方式[4]。主動(dòng)再生是通過(guò)外部輔助熱源如燃燒器或電加熱裝置提供高溫，使顆粒物氧化燃燒；被動(dòng)再生則利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)排出的一氧化氮（NO）與顆粒物直接發(fā)生反應(yīng)，在加裝的氧化催化器的幫助下，顆粒物在較低溫度下就可實(shí)現(xiàn)連續(xù)燃燒。相比主動(dòng)再生，被動(dòng)再生的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外部熱源，耗能少且無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)，但其限制是環(huán)境溫度和排氣溫度必須足夠高，一些先進(jìn)的DPF系統(tǒng)集成了主被動(dòng)再生控制策略，根據(jù)工況自動(dòng)切換，以達(dá)到高效、節(jié)能的目的[5]。

SCR系統(tǒng)是減少柴油機(jī)氮氧化物 （NO_x） 排放的主要手段，它利用尿素水溶液作為還原劑，在SCR催化轉(zhuǎn)化器上發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)，將有毒的NO轉(zhuǎn)化為無(wú)害的氮?dú)夂退呋D(zhuǎn)化器內(nèi)的貴金屬催化劑如釩基或銅基鑲嵌蜂窩陶瓷，可高效催化尿素與 NO_x 的反應(yīng)。SCR系統(tǒng)的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)控制尿素噴射量和噴射時(shí)間，使之與排氣中的NO量相匹配。如果尿素不足，則無(wú)法充分還原 NO_x ；如果過(guò)量，則會(huì)導(dǎo)致殘留的尿素進(jìn)入后續(xù)部件如DPF，影響其性能并加速失活。SCR催化劑表面還會(huì)逐漸被顆粒物、硫酸鹽等污染物覆蓋而失活，也需要進(jìn)行定期再生，常見(jiàn)的方法包括通過(guò)控制進(jìn)氣供給臨時(shí)升高催化劑溫度，使顆粒物氧化；或者利用富氨氣氛下的催化劑水解作用去除硫酸鹽[]。

3商用柴油機(jī)后處理系統(tǒng)再生控制策略及壽命預(yù)測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

由于柴油機(jī)排放的碳煙顆粒（PM）和氮氧化物需要通過(guò)DPF、SCR、DOC等多級(jí)后處理裝置進(jìn)行凈化，而這些裝置的再生與壽命管理涉及動(dòng)態(tài)工況適應(yīng)性、熱管理、催化劑衰減等復(fù)雜因素，使得其優(yōu)化控制難度較大，影響柴油機(jī)的排放合規(guī)性和長(zhǎng)期可靠性[7]。

DPF的再生控制是商用柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心挑戰(zhàn)在于如何在不同工況下高效清除積碳顆粒，同時(shí)避免再生過(guò)程中的熱失控和油耗增加。而在實(shí)際運(yùn)行中，由于商用柴油機(jī)通常處于工況變化頻繁、長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)，DPF無(wú)法在最佳溫度范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定再生，導(dǎo)致顆粒物堆積過(guò)度，增加了DPF堵塞風(fēng)險(xiǎn)、排氣背壓升高、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗增加等問(wèn)題。另外，DPF的再生控制涉及溫度管理、氧氣濃度調(diào)節(jié)、噴油策略優(yōu)化等多個(gè)變量，控制邏輯復(fù)雜且受外部環(huán)境因素影響。

例如，在寒冷環(huán)境下，DPF的被動(dòng)再生溫度難以達(dá)到PM燃燒閥值，導(dǎo)致再生效率降低，而在高負(fù)荷工況下，過(guò)度再生可能引發(fā)催化劑燒結(jié)、DPF熱疲勞損壞等問(wèn)題，縮短系統(tǒng)壽命。同時(shí)，主動(dòng)再生過(guò)程中，噴油策略的優(yōu)化難度較大，例如噴油量過(guò)高可能導(dǎo)致燃油稀釋潤(rùn)滑油，噴油量過(guò)低則可能導(dǎo)致燃燒不完全，增加碳煙殘留，進(jìn)一步影響DPF的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。

因此，如何在不同工況下自適應(yīng)調(diào)整DPF再生策略，以在滿足排放法規(guī)的同時(shí)，最大限度降低燃油消耗，是當(dāng)前商用柴油機(jī)后處理系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[8]。

4商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)再生控制策略及壽命預(yù)測(cè)優(yōu)化路徑

4.1基于模型預(yù)測(cè)控制的DPF再生優(yōu)化策略

在商用車(chē)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)中，DPF的有效再生對(duì)于維護(hù)系統(tǒng)性能和滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）的DPF再生優(yōu)化策略是一種先進(jìn)的控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)再生過(guò)程的高效管理。

MPC是一種動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的系統(tǒng)行為來(lái)優(yōu)化當(dāng)前的控制輸入。在DPF再生的應(yīng)用中，MPC利用一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)DPF的狀態(tài)，如溫度、壓力降和積碳量，并計(jì)算最優(yōu)的控制策略以最小化積碳并防止過(guò)度加熱或物理?yè)p傷。研究人員首先需要開(kāi)發(fā)一個(gè)準(zhǔn)確的DPF動(dòng)態(tài)模型，描述溫度、壓力和積碳的關(guān)系。這個(gè)模型應(yīng)包括反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱傳遞和流動(dòng)特性。模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中， T 為濾芯溫度； P 為壓差； c 為積碳量； θ 為控制參數(shù)（如加熱功率、進(jìn)氣流量等） _;f 為DPF內(nèi)部反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)函數(shù)。MPC需要設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，如最小化再生時(shí)間和能耗，同時(shí)滿足系統(tǒng)的物理和安全約束，如溫度不超過(guò)設(shè)定的最大值以避免損傷DPF。控制問(wèn)題可以表示為：

