CN106481419B - 一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法，包括以下步骤：判断发动机的运行状态，当处于被动再生状态，计算被动再生消耗的Soot质量流量；计算主动再生消耗的Soot质量流量，得到再生总消耗Soot质量流量；计算未被反应的Soot质量流量，根据判断DPF发动机所处不同的运行状态，根据运行状态选择不同的积分初始值，对未被反应的Soot质量流量进行积分，最终得到当前DPF积碳量。通过排气物质组分及排气物理参数表征后处理系统工作状态，以此识别DPF积碳量，可以使识别结果更精确。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机后处理领域，具体地涉及一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法。
背景技术
目前，柴油机微粒捕集器(DPF)是公认的最有效的一种柴油机微粒后处理方法。DPF是一种安装在柴油发动机排放系统中的过滤器，主要用蜂窝陶瓷过滤体、陶瓷纤维编织物、金属蜂窝过滤体和金属编织物等作为过滤材料，它能捕捉尾气中的微粒物质，能减少柴油发动机工作所产生的碳微粒的90％以上。它的基本工作原理是：DPF安装于柴油机尾气排放管上，尾气进入DPF，微粒会吸附在过滤材料上，从而减少尾气中的微粒物；
但是工作一段时间后，DPF吸附的微粒逐渐增多以至于将过滤材料的孔隙堵塞，引起发动机背压升高，影响柴油机尾气的正常排放，导致发动机性能下降，此时就必须对DPF进行再生，即去除过滤材料上吸附的微粒，让DPF可以重新吸附微粒，继续工作。
如图1所示，为典型的DPF积碳量测量方法，通过压差传感器测量DPF前后压差，推算当前DPF中的积碳量，其工作特性如图2所示。此种方法识别DPF积碳量的原理是根据DPF在不同积碳量的条件下，根据发动机不同排气流量时的DPF前后压差不同的特性进行识别。通过试验手段测量各种积碳量时，发动机所有运行工况的排气流量下DPF所产生的压差，测量并记录到一张脉谱图中，发动机运行过程中通过识别当前压差与发动机排气流量，得到DPF积碳量。如中国专利文献CN 104832258公开了一种柴油机微粒捕集器DPF碳累积量估计方法，包括：通过压差传感器测得DPF前后总压力差ΔPm；利用压差传感器采集的DPF两端的压差信号使用低通滤波器进行过滤，以提高压差信号的精确度；根据DPF前后总压力差和废气体积流量得到DPF的总流阻；根据灰分质量和废气体积流量得到DPF残余碳产生的流阻，总流阻减去白载体流阻及残余碳产生的流阻即可得到积碳所产生的流阻，根据积碳产生的流阻与废气体积流量即可得到碳积累量。该计算方法也是通过压差传感器测量DPF前后压差，然后推算当前DPF中的积碳量。
此方法是当前主流DPF积碳量识别方法，虽然简单，但在小排气流量下通过压差传感器进行识别碳载量精度存在较大误差。从图2可以看出，圆圈标识区域内，各积碳量距离很近，在排气流量变化较为剧烈的情况下，很容易导致压差识别不准，使识别得到的积碳量与真实积碳量出现偏差。会导致频繁再生或延迟再生，进一步影响柴油机经济性以及再生时的安全性。
因此，需要解决此类情况下传统压差传感器在发动机低排气流量条件下积碳量识别不准确的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法和系统，能够在发动机不同的运行状态下，计算不同的碳累积量，通过发动机原机瞬时碳排放，逐步积分得到最终的DPF积碳量，解决传统通过压差传感器低排气流量工况下DPF积碳量识别不精确的问题。
本发明的技术方案是：
一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：判断发动机的运行状态，当处于被动再生状态，测得发动机原机NOx质量流量、氧化催化器（DOC）上游温度修正系数和排气体积流量修正系数，三者的乘积即为被动再生最大碳（Soot）质量流量；
S02：测得DPF入口温度的修正系数和DPF积碳量修正系数，将其与得到的被动再生最大Soot质量流量相乘，得到被动再生消耗的Soot质量流量；
S03：当处于主动再生状态时，测得排气氧含量修正系数，根据当前DPF积碳量，得到基础Soot氧化速率，将基础Soot氧化速率乘以排气氧含量修正系数，再乘以DPF入口温度的修正系数，得到主动再生消耗的Soot质量流量，主动再生消耗的Soot质量流量和被动再生消耗的Soot质量流量相加得到再生总消耗Soot质量流量；
