柴油機顆粒物捕集器(DPF)熱再生過程中需要采用適當?shù)臒峁芾泶胧PF前端排氣溫度提升到500℃以上，同時為保證再生效率需將較高的排氣溫度維持在較長一段時間內(nèi)。由于車輛在實際道路行駛中其負荷、環(huán)境等復雜多變，DPF內(nèi)部溫度及發(fā)生在DPF內(nèi)的熱再生反應受排氣溫度和排氣流量等影響，在特殊工況下表現(xiàn)出較強的非受控特性。非受控再生發(fā)生時，DPF承受著較高熱負荷和熱應力，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、促進安全再生，成為推進DPF系統(tǒng)化應用的重要內(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)的大滯后特點提出一種采用發(fā)動機排氣溫度和流量作為增益補償優(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進行了驗證，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  試驗裝置與方法

試驗用發(fā)動機為4缸直列、增壓中冷柴油機，排氣后處理系統(tǒng)由DOC和DPF組成。柴油發(fā)動機及DPF 后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)


表2 DPF后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)


試驗臺架的總體布置示意如圖1所示。在發(fā)動機排氣管路安裝有由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的排氣溫度傳感器。為防止試驗過程中發(fā)動機排氣背壓過高、惡化發(fā)動機工作性能，在DPF兩端布置了壓差傳感器，以實時監(jiān)測排氣背壓情況。通過煙度計分別檢測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，在上止點后120°CA附近設(shè)置遠后噴射，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，以達到排溫控制目的。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 試驗臺架總體布置

采用發(fā)動機臺架模擬DTI再生過程進行試驗研究，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。試驗中對DPF再生溫度從550℃開始至650℃，每隔25℃依次取點；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)計測點。試驗測點的設(shè)計如表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，從而影響試驗進度。試驗前后均采用煙度計檢測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 試驗測點設(shè)計


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，從而實現(xiàn)排氣溫度提升，輔助DPF熱再生。由于車輛行駛過程中其負荷、環(huán)境等的復雜多變性，DPF熱再生控制過程是受高隨機因素干擾的、具有強慣性和大滯后的非線性分布參量時變過程。從系統(tǒng)的物理邊界角度對目標再生溫度的控制主要受到當前排氣溫度和排氣流量的影響。因此，研究基于發(fā)動機排氣溫度和排氣流量的控制增益補償方法，以解決相同發(fā)動機工況下由于邊界條件如冷卻水溫、進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，前饋控制量信號和反饋控制量信號疊加后經(jīng)限幅、一階濾波器處理后生成最終的控制量輸出。


圖2 目標再生溫度控制算法模型示意

前饋控制具有預測控制作用，可以根據(jù)擾動量或給定目標量迅速執(zhí)行補償，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態(tài)響應品質(zhì)的作用尤為突出。發(fā)動機在加、減速工況下，前饋控制路徑算法可以綜合當前發(fā)動機流量、排氣溫度和目標再生溫度等，立即響應并補償控制量輸出。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)的熱時滯作用顯著增強，為保證動態(tài)響應性能在低排氣流量工況下需要以前饋控制作用占主導，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償方式也使得標定優(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)部詳細設(shè)計示意，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

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，需要求解復雜的偏微分方程組，一般不便用作實時控制算法的開發(fā)目的。對于輔助控制算法開發(fā)的仿真模型，需要兼顧計算精度和計算效率。因此，本文在忽略DOC表面與環(huán)境的散熱損失前提下，同時僅考慮發(fā)動機排氣各組分中未燃HC組分在DOC內(nèi)部的氧化反應作用，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)誤差和動態(tài)性能，對模型進行了詳細標定，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算和臺架試驗結(jié)果。為增強結(jié)果的可比性，仿真和試驗過程中均設(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出口端溫度與試驗結(jié)果的實際出口溫度在較高和較低空速工況下均保持了一致的動、靜態(tài)響應特性。


圖4 模型仿真與試驗結(jié)果對比

將前述仿真模型和控制算法模型串聯(lián)并形成一個閉環(huán)，可以進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態(tài)和靜態(tài)控制性能。圖5為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩突變情況下的動態(tài)仿真結(jié)果，目標再生溫度為600℃、排氣流量來自發(fā)動機臺架的試驗數(shù)據(jù)作為仿真的輸入。根據(jù)仿真試驗結(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，實際DOC出口溫度仍保持了對目標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，為控制算法在實際環(huán)境中的應用提供了保障，避免了因溫度控制不當引發(fā)潛在的試驗風險。


圖5 排氣流量突變工況仿真結(jié)果

04  整車道路試驗驗證

車輛在實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、路面負載情況以及發(fā)動機排氣流量、排氣溫度等擾動因素的變化劇烈。因而在一臺滿足國Ⅴ排放法規(guī)的安裝試驗用柴油發(fā)動機及DPF后處理系統(tǒng)的某輕型皮卡車上進行了在實際道路行駛的試驗驗證，以分析控制算法策略在實際應用中的性能。圖6為兩種典型駕駛工況下的道路試驗結(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。分析試驗結(jié)果可知，實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量急劇變化的情況下，設(shè)計的算法策略與前述仿真結(jié)果表現(xiàn)出較為一致的動態(tài)響應品質(zhì)和抗干擾性能。再生開始時對于目標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。試驗的300s后再生目標溫度設(shè)定為580℃，可以看出，試驗中溫度控制算法對于車速、發(fā)動機排氣溫度等變化具有較強的抗干擾力，實際DOC出口溫度對目標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方法，通過對DTI再生試驗結(jié)果的定量分析得到了DPF安全再生溫度曲線；根據(jù)當前DPF碳載量可以確定合理的熱再生目標溫度，從而降低DPF失效風險，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，研究了一種采用發(fā)動機排氣溫度和排氣流量作為增益補償?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驗證了其具有較好的動態(tài)控制性能和復雜工況適應能力；仿真和道路試驗結(jié)果表明，DPF熱再生中對實際排溫控制的超調(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)動機燃油經(jīng)濟性及實現(xiàn)DPF系統(tǒng)化和高效應用等方面也具有重要作用。