基于流通阻力的DPF碳载量预测模型研究

精确预测碳载量是目前柴油机颗粒捕集器(DPF)技术应用的关键环节。本文中首先对DPF压差值的主要影响因素进行了理论分析,发现当DPF的物理结构和内部碳载量确定的情况下,其压差主要受排气体积流量的影响,进而提出采用流动阻力值作为特定碳载量下压差与排气体积流量的关系表征。其次,运用GT-Power软件建立DPF一维仿真模型,模拟了DPF内部不同碳载量对流通阻力的影响,分析表明:瞬态工况下DPF压差值受发动机运行工况影响而在较大范围内剧烈波动,但流通阻力值相对较稳定且与DPF内部碳载量呈正相关关系。最后,结合发动机台架试验对DPF仿真模型进行了试验验证,两者吻合良好,最大误差约10%。     

重型柴油机DPF非线性非稳态碳载量估算方法研究

通常可以使用压差传感器估计柴油机微粒捕集器(DPF)中的碳载量，但其在较低排气流量时的非线性和非稳定状态下，准确性会严重下降。为了提高精度，建立了新的碳载量估算方法，以计算DPF中的炭烟累计量，从而提高主动再生触发时间的精度。该模型基于发动机炭烟排放和DPF内的炭烟氧化平衡，由炭烟排放模型、NO₂被动再生模型和炭烟高温氧化模型3个子模型组成。测试验证是基于全球统一瞬态试验循环(WHTC)进行的。试验结果表明，在载碳形成过程中，碳载量计算值与实测值的平均误差为4.6%。随着排气温度和NO₂浓度增加，被动再生加快，主动再生间隔延长。     

大型柴油机DPF被动再生特性的试验研究

通过台架试验研究了不同废气再循环（EGR）率及不同排气节流阀开度对柴油机颗粒过滤器（DPF）被动再生的影响规律,对比了在世界协作瞬态循环（WHTC）工况前900s瞬态工况下开关EGR阀对DPF耐久特性的影响,并研究了驻车再生的效果。试验结果表明,EGR率及排气节流阀开度通过影响排气温度及排气NO2浓度影响DPF被动再生速度;正常WHTC工况前900s耐久循环下DPF碳载量不断增大,关闭EGR阀后进行WHTC工况前900s耐久循环后,DPF碳载量不断减少;驻车再生能够有效降低DPF碳载量。     

柴油机后处理系统一维数值模拟

以准稳态流动的压力损失方程与传热方程为计算依据,将过滤体看成是一维单通道流动管道的集合,建立了DPF一维流动模型,模拟过滤体;以BJ493ZQ3发动机为试验用发动机,建立发动机模型,将DPF模型连接在发动机排气管尾端,集合为系统整体模型,模拟系统排气阻力。计算与试验结果都表明,固定转速,低负荷时,系统排气阻力与负荷近似呈线性关系,高负荷时,二者近似呈二次曲线关系。计算给出了柴油机加装壁流式碳化硅DPF在实际不同运行条件下的排气背压MAP图,用来标定控制器,同时为DPF的再生控制策略提供了依据。     

柴油机DPF压降及噪声特性分析

为探究发动机运行过程中DPF压降和噪声特性,本文中通过建立加装DPF的一维整机仿真模型,分析载体结构、碳载量、灰分量等因素对DPF性能的影响。结果表明:载体圆径尺寸越小,DPF压降越大,但噪声量相对减少,而载体长度对压降和噪声的影响甚微;碳载量越大,DPF排气端噪声越小;碳载量在4 g/L范围内时,深层过滤压降占DPF压降主导地位;碳载量超过4 g/L,碳烟层压降逐渐占据主导;灰分量与灰分分布系数大小对DPF压降和排气噪声影响效果相似,随其数值增长,压降增大,对噪声衰减能力增强。通过揭示载体尺寸、碳载量和灰分等因素对DPF压降及排气噪声特性的影响规律,为减少压降损失、降低排气噪声的DPF结构设计提供参考。     

面向控制的DPF再生效率建模和试验研究

对柴油机颗粒物捕集器(DPF)的再生效率进行实时和准确的在线预估,可为DPF热再生结束的控制提供判断依据,是实现DPF系统化和高效应用的重要功能。本文基于热再生过程中DPF内碳烟颗粒的氧化反应机理探讨并建立了DPF再生效率计算模型,通过发动机台架试验对模型的化学反应动力学参数进行了校核和辨识,从而得到DPF内碳烟颗粒热再生氧化反应的反应级数为α=1与活化能参数为E_a=107.5 kJ/mol。台架稳态工况和车辆在实际道路行驶工况的试验结果表明,再生效率模型最大计算误差为5.6%,较好满足实际应用需求,为DPF热再生中准确判断再生结束的时机提供了参考。     