S04：通过发动机原机排放进行测试得到的发动机Soot质量流量，将其减去再生总消耗Soot质量流量，即得到未被反应的Soot质量流量，判断发动机所处的运行状态，根据运行状态选择不同的积分初始值，对未被反应的Soot质量流量进行积分，最终得到当前DPF积碳量。
优选的，所述积分初始值的选择方法包括以下步骤：
判断发动机的运行状态，当处于再生开始状态时，积分初始值选择上一计算周期时计算得到的DPF积碳量；
当处于部分再生成功状态时，积分初始值选择为试验测得的部分再生成功后的DPF积碳量；
当识别为完全再生成功状态时，积分初始值选择为试验测得的完全再生成功后的DPF积碳量；
否则，积分初始值选择为利用压差传感器测得的DPF积碳量。
优选的，DOC上游温度、DPF上游温度、NOx质量流量、排气体积流量及质量流量、Soot质量流量、发动机运行状态、再生状态、排气氧含量通过接收发动机端电子控制单元（ECU）得到。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明弥补了当前主流DPF系统积碳量识别时在发动机低排气流量下对DPF积碳量识别不准确的不足。本发明通过基于发动机排气系统模型的计算，通过排气物质组分及排气物理参数表征后处理系统工作状态，以此识别DPF积碳量，可以使识别结果更精确，可以与压差传感器相结合使用，用来校验当前DPF积碳量是否测量准确，为DPF再生触发的时机判断提供准确依据，降低了发动机燃油经济性恶化与DPF再生烧毁问题的风险。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有的典型DPF积碳量识别方法；
图2为基于压差传感器识别积碳量的特性曲线；
图3为本发明的计算方法的流程图；
图4为本发明被动再生Soot质量流量的计算流程图；
图5为本发明主被动再生Soot质量流量的计算流程图；
图6为本发明DPF积碳量S的计算流程图；
图7为本发明积分初始值选择的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。
本实施例中，通过接收发动机端电子控制单元（ECU）提供的DOC上游温度、DPF上游温度、NOx质量流量、排气体积流量及质量流量、Soot质量流量、发动机运行模式、再生状态、排气氧含量等参数，根据发动机排气系统各参数，判断发动机当前状态，当前状态包括积碳状态、被动再生状态、主动再生状态、自发再生状态，计算DPF内的累计积碳量。
发动机运行模式包括正常运行模式（也就是积碳状态）和再生模式，其中再生模式包括三种再生状态，分别为被动再生状态、主动再生状态、自发再生状态。
当发动机排气温度未达到一定限值，再生速率低于发动机原机碳烟排放在DPF中的累积速率时此状态为积碳状态；当发动机排气温度在合理温度范围内（例如250℃~400℃）时为被动再生状态；通过额外向排气系统中喷射燃油通过氧化催化转化器转化释放热量提高排温使DPF入口温度超过一定限值，此时为主动再生状态；发动机自身运行至较大负荷工况，排气温度也能主动再生时的DPF入口温度实现再生，此时称为自发再生状态。
主动再生状态又可以分为部分再生成功状态和完全再生成功状态，当发动机处于主动再生状态时，此时DPF内的积碳量逐渐减少，当DPF内的积碳量降低至某一限值时，此时认为部分再生成功，但DPF内还是有一定积碳残留的，并不希望一次就把DPF内的积碳全部烧掉，如果全部烧掉就是完全再生成功状态。
本发明计算方法全部利用发动机现有ECU参数，不用单独增加或更改ECU逻辑，利用催化器在不同温度下的转化特性，判断被动再生的进行程度及转化速率，为积碳量的计算提供状态及碳反应量输入。
如图3所示，本发明能够在不同的发动机运行模式，以及相同的运行模式但不同的运行状态下，计算不同的碳累积量，通过发动机原机瞬时碳排放，逐步积分得到最终的DPF积碳量，不同发动机运行状态下的瞬时碳排放不同，需要采取不同的积分初始值。
如图4所示，通过NOx传感器或发动机模型标定可以得到发动机原机NOx质量流量，基于DOC上游温度可以得到通过DOC后排气中的NO2比，同时DOC对NO的氧化受排气体积流量的影响，因此再乘以体积流量的修正系数，即得到DPF入口处的NO2质量流量，假设所有的NO2全部参与被动再生，则可推算出这些NO2能够反应掉的被动再生最大Soot质量流量。
