基于模型的DPF再生温度控制策略开发及验证

解同鹏，高翠，鹿文慧，张善星，李兰菊

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261040

0 引言

柴油机排气中含有大量的氮氧化物(NOx)和颗粒物(particulate matter, PM)，严重危害人体健康[1-3]。文献[4]对柴油机尾气中颗粒物质量及数量提出了严格要求，减少柴油机PM排放最有效的技术是采用柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)。目前DPF多为壁流式结构，在布朗扩散与拦截机理的作用下，PM在壁面内部积聚、沉积，PM的不断累积造成DPF堵塞，导致排气背压增大，缸内燃烧恶化，油耗增加。因此当捕集的PM达到一定数量时，DPF需要进行主动再生，将吸附的PM烧掉，以恢复其过滤功能，DPF主动再生过程安全和经济性的关键是再生过程的温度控制。

国内外对DPF再生温度控制进行了大量研究。文献[5]研究了DPF再生阶段的温度特性及影响因素，分析了不同再生温度对DPF再生效率的影响；文献[6]针对DPF热再生过程大惯性、大滞后特点，研究了基于排气温度和排气流量的增益补偿控制；文献[7]基于自抗扰控制(active disturbances rejection control, ADRC)设计了改进的延迟时间自适应复合控制系统；文献[8]研究了再生温度和再生时间对DPF内部颗粒物分布的影响；文献[9]研究了DPF中灰分对再生的影响；文献[10]研究了DPF再生温度场，以及峰值温度、温度梯度控制的重要性；文献[11]提出了一种闭环鲁棒性设计方法，基于城市驾驶工况验证了较好的抗扰能力；文献[12]研究了低负荷稳定工况下DPF再生时，进气节流阀开度、喷油提前角、喷油压力、后喷等主动控制策略对排气热管理的影响。

关于DPF再生过程影响因素的研究有很多有价值的成果。本文中针对由柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)和DPF组成的后处理系统，建立基于化学反应动力学原理的温度模型，并将模型用于DPF再生温度的前馈和反馈控制，精确控制DPF的再生温度，降低DPF失效风险，提高再生效率。

1 试验装置

发动机试验台架总体布置示意如图1所示。

图1 发动机试验参架示意图

试验采用ETAS INCA7.2标定软件调节柴油机喷油及后处理控制策略，采用AVL INDYS66JD交流电力测功机测量转速和转矩，采用AVL483测量仪测量碳烟排放。

试验发动机为电控高压共轨、增压中冷、6缸直列柴油机，柴油机主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

排气后处理系统由DOC和DPF组成，DOC和DPF的主要参数见表2。

表2 DOC和DPF主要参数

2 DOC温度模型

2.1 DOC反应机理

DOC载体表面涂覆铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等贵金属，可以有效降低反应温度。柴油机排气中的CO、HC及部分可溶性有机物(soluble organic carbon, SOC)在DOC的孔道内中与氧气反应生成CO2及H2O，同时放出热量提高DPF入口温度，为DPF主动再生创造条件。其中主要化学反应如下[13]：

(1)

(2)

(3)

2.2 一维DOC温度场

DOC轴向分割及温度传感器布置如图2所示。

图2 DOC轴向分割、温度传感器布置及能量流向示意图

将DOC沿轴向分割为6个单元(按气流方向分别记为1、2、3、4、5、6)。每个单元的物理特性相同，燃油转化效率分别为η1、η2、η3、η4、η5、η6，整个DOC的燃油转化效率

(4)

在DOC进、出口(图中A、B位置)分别安装2个PT200温度传感器，在DOC内部布置7支热电偶，分别标记为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，实时获取再生过程中DOC进、出口及每个单元进出口的温度；根据DOC入口燃油喷射量及下游的HC泄漏量，可计算得到每个单元的燃油转化效率。

2.3 DOC温度模型

DOC能量流向如图2所示，在DOC再生过程中，DOC与环境之间存在热传递和热传导[14]，其中热传导与热传递相比要小得多，此处忽略不计[15]。

DOC入口排气热量

Q1=mgcgTi,

(5)

式中：mg为排气质量，kg；cg为排气比热容，J/(kg·K)；Ti为DOC入口排气温度，K。

DOC入口喷射燃油所含热量

Q2=mfHfη,

(6)

式中：mf为DOC入口燃油喷射量，mg；Hf为燃油热值，J/mg；η为DOC的燃油转化效率。

DOC出口排气带走热量

Q3=mgcgTo,

(7)

式中：To为DOC出口排气温度，K。

DOC中未完全反应燃油所含热量

Q4=mfHf(1-η) 。

(8)

DOC与环境热传递能量

Q5=∑Ce(Tk-Te) ,

(9)

式中：Ce为环境热容，J/K；Tk为每个单元温度，K；Te为环境温度，K。

DOC温度分布如图3所示。

图3 DOC温度分布

将DOC出口的再生设定温度Td作为最后一个单元的出口设定温度，只考虑每个单元与环境的热传递，从后向前依次计算出每个单元的出口设定温度：

Tk=Tk+1+((Tk+1-Te)fe)/Cg,

(9)

式中：Tk为k单元的出口设定温度，K；Te为环境温度，K；fe为DOC与环境的散热系数，J/K；Cg为排气热容，J/K。

将DOC入口温度传感器采集温度作为第1个单元的入口温度T1i，计算单位时间(1 s)内第1个单元的需求燃油喷射量

q1=((T1-Te)fe+(T1-T1i)Cg)/Hf,

(10)

