輕型柴油機選擇性催化還原顆粒捕集器怠速再生控制策略及其驗證

中圖分類號：TK427 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0074-05

由于輕型柴油機具有動力性較好、油耗較低等優(yōu)點，在皮卡、輕型客車等車型上得到廣泛應用。為了滿足GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》1法規(guī)的要求，輕型柴油機排放的控制技術主要采用缸內(nèi)燃燒優(yōu)化和缸外尾氣后處理技術[2，通過采用較高的噴射壓力、缸內(nèi)廢氣再循環(huán)等技術減少排放物的生成，并配置后處理系統(tǒng)，將污染物控制在排放法規(guī)限值以內(nèi)。其中，氮氧化物 （NO_x ）的轉(zhuǎn)化主要采用選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction，SCR）技術[3」，在布置邊界允許的條件下，SCR轉(zhuǎn)換器盡可能靠近發(fā)動機排氣端，充分利用排溫提升 NO_x 的轉(zhuǎn)化效率。而對于顆粒物（PM），顆粒物捕集器（DPF）是最有效、技術相對成熟的裝置，其過濾效率可達 95% 以上[4]。為了能夠同時處理 NO_x 和PM兩種污染物，選擇性催化還原顆粒捕集器（SDPF）應運而生。SDPF與增壓器、氧化催化器（DOC）緊耦合安裝在輕型柴油機上，隨著車輛的運行，系統(tǒng)必須按照一定的再生控制策略定期對捕集的顆粒物進行主動再生[5-6]

車輛在高速路、城郊運行時，工況較好，發(fā)動機負荷較大，排氣溫度較高，再結(jié)合后噴提升SDPF入□溫度 （gt;550° ，SDPF中捕集的PM能夠完全燃燒，再生效率較高。而當車輛運行在城市工況時，由于交通擁擠、紅綠燈比較多，車輛頻繁起停，工況較差，發(fā)動機負荷較小，排氣溫度低。此時，后噴燃油不能在DOC中完全轉(zhuǎn)化，導致再生效率低，易使SDPF產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，甚至燒蝕。同時，當車輛由城市工況切換到高速、城郊工況時，發(fā)動機負荷較大，排氣溫度升高，怠速工況下捕集的PM和未燃的HC化合物在DOC中急劇燃燒，使SDPF入口溫度急劇升高，易造成SDPF的燒蝕。

針對SDPF易堵塞和燒蝕的問題，本研究設計了工況識別邏輯，建立了基于流阻、再生里程的碳載量預估模型，引入高估因子，構(gòu)建了SDPF怠速再生控制策略。在車輛減速至怠速、長時間處于怠速或怠速切換至行車工況等狀態(tài)下，對控制策略的有效性進行了實車驗證，以確認SDPF工作的安全性。

1 SDPF后處理技術方案

某輕型柴油機匹配皮卡車型，開發(fā)目標如表1所示。柴油機采用直列4缸、高壓共軌、增壓中冷等技術，技術參數(shù)如表2所示。

由于柴油機原排不滿足法規(guī)要求，其中 NO_x 排放量為 600mg/km， PM排放量為 45mg/km ，為此采用 DOC+SDPF+SCR/ASC 技術方案和“U”型結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示。根據(jù)國6b法規(guī)中對SD-PF系統(tǒng)低溫時的高效率要求和再生對涂層耐溫的要求，催化器采用低溫性能較好的銅基分子篩，同時考慮周期性高溫、抗熱老化性，催化器技術方案如表3所示。

表1排放限值及開發(fā)目標

表2某型柴油機主要技術參數(shù)

圖1后處理系統(tǒng)示意

表3催化劑技術方案

2SDPF怠速再生控制策略

目前普遍采用的輕型柴油車SDPF再生控制策略僅將車輛工況分為高速、城郊和城市三種情形，而當車輛減速至怠速、長時間怠速或怠速切換至行車工況時，卻無法有效識別工況。此時，碳載量預估模型的精度較差，導致再生效率不高，碳載量過大。在再生過程中，由于DOC中存在大量未燃HC，當車輛由怠速轉(zhuǎn)換至行車狀態(tài)時，使SDPF入口溫度急劇升高，存在燒蝕風險。為了解決上述問題，建立了如圖2所示的SDPF怠速再生控制策略，在車輛運行工況識別中，增加怠速工況和城市工況與怠速之間切換的瞬態(tài)過渡工況，并建立基于流阻和再生里程的SDPF碳載量預估模型。輸出的碳載量乘以高估因子后，與標定值 ，即SDPF載體允許的最大碳載量）相比較，當超過標定值后，進人再生控制，提高SDPF人口溫度，執(zhí)行主動再生。當再生后的碳載量低于標定值時，判定再生結(jié)束。再生過程中，當駕駛?cè)诵枰囕v由怠速轉(zhuǎn)換至行車狀態(tài)時，ECU檢測DOC上下游溫度，若溫度超過標定值，則退出主動再生，啟動清理HC保護策略，以降低SDPF入口溫度。