式中， x（t） 為系統(tǒng)狀態(tài)； u（t） 為控制輸入； L 為成本函數(shù)，包括再生時(shí)間和能耗等。

MPC的核心在于其能夠?qū)崟r(shí)更新模型預(yù)測(cè)，并根據(jù)當(dāng)前的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)整控制策略，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制器每隔一定時(shí)間（如每分鐘）收集最新的DPF狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于當(dāng)前模型進(jìn)行未來(lái)狀態(tài)的預(yù)測(cè)，計(jì)算出最優(yōu)的控制輸入。研究人員根據(jù)MPC的計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整如加熱元件的功率輸出、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的優(yōu)化目標(biāo)，這需要高度的系統(tǒng)集成和良好的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和控制命令的及時(shí)響應(yīng)。

通過(guò)以上步驟，基于模型預(yù)測(cè)控制的DPF再生優(yōu)化策略不僅可以提高再生效率，減少能源消耗，還可以延長(zhǎng)DPF的使用壽命，降低維護(hù)成本，這種方法利用先進(jìn)的控制理論和強(qiáng)大的計(jì)算能力，為商用柴油機(jī)后處理系統(tǒng)提供一種高效、可靠的再生控制解決方案。

4.2基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的后處理系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)方法

在商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，傳統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法主要依賴于物理模型和經(jīng)驗(yàn)公式，但在復(fù)雜工況下難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際壽命。因此，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，利用傳感器數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行記錄、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，能夠提高預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，增強(qiáng)系統(tǒng)的健康管理能力。該方法主要包括構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)模型和設(shè)計(jì)智能算法進(jìn)行壽命評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的精準(zhǔn)健康監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)，具體如表1所示。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)首先需要建立數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，涵蓋排氣溫度、背壓、尿素噴射量、催化劑活性、氣流速度、顆粒物積累量等關(guān)鍵參數(shù)，并結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。例如，在DPF壽命預(yù)測(cè)中，系統(tǒng)可通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DPF的背壓變化趨勢(shì)、顆粒物累積速率、再生頻率，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)分析DPF的堵塞趨勢(shì)，從而預(yù)測(cè)其剩余使用壽命（RemainingUsefulLife，RUL）。在SCR系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)中，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型可整合尿素噴射系統(tǒng)的工作狀態(tài)、催化劑轉(zhuǎn)換效率、NO_x 排放濃度等數(shù)據(jù)，識(shí)別SCR催化劑的衰減規(guī)律。例如，當(dāng)SCR催化劑的NO轉(zhuǎn)化效率下降至某一閾值時(shí)，模型可預(yù)測(cè)其壽命終點(diǎn)，并提前預(yù)警用戶進(jìn)行維護(hù)或更換。為了提高預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型通常采用多變量回歸分析、時(shí)間序列建模、深度學(xué)習(xí)等方法，綜合分析不同變量對(duì)壽命的影響。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，采用智能算法進(jìn)行壽命評(píng)估，能夠進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，使系統(tǒng)具備自適應(yīng)學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)診斷能力。

a.隨機(jī)森林（RF）和支持向量機(jī)（SVM）等機(jī)器學(xué)習(xí)算法可用于識(shí)別后處理系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并分類(lèi)不同的老化階段，如在DPF健康監(jiān)測(cè)中，系統(tǒng)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練RF模型，自動(dòng)判斷DPF是否處于正常狀態(tài)、輕度堵塞、中度堵塞或嚴(yán)重堵塞，從而指導(dǎo)再生策略的優(yōu)化。

b.深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可用于復(fù)雜非線性壽命預(yù)測(cè)，特別是在多工況條件下，系統(tǒng)壽命衰減模式難以通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型描述，在SCR系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)中，CNN可用于自動(dòng)提取排氣溫度分布特征，與尿素噴射數(shù)據(jù)結(jié)合，預(yù)測(cè)SCR催化劑的衰減速率。

c.貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BayesianNetwork）可用于不確定性分析，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，提高預(yù)測(cè)的魯棒性。

5結(jié)語(yǔ)

商用車(chē)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)再生控制及壽命預(yù)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超低排放和提高整車(chē)運(yùn)營(yíng)效率的關(guān)鍵。本文介紹了后處理系統(tǒng)的工作原理及面臨的諸多挑戰(zhàn)，提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的DPF再生優(yōu)化策略和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)方法。這些方法通過(guò)模型預(yù)測(cè)、多變量?jī)?yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜工況下再生過(guò)程的精準(zhǔn)控制和對(duì)后處理系統(tǒng)健康狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及壽命預(yù)警，為制定合理的再生維護(hù)策略提供了理論支撐和技術(shù)保障。未來(lái)，隨著控制理論、模型技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，再生控制和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)將更加智能化、自適應(yīng)化，為打造高效節(jié)能、環(huán)保可靠的新一代柴油機(jī)后處理系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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