基于国六法规下的整车GPF再生试验研究

在搭载某直列四缸GDI涡轮增压发动机的整车上进行了怠速再生工况的选择与验证,并通过城市工况再生及高速再生验证了模型的精度。结果表明:在转速3000r/min、储备扭矩20Nm时,涡前温度、GPF入口温度均未出现超温的现象,温度控制合理,能够保证怠速再生的安全;在城市工况和高速工况下,当前实际碳载值要小于当前模型碳载值,可以早点进入再生,清除掉碳载颗粒物,模型与实际匹配结果较好;再生速率良好,能够满足工程应用。     

NO2对柴油机微粒捕集器再生特性的影响机理

利用三维CFD软件建立了柴油机微粒捕集器(DPF)三维仿真模型,验证了模型的准确性。通过对NO2氧化炭烟微粒再生机理的DPF仿真计算,研究了炭烟浓度、NO2与NOx的比值、排气温度、空速及发动机负荷对NO2被动再生反应的影响。结果表明:排气中炭烟浓度越大,NO2转化率越高;NO2与NOx的比值越大去除的炭烟微粒越多;正常排气温度有利于NO2实现DPF再生;空速高时DPF再生效果不佳;发动机负荷越高,参与再生过程的NO2越多。     

基于Boost的柴油机微粒捕集器(DPF)性能分析

柴油机微粒排放控制技术已成为柴油机技术发展中的核心之一。文中探讨了微粒捕集器的捕集机理、过滤体材料特性以及再生技术。并利用AVL Boost软件建立模型,仿真分析了发动机的排气温度和柴油机微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)的过滤孔密度对DPF的最高温度、排气背压和排气碳烟量的影响,提出了柴油机微粒捕集器设计优化的方法。     

基于模型的DPF主动再生排气温度控制

颗粒物捕集器(DPF)主动再生发生时需要将柴油发动机排气温度提升到500℃以上并维持在较长一段时间内。为减少由于控制对象纯滞后特性、强扰动因素引起的不确定性,降低高排气温度带来的主动再生风险,结合基于模型的控制策略提出了一种优化的再生温度控制算法和控制器结构,并展开了仿真分析、参数优化等研究工作。设计的控制结构考虑实际工程应用需求,采用基于发动机排气温度和排气流量的增益补偿和前馈加反馈控制方案,可兼顾性能和成本因素,并具有较强的适应性和可操作性。仿真和台架试验、车辆道路试验结果均表明,主动再生过程中对实际排温控制的超调量小于3%,在发动机瞬态工况和车辆运行等强扰动工作工况下的稳态控制误差小于25℃。     

不同海拔下国六柴油机性能试验研究EI北大核心CSCD

基于高原环境模拟试验台架,研究了不同海拔下国六柴油机全负荷和40%负荷工况下的动力性、经济性及排放特性,同时探讨了4 000 m海拔下发动机持续运行在低转速大负荷工况柴油机颗粒物捕集器(DPF)堵塞的可能性。结果表明:全负荷和40%负荷工况下随着海拔的上升,发动机的进气流量、空燃比、有效热效率,排气氧浓度、排气压力呈非线性减小,有效燃油消耗率、排气温度、NO排放呈不同幅度增加;动力性、经济性下降明显,排放性能恶化;全负荷工况对海拔的变化更加敏感,特别是低转速和高转速的性能降幅较大;国六柴油机在4 000 m海拔下持续运行在低转速大负荷工况,DPF内大量颗粒物沉积但再生困难,较短时间内被堵塞。     

采用缸内后喷和排气管喷油的DOC辅助DPF再生技术的研究

为克服传统喷油助燃再生方式存在的火焰难以形成、点火容易丢失和引起二次污染等问题,采用了缸内后喷与排气管喷油相结合的微粒捕集器(DPF)再生系统。利用台架试验研究了缸内后喷对发动机性能的影响。为满足氧化催化器(DOC)工作温度需求,在发动机排气温度250~350℃范围内的工况进行试验,得到不同工况下的最佳缸内后喷时刻、喷油量和排气管喷油量,并绘制了相应的MAP图。     

一种基于神经网络的氧化催化器出口温度控制方法

氧化催化器(DOC)出口温度控制是实现颗粒捕集器(DPF)主动再生控制的关键。本文介绍一种基于神经网络的氧化催化器出口温度控制方法,首先结合DOC系统的实际特征以及DOC传热及化学反应特性建立了一阶延迟DOC出口温度模型,然后在温度模型基础上基于神经网络建立了DOC出口温度预测模型,最后将DOC出口温度预测值作为闭环反馈输入建立反馈控制器计算HC喷射量进而控制DOC出口温度。本方法采用整车试验中连续变化工况来验证,试验结果表明DOC出口温度在DPF再生过程中控制在600±20℃范围内,满足DPF精确再生控制要求。     