圖2SDPF怠速再生控制策略

3 車輛工況識別

ECU根據(jù)車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度、SDPF內(nèi)部溫度、空擋開關及汽車擋位等信號，按照一定的邏輯區(qū)間，識別車輛運行工況，車輛運行區(qū)域劃分如表4所示。在高速、城郊、城市工況識別邏輯基礎上，并行新建的怠速工況識別邏輯。當油門開度小于 3% ，發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于 1100r/min ，車速小于3km/h ，噴油量小于 10mg/cyc ，再結(jié)合空擋開關、歧管壓力、增壓壓力、水溫信號進行輔助判斷，從而識別并判斷為怠速工況，怠速標志位置1。當駕駛?cè)诵枰囕v由怠速轉(zhuǎn)換至城市工況時，怠速標志位置0。

表4車輛運行區(qū)域劃分

4SDPF系統(tǒng)碳載量模型及參數(shù)化

SDPF系統(tǒng)碳載量控制架構(gòu)如圖3所示。由于SDPF為碳化硅載體，其壓差與碳載量呈良好的線性關系，且靈敏度較高。因此，將基于壓差流阻的碳載量估算模型的激活優(yōu)先級設置為最高，即將采集的SDPF兩端壓差，經(jīng)過壓差模型修正，再由流阻計算模型剔除灰分累積對流阻的影響，得到最終的SDPF流阻。根據(jù)濾波后的流阻和體積流量數(shù)據(jù)通過碳載量計算模型得到當前載碳量數(shù)值。基于里程的碳載量估算模型的優(yōu)先級次之，用于校驗和冗余保護，防止模型計算的碳載量值低于實際值而無法觸發(fā)再生。

圖3SDPF系統(tǒng)碳載量控制架構(gòu)

4.1基于壓差的碳載量估算模型

SDPF本體產(chǎn)生的阻力包括氣流產(chǎn)生的阻力和形狀產(chǎn)生的阻力，當排氣氣流通過SDPF時，該阻力產(chǎn)生的壓差即為SDPF本體產(chǎn)生的壓差，布置在SDPF兩端的壓差傳感器測量的壓差減去SDPF本體產(chǎn)生的壓差，便可得到碳載量產(chǎn)生的壓差，該值還需轉(zhuǎn)換為標準狀態(tài)的壓差，計算公式如下：

Δρ=（a₁+Δa_HH）×μ×Q+a₂×ρ×Q²，

Δp_soot=Δp_sensor-Δp，

Δ?_index=0.0018×Δ?_soot/（μ×Q）

式中： Δp 為 SDPF本體產(chǎn)生的壓差； Δp_sensor 為壓差傳感器測量的壓差； Δp_soot 為碳載量引起的壓差；Δ?_index 為標準狀態(tài)下的壓差； a₁ 為摩擦系數(shù)； Δa 灰分為SDPF積累的灰分產(chǎn)生的摩擦系數(shù)； μ 為排氣黏度； Q 為排氣流量； a₂ 為慣量系數(shù)； ρ 為排氣密度。

4.1.1碳載量估算模型標定

在進行發(fā)動機臺架試驗時，首先使用一個新狀態(tài)的SDPF，記錄排氣流量 （L） 、SDPF前后壓差（Δ?） 、SDPF入口溫度 （T） 、SDPF入口壓力 （?） 等參數(shù)，由最小二乘法得到空載因子 a₁ 和 a₂ ，進而確定空載情況下SDPF壓差特性曲線。然后根據(jù)式（2）和式（3）得到SDPF前后壓差 Δp_index 與碳載量的標準壓差標定曲線，如圖4所示。標定后的碳載量脈譜如圖5所示。

圖4SDPF壓差特性模型

圖5碳載量計算模型

為了更準確地計算車輛停止、起動過程中的碳載量，建立流阻計算模型，如圖6所示。當車輛停止時，記錄當前時刻的碳載量數(shù)值，當車輛起動時，在此基礎上進行碳載量的累加。

4.1.2碳載量估算模型的灰分修正

灰分是燃油中的硫和機油所產(chǎn)生的不可再生類雜質(zhì)，長期積累會沉積在SDPF中[8。灰分的存在會導致壓差的計算精度降低，影響主動再生的開始時間，為此設置灰分的自學習機制，灰分導致的系數(shù)差值由自學習確定，其原理如圖7所示。

圖6流阻計算模型

車速碳載量轉(zhuǎn)速 判斷再 工況 工況 壓差自學碳載量 生完學 判斷 延長時畫 判斷 修正習時間 特性曲線噴油量 大于標定值油門踏板開度

當一次再生結(jié)束時，判斷該次再生的工況（平均排氣流量、平均再生溫度），如果平均排氣流量、平均再生溫度大于標定值，進入再生時間補償階段。隨后延長一定再生時間，再次判斷溫度、流量等條件，如果條件滿足則認為SDPF內(nèi)碳煙已燒盡，再次計算空載情況下壓差特性曲線的系數(shù) 。將得到的系數(shù) Δa_jj 代入式（1）中，重新進行空載壓差曲線模擬計算，對標準壓差曲線進行微調(diào)。只有當車輛行駛一定里程數(shù)后，才會充許激活一次自學習。