式中：T1为第1个单元的出口设定温度，K；T1i为第1个单元的入口温度，K；Hf为燃油热值，J/mg。

根据q1在第1个单元中的燃烧放热及第1个单元与环境的热传递，计算出更新后的第1个单元的出口温度T1o(即第2个单元的入口温度T2i)。

T1o=T2i= (q1Hfη1+Tefe+T1iCe)/(fe+Cg) ,

(11)

式中η1为第1个单元的燃油转化效率。

从前向后依次计算单位时间内每个单元的需求燃油喷射量qk及每个单元的出口温度，把最后一个单元的出口温度作为DOC出口模型计算温度，对qk求和得到单位时间内需求的总燃油喷量作为前馈燃油喷射量q。单位时间内第6个单元的需求燃油喷射量、出口温度、总燃油喷射量分别为：

q6=((T6-Te)fe+(T6-T6i)Cg)/Hf,

(12)

T6o=(q6Hfη6+Tefe+T6iCe)/(fe+Cg) ,

(13)

q=∑qk,

(14)

式中：q6为第6个单元单位时间内需求燃油喷射量，mg；T6为第6个单元的出口设定温度，K；T6i为第6个单元的入口温度，K；η6为第6个单元的燃油转化效率；T6o为第6个单元的出口温度(即DOC出口模型计算温度)，K；q为单位时间内需求的总燃油喷射量，mg。

3 控制算法开发及验证

3.1 基于模型的闭环控制算法

按偏差的比例、积分、微分(proportion integral differential, PID)进行控制[16]是一种工业过程控制中广泛应用的算法，应用于DPF再生温度控制的PID再生温度控制系统原理如图4所示。

图4 PID再生温度控制系统原理图

PID控制参数相对独立，其控制律为：

(15)

式中：t为采样时间，u(t)为时间t的PID控制器输出函数，KP为比例系数，e(t)为时间t的偏差量输入函数，KI为积分常数，KD为微分常数。

由于DPF热再生过程具有大惯性、大滞后特点，PID参数整定困难很大，很容易引起响应速度慢或超调，甚至振荡；最大再生温度和温度梯度难以控制，DPF热失效风险及燃油消耗增大。本文中在传统PID控制基础上引入基于模型的前馈及反馈控制，基于模型的再生温度控制系统原理如图5所示。再生温度控制系统可精确控制DPF再生温度，提高再生效率，降低燃油消耗。

图5 基于模型的再生温度控制系统原理图

3.2 控制算法仿真分析

将DOC温度模型和再生温度控制算法在Simulink中构建并集成，基于台架输入数据(阶跃响应采集数据)进行联合仿真，模拟发动机瞬态过程，对PID控制参数进行系统整定及测试优化，以初步评估算法性能及控制品质，其中燃油热值设为41 J/mg，环境温度设为293 K，DOC与环境的散热系数与车速相关，仿真中设为0.2 J/K，由试验得到每个单元的燃油转化效率为0.4～0.7。根据排气质量流量和比热容计算得到的排气热容如图6所示，由温度传感器得到DOC入口温度如图7所示。

图6 排气热容 图7 DOC入口温度

DOC出口温度为593、723、873 K阶跃变化过程中，DOC内部各单元模型设定温度、实际温度、计算的需求燃油喷射率(前馈量+反馈量)如图8所示。其中723～873 K段，DOC内部各单元峰值温度为876.3 K，DOC内部各单元的需求燃油喷射率峰值为717 mg/s，满足设计要求。

a)设定温度 b)实际温度 c)燃油喷射速率

3.3 发动机台架试验验证

在发动机台架上模拟发动机瞬态过程，验证控制算法在实际应用的控制性能。DOC出口设定与实际温度、出口与入口实际温度以及DOC入口燃油喷射速率如图9所示。图9a)为出口设定温度分别为593～723 K、723～873 K、873～723 K各阶跃变化过程中的各阶段响应结果，其中设定温度为723～873 K，阶跃响应上升时间(DOC出口实际温度从738 K上升到858 K所需时间)为28 s，调节时间(DOC出口实际温度到达865.5 K所需时间)为132 s，无超调；图9b)为阶跃响应过程中DOC出、入口实际温度对比，DOC入口实际温度为583～593 K，温度波动率为3%；图9c)为阶跃响应过程中DOC入口燃油喷射速率，可知最大入口燃油喷射速率为2946 mg/s。

a)出口设定与实际温度 b)出口和入口实际温度 c)入口燃油喷射速率

4 结语

将基于DOC中化学反应动力学原理建立的再生温度模型用于DPF再生温度前馈及反馈控制，通过仿真试验评估控制策略的效果，及时完善策略及数据标定。这种基于模型的控制策略开发方法能够显著缩短开发周期，提高策略开发效率，降低DPF失效风险，节约开发成本；对DPF再生温度控制策略进行仿真并通过发动机台架试验验证策略的控制效果，仿真和试验结果均表明，温度控制过程中具有很好的动态性能及稳态性能，最大温度及燃油喷射量都在限定范围内，基于模型的DPF再生温度控制策略可用于精准跟踪和控制再生温度，使DPF再生安全可靠。