但被动再生受DPF内部温度的影响，因此得到的被动再生最大Soot质量流量需乘以DPF入口温度的修正系数，同时，被动再生的速率也受当前DPF中的积碳量的影响，因此再乘以上一计算循计算得到的DPF积碳量修正系数，即得到被动再生实际反应掉的Soot质量流量；
柴油机实际工作过程中的再生包括主动再生与被动再生，图4计算得到了被动再生的Soot质量流量，图5计算得到总的再生Soot质量流量。主动再生时的Soot氧化速率受DPF当前积碳量的影响，因此通过上一计算循环得到的DPF积碳量进一步得到Soot氧化质量流量，同时主动再生受排气中的氧含量的影响，因此乘以排气氧含量的修正系数，主动再生同时又受DPF温度的影响，因此再乘以基于DPF入口温度的修正系数，由此得到了主动再生消耗的Soot质量流量。与图4所述被动再生Soot质量流量求和，得到主被动再生总共反应掉的Soot质量。
各修正系数是算法中定义的可以针对不同发动机更改的可标定变量，具体的修正系数数值是通过发动机台架试验结合排放检测设备测得的排放物数值，逐步调整修正系数使算法得到的最终催化器入口和出口的组分与排放检测设备测得的数值一致，此时的修正系数就为该款发动机的各修正系数，每个修正系数都是一张表格，不同工况下的修正系数是不同的。
图6所示为通过发动机原机排放进行测试得到的发动机Soot质量流量，减去图5所示主被动再生消耗的Soot质量流量，即得到未被反应的Soot质量流量，这些Soot被持续积累在DPF中，因此对该Soot质量流量进行积分，就得到了DPF中的实际积碳量；
由于积分计算存在初始值，图7所述为本发明所述的对于积分计算初始值的选择方法。首先判断发动机是否处于再生刚刚触发开始阶段，若刚触发再生，则积分初始值选择上一循环计算得到的DPF积碳量；如果不是，则判断是否处于部分再生成功的状态，若发动机处于部分再生成功状态，则积分初始值选择通过之前催化器进行试验时测得的部分再生成功后的DPF积碳量，如果不是，则再判断是否发动机处于完全再生成功状态，如果处于刚刚完全再生状态，则积分初始值选择通过之前催化器进行试验时测得的完全再生成功后的DPF积碳量，如果不是，则积分初始值选择基于压差传感器测得的DPF积碳量。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (3)
1.一种柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：判断发动机的运行状态，当处于被动再生状态，测得发动机原机NOx质量流量、氧化催化器（DOC）上游温度修正系数和排气体积流量修正系数，三者的乘积乘以理论反应比即为被动再生最大Soot质量流量；
S02：测得DPF入口温度的修正系数和DPF积碳量修正系数，将其与得到的被动再生最大Soot质量流量相乘，得到被动再生消耗的Soot质量流量；
S03：当处于主动再生状态时，测得排气氧含量修正系数，根据当前DPF积碳量，得到基础Soot氧化速率，将基础Soot氧化速率乘以排气氧含量修正系数，再乘以DPF入口温度的修正系数，得到主动再生消耗的Soot质量流量，主动再生消耗的Soot质量流量和被动再生消耗的Soot质量流量相加得到再生总消耗Soot质量流量；
S04：通过发动机原机排放进行测试得到的发动机Soot质量流量，将其减去再生总消耗Soot质量流量，即得到未被反应的Soot质量流量，判断发动机所处的运行状态，根据运行状态选择不同的积分初始值，对未被反应的Soot质量流量进行积分，最终得到当前DPF积碳量。
2.根据权利要求1所述的柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法，其特征在于，所述积分初始值的选择方法包括以下步骤：
判断发动机的运行状态，当处于再生开始状态时，积分初始值选择上一计算周期时计算得到的DPF积碳量；
当处于部分再生成功状态时，积分初始值选择为试验测得的部分再生成功后的DPF积碳量；
当识别为完全再生成功状态时，积分初始值选择为试验测得的完全再生成功后的DPF积碳量；
否则，积分初始值选择为利用压差传感器测得的DPF积碳量。
3.根据权利要求1或2所述的柴油机微粒捕集器的积碳量计算方法，其特征在于，DOC上游温度、DPF上游温度、NOx质量流量、排气体积流量及质量流量、Soot质量流量、发动机运行状态、再生状态、排气氧含量通过接收发动机端电子控制单元（ECU）得到。
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