柴油机颗粒捕集器热再生的影响因素研究

利用GT-Power软件建立柴油机颗粒捕集器(DPF)的热再生模型,运用离线再生的方法进行DPF的热再生试验,用试验结果验证模型的准确性。结合模拟和试验的结果,分析了DPF结构和运行参数对热再生过程中壁面峰值温度、最大温度梯度、再生持续时间的影响。结果表明,再生时的壁面峰值温度和再生速率随壁厚、CPSI、过滤体长度的增加而降低,再生过程中的壁面峰值温度随再生加热温度和碳烟累积量的增加而增加,随入口流量的增加而减小,提高再生气体中的氧浓度有助于提高总体的再生速率和再生效率,但会增加再生时的壁面温度和温度梯度。     

选择性催化还原过滤器背压骤增现象的研究

前期研究中,发现在柴油颗粒过滤器（DPF）上出现背压骤增现象是由于DPF通道内的碳烟坍塌所致。碳烟坍塌是由综合因素如被动再生、高温度、长浸置期、高碳载量和高排气流量等所致。     

基于重要工况点的柴油机逐点模型标定

电控柴油机的标定需要综合考虑油耗、排放、进排气温度等因素,但随着国五排放法规的实施,导致标定难度成指数级增加,传统的标定手段工作量大,成本高。文中在模型标定的基础上提出了基于重要工况点的逐点模型标定方法。通过聚类分析并结合实际排放特性分析,选出NEDC循环工况中重要工况点;采用空间填充法完成对各工况点的试验设计,并通过台架试验采集发动机试验数据;在完成各响应模型搭建的基础上,通过遗传算法得到各工况点下的最优燃烧参数组合;根据三次多项式拟合完成MAP绘制;基于万有特性试验对MAP进行优化,同时进行整车转鼓排放试验。研究结果表明,该标定模型生成的MAP具有良好的燃油经济性和较好的排放性能,可以准确地预测发动机响应参数,相较于人工标定油耗降低了15%。     

基于数学模型的DPF再生控制策略仿真和优化

采用AVL Boost结合Matlab Simulink搭建包含发动机数据、DOC和DPF排放后处理系统及DPF再生控制策略的综合仿真模型,并为了使控制更加精确,基于DOC和DPF的数学模型设计了控制策略。经过台架试验验证,该综合仿真模型能较好反映DPF再生状况。基于该模型对再生开始判断条件、再生结束时机、再生中断处理等策略进行了优化。     

排气管喷油再生的DOC辅助DPF系统起喷温度的试验研究

通过发动机台架试验,在固定发动机排气流量的条件下,试验研究了不同柴油机氧化催化器(DOC)前温度、排气尾管燃油喷射速率、贵金属(PGM)涂层含量时,DOC的碳氢化合物(HC)转化性能;得出DOC性能的变化规律、起喷温度的标定方法、PGM涂层含量对DOC催化器的影响规律。试验结果表明:随着DOC前温度的升高,DOC的HC转化能力增强,碳氢泄漏现象减弱。可通过标定达到柴油机颗粒捕集器(DPF)目标再生温度所需的DOC前温度(起喷温度)随喷油速率的脉谱图确定尾管喷射再生系统的起喷温度。随着喷油速率的增大,起喷温度先逐渐降低,然后缓慢上升。PGM涂层含量增大,DOC的HC转化能力增强,达到DPF目标再生温度所需要的起喷温度减小。PGM涂层含量为A和Bg/L时,达到目标温度所需的最低起喷温度为240~244℃。     

基于模型的国Ⅵ重型柴油机DOC辅助DPF系统控制策略研究

由于国Ⅵ排放法规的加严,本文研究了氧化催化器(DOC)辅助微粒捕集器(DPF)排放控制策略,并用模型实现仿真测试及试验验证。试验结果表明,本文的DOC辅助DPF系统控制策略估算DPF当前碳载量误差在允许范围内,模型DPF温度曲线与实际传感器温度曲线吻合度良好,能很好地完成再生。     

DPF再生中断研究与验证

DPF再生中断是一种异常现象,不及时处理会对车辆正常行驶造成影响。为了减少DPF再生中断发生,本文通过研究和验证增加保温套、增加再生后喷和再生次后喷喷油量等方法来提高DPF入口温度,减少DPF再生中断发生。同时,增设手动再生开关作为DPF再生中断发生后的备用方法,当DPF发生再生中断且碳载量达到警示阈值后驾驶员可以使用手动再生开关来启动DPF手动再生,恢复DPF初始状态,使车辆发生限速限扭事件、DPF堵塞、出现发动机无法启动等极端情况成为小概率事件,保证DPF再生正常进行,车辆正常行驶。