CN109404107A - 柴油机颗粒捕集器碳载量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，包括以下步骤：1）选定柴油机稳态工况并确定该工况下通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量；2）确定DPF在空载、限载状态在该排气流量下对应的前后压降；3）根据所述同一排气流量下获取的DPF空载、限载状态对应压降值，搭建计算DPF碳载量的数学模型；4）将在该排气流量下，实际测得的DPF前后压降代入所述数学模型，计算得出当前DPF的碳载量值；5）将所述的当前DPF碳载量值与DPF碳载量限值进行比较，判断当前柴油机排气颗粒捕集器状态是否需要再生。本发明能够较准确地估算颗粒捕集器的碳载量，估算结果可靠性高，有助于促进DPF及时再生。

Description

柴油机颗粒捕集器碳载量估算方法

技术领域

本发明涉及柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及柴油机DPF碳载量的估算方法。

背景技术

柴油机的排气颗粒物主要有三种：碳粒(Soot)、表面吸附的有机可溶性物质(Soluble organic fractions，简称SOF)的颗粒和硫酸盐颗粒。柴油机排气颗粒大部分由Soot和SOF颗粒组成。

柴油机排气颗粒捕集器(DPF)是一种安装在柴油机排放管路中的颗粒物过滤器，它捕捉排气中的颗粒物质，实现净化排气的目的。柴油机排气流经DPF时，排气中的颗粒物经过被拦截、扩散、重力沉降和惯性碰撞等过程被DPF捕集，捕集效率主要受到过滤器材质构造、颗粒粒径、排气温度及排气流速等因素的影响，目前壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集器对颗粒物的过滤效率可高达90％以上。

随着工作时间的加长，DPF中沉积的颗粒物越来越多，不仅影响 DPF的过滤效果，还会增加排气背压，影响柴油机的换气和燃烧，导致功率输出降低，油耗增加，所以要定期除去沉积的颗粒物，恢复 DPF的过滤性能，该过程称之为DPF再生。

DPF再生技术的关键之一是确定捕集器的再生时刻即判断DPF碳载量是否达到安全限值。早于碳载量安全限值开始再生会缩短DPF再生周期，导致主动再生消耗的能量增加，晚于碳载量安全限值开始再生会增加再生时碳烟燃烧发出的热量，加大DPF热损坏的风险。目前还没有传感器能够直接便捷地测量出DPF内部的碳载量多少。排气背压可以间接反应出DPF内部的碳载量，但排气背压值的大小不仅仅与碳载量有关，还与排气流量等有关，使用排气背压间接估算碳载量需要考虑以上相关因素。一些相关研究提出基于汽车行驶里程或工作时长的方法来估算DPF碳载量的方法简单，成本低、实现起来也比较容易，但由于车辆实际运行中，柴油机的工况复杂多变，采用这些方法判断再生时机精准性不高，具有一定的局限性。

因此，提供一种能够较准确计算DPF碳载量的计算方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在为确定DPF再生时机提供一种柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法。本发明能够较准确地估算颗粒捕集器的碳载量，估算结果可靠性高，有助于促进DPF及时再生，避免因DPF再生过晚引起的DPF堵塞导致柴油机排气背压过高，使柴油机动力性、经济性劣化等，以及因再生热负荷过大导致DPF热损坏等问题，或者因再生过早带来的再生周期缩短，导致的主动再生能耗增大问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，包括以下步骤：

1)选定柴油机稳态工况并确定该工况下通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量；

2)确定柴油机排气颗粒捕集器在空载、限载状态在该排气流量下对应的前后压降；

3)根据所述同一排气流量下获取的柴油机排气颗粒捕集器空载、限载状态对应压降值，搭建计算柴油机排气颗粒捕集器碳载量的数学模型；

4)将在该排气流量下，实际测得的柴油机排气颗粒捕集器前后压降代入所述数学模型，计算得出当前柴油机排气颗粒捕集器的碳载量值；

5)将所述的当前柴油机排气颗粒捕集器碳载量值与柴油机排气颗粒捕集器碳载量限值进行比较，判断当前柴油机排气颗粒捕集器状态是否需要再生。

本发明柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，只需测定发动机稳定工况下DPF前后压降，就能估算碳载量，方法简单可行，计算结果较精确，易于实施。本发明能够较准确地估算颗粒捕集器的碳载量，估算结果可靠性高，有助于促进DPF及时再生，避免因DPF再生过晚引起的DPF堵塞导致柴油机排气背压过高，使柴油机动力性、经济性劣化等，以及因再生热负荷过大导致DPF热损坏等问题，或者因再生过早带来的再生周期缩短，导致的主动再生能耗增大问题。本发明根据计算所得碳载量和安全碳载量限值比较即可判断DPF是否需要再生，本发明为DPF再生时机判断提供了一种科学合理、简便有效的方法。

