CN107100703A - 一种非道路柴油机燃烧器dpf再生温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，该方法将前馈控制和PID反馈控制相结合完成对非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制，具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优点，提高了DPF催化器再生温度控制精度，在各种柴油机工况下，DPF催化器入口实际温度与DPF目标再生温度误差会控制在25℃以内，实现DPF系统在各种工况下进行可靠再生温度管理。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机再生温度控制技术领域，尤其涉及一种非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法。
背景技术
随着非道路柴油机排放法规的不断升级，柴油机颗粒物排放(PM)对颗粒物质量和数量具有很好的转化效率，因此会得到更好的应用。非道路柴油机国四阶段排放控制要求，HC和CO转化效率大于90％，颗粒物PM降低85％。柴油机燃烧器DPF(颗粒捕集器)再生方式包括主动再生方式和被动再生方式，被动再生方式不需要额外的能量提供进行碳烟的燃烧，主动再生方式需要额外的能量提供或者柴油机排气温度控制实现DPF颗粒捕集器的温度控制。针对农用柴油机低速、大扭矩、高振动、高冲击的环境，采用适合农机特点的壁流式DPF后处理系统。保证在低温和瞬态工况下，颗粒捕集器(DPF)能够很好的再生，需要精确控制DPF催化器再生温度。针对燃烧器DPF系统，涉及到复杂的空气、燃油喷射和点火系统，在DPF再生过程中，保持恒定的再生温度和低排放是比较大的技术挑战。DPF再生温度控制对于燃烧器而言是至关重要的，过温现象会严重影响DPF的性能，出现再生不彻底现象，甚至会损坏DPF载体。
发明内容
本发明的目的在于通过一种非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，其包括：设定DPF目标再生温度；DPF控制器判断DPF实际温度与所述DPF目标再生温度的差值即DPF再生温度差；DPF控制器通过带前馈的PID控制器将DPF再生温度差转化为排气管燃油喷射量大小，燃油喷射量在DOC催化器上进行化学反应产生温度，从而加热DPF催化器实际温度，DPF实际温度与DPF目标再生温度产生差值，完成基于温度的DPF再生温度闭环控制。
特别地，所述带前馈的PID控制器采用PID位置闭环控制算法进行DPF再生温度闭环控制，使用的差分方程如下：
其中，u(k)——第k个采样时刻的控制值；
u0——再生温度喷油量的初始值；
Kp——比例放大系数；
Ki——积分放大系数；
Kd——微分放大系数；
e(k)——第k次采样时刻偏差值；
e(k-1)——第k-1次采样时刻偏差值；
k——0，1，2，……。
特别地，所述PID位置闭环算法中加入有积分分离算法，积分分离算法具体如下：
其中：当e(k)≤ε时，α为1；当e(k)≥ε时，α为0；
在积分分离算法中，当DPF再生温度差e(k)大于ε时，采用PD控制，保证再生温度控制的响应速度；当再生温度偏差e(k)小于ε时，采用PID控制，保证再生温度控制的精度。
特别地，所述PID位置闭环算法中加入有死区限制，即当e(k)≤φ时，e(k)为0，φ为设定阈值；当e(k)≥φ时，e(k)正常输出。
本发明提出的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法将前馈控制和PID反馈控制相结合完成对非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制，具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优点，提高了DPF催化器再生温度控制精度，在各种柴油机工况下，DPF催化器入口实际温度与DPF目标再生温度误差会控制在25℃以内，实现DPF系统在各种工况下进行可靠再生温度管理。
附图说明
图1为本发明实施例提供的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。
请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法应用示意图。