4.2基于里程的碳載量估算模型

按照表4所列的工況區(qū)域，標定出高速、城郊及城市這3個區(qū)域的里程系數(shù)作為SDPF每公里的碳載量。當發(fā)動機工況發(fā)生變化時，ECU會自動判斷是否切換成相應的里程系數(shù)。根據(jù)SDPF前后的質(zhì)量差與該工況下行駛的里程進行反復標定，得到的商值即是里程系數(shù)。高速、城郊及城市這3個工況的里程系數(shù)分別為 0.56，0.056，0.07g/km 。

為了避免三種工況之間頻繁切換導致SDPF中碳載量的計算誤差，使用車速信號作為工況區(qū)分的主要參數(shù)，ECU對車速信號進行濾波，濾波時間設定為 50s ，即只有新工況的持續(xù)時間 ?50 s時，碳載量的計算工況才從當前工況切換至新工況。車速信號采用相互交叉標定的方式，以避免車速忽高忽低導致的工況頻繁切換。當車輛運行在相應的工況時，若ECU計算得到的SDPF碳載量超過設計值，ECU則激活SDPF再生功能。

5怠速再生控制策略試驗驗證

在車輛實際運行時測試怠速再生控制策略有效性，將怠速再生控制策略下載到ECU中，利用標定工具的INCA軟件與ECU通信，采集車速、油門踏板開度、轉(zhuǎn)速、主噴油量、遠后噴油量、空氣量、排氣體積流量、DOC前后溫度、SDPF前后溫度，記錄怠速標志位、是否再生模式、載碳量等變化。

5.1車輛減速至怠速工況時的再生

測試車輛運行在城市工況進行碳載量加載，ECU監(jiān)控碳載量、怠速標志位等信號，當碳載量模型輸出值達到 26.5g ，大于設計值 26g ，進入再生模式。此時，試驗車輛減速至怠速，ECU識別到怠速工況，怠速標志位置1，柴油機排氣溫度快速降低，采用遠后噴策略保持SDPF入口溫度 550°C ，確保碳煙持續(xù)氧化。怠速標志位、碳載量及遠后噴量等數(shù)據(jù)變化曲線如圖8所示。

5.2 怠速工況的再生

試驗車輛運行在怠速工況時，怠速標志位置1，ECU監(jiān)控到碳載量達到 26.5g ，大于設計值 26g 進入再生模式，采用遠后噴策略保持SDPF入口溫度 550°C ，執(zhí)行再生。車速、怠速標志位、碳載量及遠后噴量等數(shù)據(jù)變化曲線如圖9所示。

5.3怠速轉(zhuǎn)換至行車工況的再生保護

車輛長時間處于怠速工況后，將車輛由怠速轉(zhuǎn)換至行車狀態(tài)，怠速標志位置0，當檢測到DOC前后溫度超過標定值，即存在大量未燃HC，則停止遠后噴，減緩DOC中未燃HC燃燒速度，降低SDPF入口溫度。DOC前后溫度差值、怠速標志位及遠后噴量等數(shù)據(jù)變化曲線如圖10所示。

圖9怠速工況再生曲線

6 結(jié)束語

在傳統(tǒng)柴油車SDPF再生控制策略的基礎上，利用車速、油門踏板開度等信號，構(gòu)建車輛怠速工況和怠速與城市工況之間轉(zhuǎn)換的識別邏輯，建立碳載量預估模型并參數(shù)化，以模型計算的碳載量作為再生觸發(fā)條件，形成SDPF怠速再生控制策略。通過實際道路測試，驗證再生控制策略的有效性，結(jié)果表明：所設計的怠速工況識別邏輯能夠準確識別怠速及變化過程，為怠速再生控制提供判斷條件；以輸出的碳載量并增加高估因子作為再生控制的觸發(fā)條件，車輛運行在減速至怠速，怠速，或者怠速至行車等工況均可以實現(xiàn)再生控制；所設計的再生控制策略提高了SDPF再生效率和SDPF運行安全性。

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Abstract：To meet the requirementsof China VI-b light-duty vehicle emisson regulations for nitrogenoxides （NO_x ）and particulatematter（PM），theselectivecatalyticreductionparticulatefilter（SDPF）wasdevelopedforagivenlight-dutydieselen gine.Underurbandrivingandidleconditions，regenerationeficiencyislow，whichincreases theriskofSDPFblockageand"eventhermaldamage.Toaddressthisproblem，theidentificationlogicunderidleandidleandurbanconditiontransformation was constructed.ThenanaccurateestimationofSDPFsootloadwasusedasakeyinputfortriggeringidleregenerationbased ondiferential presureandflowresistance models，thereforean SDPFidleregenerationcontrol strategywasdevelopedRealvehicletestingvalidatedtheefectivenessoftheidleregenerationcontrolstrategyunderthestatesofdecelerationtoidleidle andidletourbandriving.Theresultsshowthatasignificantimprovementinregenerationeficiency，whichprovestheffectiveness of the SDPF idle regeneration control strategy and improves the safety of SDPF operation.

Key Words：light-duty diesel engine;SCR particulate filter（SDPF）;regeneration;control strategy

[編輯：潘麗麗]