附图说明

图1为本发明柴油机排气颗粒捕集器F碳载量估算原理示意图；

图2为本发明测量所需待定参数的装置布置示意图。

图3为实验(实验用的柴油机型号为YC6L280-30,下同)获取的流经柴油机排气颗粒捕集器的排气流量和发动机转速的关系图。

图4为实验获取的不同碳载量下流经DPF的流量和DPF前后压降关系图。

图5为实验获取的不同排气流量下DPF碳载量和DPF前后压降关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，包括以下步骤：

1)选定柴油机稳态工况并确定该工况下通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量；

2)确定柴油机排气颗粒捕集器在空载、限载状态在该排气流量下对应的前后压降；

3)根据所述同一排气流量下获取的柴油机排气颗粒捕集器空载、限载状态对应压降值，搭建计算柴油机排气颗粒捕集器碳载量的数学模型；

4)将在该排气流量下，实际测得的柴油机排气颗粒捕集器前后压降代入所述数学模型，计算得出当前柴油机排气颗粒捕集器的碳载量值；

5)将所述的当前柴油机排气颗粒捕集器碳载量值与柴油机排气颗粒捕集器碳载量限值进行比较，判断当前柴油机排气颗粒捕集器状态是否需要再生。

本实施例中，所述步骤1)柴油机工作时的通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量的测量包括如下步骤：

11)柴油机稳态工况的转速，可取柴油机的怠速与其他转速；

12)柴油机稳态工况的负荷，当取柴油机怠速工况时对应的负荷为0％，当取柴油机除怠速外的其他转速时取一负荷，该转速下对应的最大扭矩的30％；

13)当选定柴油机稳态工况时，使用流量测量装置测得流经DPF 的废气流量；

柴油机的稳态工况可由发动机转速与负荷决定。发动机台架试验时通过台架测控系统调节发动机转速与负荷来实现工况的选择；车用柴油机实际工作时通过调节油门踏板开度与观察仪表板上的发动机转速表来选择或者获悉所需工况。发动机台架试验时，调节好发动机工况后，再测定排气流量。一种发动机转速对应一种流量。发动机台架实验有专门的流量测量装置，如下文所述。

柴油机的发动机排气流量主要取决于发动机转速，通过发动机台架实验测取发动机转速与排气流量一一对应的关系曲线。车用柴油机或其它用途的柴油机实际工作运行时流量的测定是间接式的，通过测量发动机转速，借助发动机台架实验获取的发动机转速与排气流量关系可以查询或者计算出发动机排气流量。

本发明专利申请发动机台架试验时由发动机台架控制系统设定发动机转速和负荷大小，流量测量装置为SENSOR公司研制的 SEMTECH-EFM气体流量计，是皮托管形式的全流式流量计。流量计有多种形式，其它类型的流量计也可以用，只要能测出全部排气的流量就可以。

本实施例中，所述步骤2)柴油机排气颗粒捕集器空载状态、柴油机排气颗粒捕集器限载状态分别指：

所述柴油机排气颗粒捕集器空载状态是指柴油机排气颗粒捕集器未捕集碳烟颗粒时所处于的状态；

所述柴油机排气颗粒捕集器限载状态是指柴油机排气颗粒捕集器捕集的碳烟颗粒量已达到生产厂家推荐的柴油机排气颗粒捕集器单位体积下碳载量限值状态；

不同DPF生产厂家、不同柴油机排气颗粒捕集器产品限载状态的碳载量安全限值不同，在确定限值时首先考虑生产厂家的推荐值，如若厂家没有给出推荐值则根据载体材质参考经验限值。

本发明专利申请给出的碳载量计算公式中的碳载量安全限值 SML值是可以根据不同的柴油机排气颗粒捕集器产品进行变更的，需要使用者选择。若生产厂家未给出碳载量安全限值，可参考常见 DPF载体材质所允许的安全碳载量经验限值：堇青石载体对应限值为 4-8g/l；碳化硅、钛酸铝载体对应限值为6-10g/l。

本实施例中，所述步骤3)某一排气流量下DPF空载、限载以及其它碳载量状态对应的前后压降信息包括：

柴油机装配柴油机排气颗粒捕集器后，使柴油机在一定稳态工况下运转；

应用柴油机排气颗粒捕集器前后端分别安装的压力传感器，测量当前柴油机工况下柴油机排气颗粒捕集器前后压降；

应用柴油机排气颗粒捕集器后端安装的流量测量装置，测量当前柴油机工况下流经柴油机排气颗粒捕集器的废气体积流量；

完成排气流量测量后亦可拆卸流量测量装置。

本实施例中，所述建立的计算DPF碳载量的数学模型公式如下：

式中：M_i表示为当前时刻柴油机排气颗粒捕集器碳载量；

SML表示安全碳载量限值；

Δp₀表示为柴油机排气颗粒捕集器空载时前后压降；

Δp_i表示为当前时刻柴油机排气颗粒捕集器前后压降；

Δp_s表示为柴油机排气颗粒捕集器限载时前后压降。

本发明实施例的柴油车颗粒捕集器碳载量估算方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一，选定柴油机装配DPF后运行的某稳态工况，确定该工况下流经DPF的废气流量。