本实施例中非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法具体包括：设定DPF目标再生温度；DPF控制器判断DPF实际温度与所述DPF目标再生温度的差值即DPF再生温度差；DPF控制器通过带前馈的PID控制器将DPF再生温度差转化为排气管燃油喷射量大小，燃油喷射量在DOC催化器上进行化学反应产生温度，从而加热DPF催化器实际温度，DPF实际温度与DPF目标再生温度产生差值，完成基于温度的DPF再生温度闭环控制。
在本实施例中所述带前馈的PID控制器采用PID位置闭环控制算法进行DPF再生温度闭环控制，使用的差分方程如下：
其中，u(k)——第k个采样时刻的控制值；
u0——再生温度喷油量的初始值；
Kp——比例放大系数；
Ki——积分放大系数；
Kd——微分放大系数；
e(k)——第k次采样时刻偏差值；
e(k-1)——第k-1次采样时刻偏差值；
k——0，1，2，……。
在DPF再生温度管理的控制当中，存在着饱和特性，当控制变量达到一定数值时，系统输出变量不再增长，系统进入饱和区。PID位置闭环控制算法中，饱和主要由积分引起的，需要克服积分饱和，需要限制积分作用，保证积分累积不能过大。在本实施例中所述PID位置闭环算法中加入有积分分离算法，积分分离算法具体如下：
其中：当e(k)≤ε时，α为1；当e(k)≥ε时，α为0；
在积分分离算法中，当DPF再生温度差e(k)大于ε时，采用PD控制，可以避免多大的超调，又能保证再生温度控制的响应速度；当再生温度偏差e(k)小于ε时，采用PID控制，保证再生温度控制的精度。
在本实施例中所述PID位置闭环算法中加入有死区限制，即当e(k)≤φ时，e(k)为0，φ为设定阈值；当e(k)≥φ时，e(k)正常输出。
具体的，满足非道路柴油机燃烧器DPF再生控制后处理技术方案主要包括DOC+CDPF催化转化器、喷油助燃低温燃烧燃油喷射系统。尾气从柴油机排气口出来后，先经过低温燃烧器+DOC和CDPF催化转化器，实现对CO、HC和PM排放的控制。后处理系统包括：柴油机、低温燃烧器、DOC催化器、CDPF催化转化器、燃油电磁泵、燃油喷嘴、颗粒控制器、燃油箱、压差传感器、排温传感器、报警指示灯。工作时，柴油机的转速、柴油机负荷与前馈燃油喷射量相关，前馈燃油喷射量增大时，PWM驱动电磁油泵，燃油喷射量增加，DOC催化器温升，DPF催化器再生温度升高，导致DPF实际温度增大，DPF再升温度差减小，PID控制中比例项燃油喷射量、积分项燃油喷射量、微分项燃油喷射量对应调整。
燃油供给系统提供精确的柴油燃料输送到燃烧器里面，进行燃烧温度的控制。最常见的燃油供给装置为燃油计量电磁泵或者计量电磁阀。
采用将前馈控制和PID反馈控制结合起来构成前馈PID反馈控制系统，从而带前馈的闭环PID方法具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优点。DPF再生温度闭环控制周期时间根据DOC催化器氧化放热滞后时间确定，保证燃油喷射周期与DOC氧化放热周期相匹配。DPF燃油喷射流量与DPF燃油电磁泵的驱动频率成线性比例关系，从而可以确定燃油喷射流量与电磁阀工作频率的比例关系。DPF催化器目标再生温度设定要综合考虑DPF催化器再生时间合理数值，保证DPF催化器碳颗粒高效转化。比例作用与再生温度偏差成正比，积分作用是再生温度偏差对时间的累积；微分作用是再生温度偏差的变化率。比例控制能迅速响应减少再生温度差。比例放大系数的加大,会引起再生温度控制效果的不稳定。积分控制的作用是只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量,消除误差。积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡。微分控制可减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高,改善系统的动态性能。
燃油在燃烧器内进行合理燃烧，需要合理的燃油和空气配比，电控单元决定燃油、空气量的配比关系，点火系统负责在合理的时机进行燃料供给，保证燃油迅速燃烧。通过合理的再生温度闭环控制算法，实现混合气燃烧温度达到再生温度，保证颗粒物能够点燃，实现DPF安全、可靠再生。燃烧器再生温度工作状态使控制排气温度到目标再生温度。依靠DPF再生请求，目标温度设定有不同的目标温度和斜率。燃烧器根据柴油机不同工况控制空气和燃油比例，从而达到目标再生温度。同时燃烧器由于空气供给系统的限值和火焰燃烧的稳定性会影响控制效果，空气辅助系统受限于流量设计的范围和动力学响应，会导致空气量的不足，从而影响火焰燃烧的稳定性。控制理想的燃油和空气比例，维持火焰在瞬态工况下的燃烧的稳定性是至关重要的。
燃烧器再生温度控制是通过控制空气和燃油比例实现再生温度的控制。当柴油机工况变化时，空气量和燃油量必须随着变化，而DPF再生温度不变化。通过闭环控制算法实现DPF目标再生温度控制是有效的，但是没有前馈控制的闭环控制算法对于维持各种瞬态工况下的再生温度控制在目标范围之内是很困难的，DPF催化器入口实际温度与目标再生温度误差会超过50℃以上。为了提高DPF催化器再生温度控制精度，因此采用前馈控制和闭环控制结合的控制策略，这样在各种柴油机工况下，DPF催化器入口实际温度与目标再生温度误差会控制在25℃以内。
本发明根据DPF催化器实际温度与DPF目标再生温度差进行有效控制，采用前馈和闭环PID结合的方法进行再生温度的有效控制，当发生变化形成偏差值时产生减少系统输出量偏移的控制。单独依靠PID闭环控制在时间上会产生滞后问题，实际DPF催化器温度与目标温度无法吻合跟踪，会导致DPF催化器实际温度超调、滞后、震荡等现象。采用前馈控制则具有一定的预见性，提高控制的响应性，但是无法对再生温度差进行修正补偿和对外在热管理扰动的抑制功能。因此综合考虑，采用将前馈控制和PID反馈控制结合起来构成前馈PID反馈控制系统，从而带前馈的闭环PID方法具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优点。在DPF控制器中，DPF实际温度与DPF目标再生温度差为控制目标，当DPF控制器判断出DPF再生温度差后，通过带前馈的PID控制器将再生温度偏差值转化为排气管燃油喷射量大小，燃油喷射量在DOC催化器上进行化学反应产生温度，从而加热DPF催化器实际温度，DPF催化器实际温度与目标温度产生差值，实现了基于温度的DPF再生温度闭环控制策略。
本发明的技术方案将前馈控制和PID反馈控制相结合完成对非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制，具有闭环控制稳定和前馈控制快速的优点，提高了DPF催化器再生温度控制精度，在各种柴油机工况下，DPF催化器入口实际温度与DPF目标再生温度误差会控制在25℃以内，实现DPF系统在各种工况下进行可靠再生温度管理。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (4)
1.一种非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，其特征在于，包括：设定DPF目标再生温度；DPF控制器判断DPF实际温度与所述DPF目标再生温度的差值即DPF再生温度差；DPF控制器通过带前馈的PID控制器将DPF再生温度差转化为排气管燃油喷射量大小，燃油喷射量在DOC催化器上进行化学反应产生温度，从而加热DPF催化器实际温度，DPF实际温度与DPF目标再生温度产生差值，完成基于温度的DPF再生温度闭环控制。
2.根据权利要求1所述的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，其特征在于，所述带前馈的PID控制器采用PID位置闭环控制算法进行DPF再生温度闭环控制，使用的差分方程如下：
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其中，u(k)——第k个采样时刻的控制值；
u0——再生温度喷油量的初始值；
Kp——比例放大系数；
Ki——积分放大系数；
Kd——微分放大系数；
e(k)——第k次采样时刻偏差值；
e(k-1)——第k-1次采样时刻偏差值；
k——0，1，2，......。
3.根据权利要求2所述的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，其特征在于，所述PID位置闭环算法中加入有积分分离算法，积分分离算法具体如下：
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其中：当e(k)≤ε时，α为1；当e(k)≥ε时，α为0；
在积分分离算法中，当DPF再生温度差e(k)大于ε时，采用PD控制，保证再生温度控制的响应速度；当再生温度偏差e(k)小于ε时，采用PID控制，保证再生温度控制的精度。
4.根据权利要求3所述的非道路柴油机燃烧器DPF再生温度控制方法，其特征在于，所述PID位置闭环算法中加入有死区限制，即当e(k)≤φ时，e(k)为0，φ为设定阈值；当e(k)≥φ时，e(k)正常输出。
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