步骤二，确定该柴油机工况下DPF空载状态对应的前后压降Δp₀。

步骤三，确定该柴油机工况下DPF限载状态对应的前后压降Δp_s。

步骤四，测定该柴油机工况下实际工作时DPF前后压降Δp_i。

步骤五，将上述步骤所得的待定参数代入计算DPF碳载量的数学模型。

步骤六，得出当前DPF工作状态对应的碳载量M_i。

步骤七，将当前DPF碳载量M_i与安全碳载量限值SML进行比较，判断是否需要再生。

步骤八，如果M_i>SML成立则对DPF进行再生，否则DPF继续对柴油机排气颗粒进行捕集。

根据所述对DPF前后压降测试与排气流量测试装置进行安装布置，如图2所示，测量数据应包括：选定的柴油机某稳态工况下当前 DPF工作状态的DPF前、后压力和流经DPF的排气流量。

根据所述测定的发动机工况与流经DPF排气流量数据，可以做出发动机转速与排气流量关系图，见图3。

根据所述确定的DPF不同碳载量状态下测得的排气流量及对应的前后压降，可以做出当碳载量一定时不同排气流量和DPF前后压降关系图，见图4；

根据所述排气流量-DPF前后压降图推出，当DPF碳载量一定时排气流量与捕集器前后压降成正相关的线性关系，这种关系在不同的碳载量的情况下只是直线斜率的差异；

根据所述确定的不同排气流量下DPF碳载量和DPF前后压降，可以做出排气流量一定时不同碳载量和DPF前后压降关系图，推出DPF 碳载量和前后压降成线性关系,见图5。

由排气流量与DPF空载、限载状态下的前后压降线性关系可推出不同排气流量下的碳载量与前后压降线性关系直线的斜率，即可得出所述DPF碳载量计算的数学模型。

Claims (5)

1.一种柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)选定柴油机稳态工况并确定该工况下通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量；

2)确定柴油机排气颗粒捕集器在空载、限载状态在该排气流量下对应的前后压降；

3)根据所述同一排气流量下获取的柴油机排气颗粒捕集器空载、限载状态对应压降值，搭建计算柴油机排气颗粒捕集器碳载量的数学模型；

4)将在该排气流量下，实际测得的柴油机排气颗粒捕集器前后压降代入所述数学模型，计算得出当前柴油机排气颗粒捕集器的碳载量值；

5)将所述的当前柴油机排气颗粒捕集器碳载量值与柴油机排气颗粒捕集器碳载量限值进行比较，判断当前柴油机排气颗粒捕集器状态是否需要再生。

2.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器碳载量估算方法，其特征在于，所述步骤1)柴油机工作时的通过柴油机排气颗粒捕集器的废气流量的测量包括如下步骤：

11)柴油机稳态工况的转速，可取柴油机的怠速与其他转速；

12)柴油机稳态工况的负荷，当取柴油机怠速工况时对应的负荷为0％，当取柴油机除怠速外的其他转速时取一负荷，该转速下对应的最大扭矩的30％；

13)当选定柴油机稳态工况时，使用流量测量装置测得流经DPF的废气流量。

3.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器碳载量估算方法，其特征在于，所述步骤2)柴油机排气颗粒捕集器空载状态、柴油机排气颗粒捕集器限载状态分别指：

所述柴油机排气颗粒捕集器空载状态是指柴油机排气颗粒捕集器未捕集碳烟颗粒时所处于的状态；

所述柴油机排气颗粒捕集器限载状态是指柴油机排气颗粒捕集器捕集的碳烟颗粒量已达到生产厂家推荐的柴油机排气颗粒捕集器单位体积下碳载量限值状态。

4.根据权利要求1所述的柴油机颗粒捕集器碳载量估算方法，其特征在于，所述步骤3)某一排气流量下DPF空载、限载以及其它碳载量状态对应的前后压降信息包括：

柴油机装配柴油机排气颗粒捕集器后，使柴油机在一定稳态工况下运转；

应用柴油机排气颗粒捕集器前后端分别安装的压力传感器，测量当前柴油机工况下柴油机排气颗粒捕集器前后压降；

应用柴油机排气颗粒捕集器后端安装的流量测量装置，测量当前柴油机工况下流经柴油机排气颗粒捕集器的废气体积流量；

完成排气流量测量后亦可拆卸流量测量装置。

5.根据权利要求1至4任一项所述的柴油机排气颗粒捕集器碳载量估算方法，其特征在于，所述建立的计算DPF碳载量的数学模型公式如下：

式中：M_i表示为当前时刻柴油机排气颗粒捕集器碳载量；

SML表示安全碳载量限值；

Δp₀表示为柴油机排气颗粒捕集器空载时前后压降；

Δp_i表示为当前时刻柴油机排气颗粒捕集器前后压降；

Δp_s表示为柴油机排气颗粒捕集器限载时前后压降。