CN112412594A - 一种燃烧器dpf系统再生温度管理控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，该方法包括：再生温度变化率限制器计算温度指令值；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令；闭环PID控制器计算反馈控制指令；电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值；高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制。本发明用于燃烧器DPF燃油喷射量的精确控制，并对DOC载体、DPF载体温度实时闭环控制，当DPF载体温度出现变化时能够及时增加或者减少燃油喷射量，并对DPF载体过温情况进行安全保护。本发明适合不依赖于柴油机运行状态信息的在用车DPF改装系统产品。

Description

一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法
技术领域
本发明涉及车用和非道路柴油机尾气后处理颗粒物污染物控制DPF技术领域，尤其涉及一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法。
背景技术
柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)是一种安装在柴油发动机排放系统中的陶瓷过滤器，它可以在微粒排放物质进入大气之前将其捕捉，例如扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截，能够有效地净化排气中70％～90％的颗粒，是净化柴油机颗粒物最有效、最直接的方法之一。DPF载体过滤中，颗粒物集聚在颗粒过滤器内会导致柴油机排气背压升高，当DPF前后压差达到 30kPa～50kPa时，柴油机性能开始恶化，因此必须定期地除去颗粒，使颗粒过滤器恢复到原来的工作状态，清除掉颗粒物。DPF再生方式使用广泛的是燃油燃烧器和氧化催化剂(DOC)装置。在燃油燃烧器中，碳氢化合物由燃油计量装置提供，碳氢化合物燃油由碳氢化合物计量装置注入燃烧室。在DOC设备中，碳氢化合物可以在后喷射过程中由柴油机燃油系统提供，也可以由外置碳氢喷射装置直接注入催化剂中。
在再生DPF时，燃烧器不受排气温度的限制，燃烧热效率高，实现柴油机低温工况下的提温，可以迅速提高排气温度。燃烧升温技术是通过安装在发动机尾气管路上的多个传感器，将采集到的系统信息发送到电控单元，电控单元根据所收集到的信息进行计算确认，发出供油供气指令给计量控制单元中的油泵和气泵，使油泵和气泵工作，供给柴油和压缩空气，柴油和压缩空气在喷嘴内混合后，一同喷入燃烧器中，同时电控单元也发出点火指令给点火器进行点火，使得喷入的混合气在燃烧器内快速均匀燃烧，燃烧的火焰将排气温度快速增加到550℃以上，使过滤的碳颗粒与O2发生燃烧反应，快速生成气态物排出颗粒过滤器装置，从而达到完全消除PM的作用。PM燃烧完全后，系统排气背压会下降，电控单元根据采集到的信息再次进行计算确认，发出终止指令给计量控制单元和点火器，油泵、气泵及点火器停止工作，系统自我恢复完成。当DPF 控制器监控到排气质量流量突然下降或者DPF催化器后温度超高情况下，要迅速停止燃烧器工作，避免DPF载体过热现象。DPF再生过程中燃烧器腔内温度可以通过燃烧器内温度传感器测量得到，DOC前排气温度通过DOC前温度传感器测量得到，DPF前排气温度通过DPF前温度传感器测量得到，DPF后排气温度通过 DPF后温度传感器测量得到，DPF前后压差值通过压差传感器测量得到，排气质量流量通过流量传感器测量得到。
发明内容
本发明的目的在于通过一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，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：
一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，该方法包括：再生温度变化率限制器计算温度指令值；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令；闭环PID控制器计算反馈控制指令；电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值；高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制。
特别地，所述再生温度变化率限制器计算温度指令值，具体包括：再生温度变化率限制器根据DPF目标温度和DPF入口温度计算温度值；所述前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令，具体包括：前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量和温度指令值计算前馈控制指令；所述闭环PID控制器计算反馈控制指令，具体包括：闭环PID控制器根据温度指令值与DPF入口温度比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令。
特别地，所述电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值，还包括：电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值得到占空比频率值；所述高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制，包括：高温保护模块根据占空比频率值和新鲜空气质量流量计算用于控制燃油电磁阀的占空比频率值。
特别地，所述燃烧器DPF系统开环燃油量的计算包括进入DOC载体内部的热量、DOC载体出口的热量计算；其中，所述进入DOC载体内部的热量分为两部分，一部分为柴油机尾气中携带的输入热量，另一部分为尾气中喷入燃油燃烧转化的输入热量；所述DOC载体出口的热量分为三部分，一部分为进入载体后部分散失到环境中去的热量，另一部分为喷入到燃烧器燃油未充分燃烧而损失的热量，第三部分为流入DPF载体中排气流量带走的热量。
特别地，所述燃烧器DPF系统瞬态工况过温保护模块的控制过程包括：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算空气质量流量的变化率 mEG，若检测到mEG值下降率超过阈值，或者若DPF处于再生状态中，若检测到 DPF后排气温度值超过阈值，则停止燃烧器工作。
特别地，所述燃烧器最终燃油喷射计量控制过程如下：将尾气温度、环境温度、排气质量流量传输至前馈控制器；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、排气质量流量和温度指令值计算前馈控制燃油喷射量值；将温度指令值与DPF 入口温度进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器；PID控制器根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至燃油驱动频率计算模块，并传输至保护模块，将空气质量流量传输至保护模块。
本发明提出的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法用于燃烧器DPF燃油喷射量的精确控制，并对DOC载体、DPF载体温度实时闭环控制，当DPF载体温度出现变化时能够及时增加或者减少燃油喷射量，并对DPF载体过温情况进行安全保护。本发明建立基于模型的前馈开环加上闭环反馈的燃烧器油量控制系统架构，基于模型的控制策略开发可以有效的降低控制策略的开发标定工作，建立的高精度DPF再生温度模型可以实时计算不同排气流量输入下的出口温度响应特性，从而提高了再生过程的安全性和经济性。本发明适合不依赖于柴油机运行状态信息的在用车DPF改装系统产品。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柴油机燃烧器DPF主动再生系统示意图；
图2为本发明实施例提供的基于模型的再生温度管理控制流程图；
图3为本发明实施例提供的DOC载体热力能量平衡过程示意图；
图4为本发明实施例提供的燃烧器喷油量总的计算模型框图；
图5为本发明实施例提供的燃烧器基础喷油量计算模型图。
图6为本发明实施例提供的燃烧器闭环反馈喷油量计算模型图；
图7为本发明实施例提供的燃烧器DPF总的喷油量计算模型图。
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至图7所示，本实施例中燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法包括：再生温度变化率限制器计算温度指令值；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令；闭环PID控制器计算反馈控制指令；电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值；高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制。
具体的，在本实施例中燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法需要的数据包括但不限于前馈控制喷油量值、PID控制喷油量值。在本实施例中所述再生温度变化率限制器计算温度指令值，具体包括：再生温度变化率限制器根据DPF 目标温度和DPF入口温度计算温度值。所述前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令，具体包括：前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量和温度指令值计算前馈控制指令；所述闭环PID控制器计算反馈控制指令，具体包括：闭环PID控制器根据温度指令值与DPF入口温度比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令。其中，所述再生温度变化率限制器中温度指令值的计算公式为：实时目标再生温度值＝最小值(设定目标再生温度值，DPF入口温度值+用于限制DPF入口温度变化率的设定值)。
具体的，在本实施例中所述电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值，还包括：电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值得到占空比频率值；所述高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制，包括：高温保护模块根据占空比频率值和新鲜空气质量流量计算用于控制燃油电磁阀的占空比频率值。
具体的，在本实施例中所述燃烧器DPF系统开环燃油量的计算主要是基于热力学方程，其包括进入DOC载体内部的热量、DOC载体出口的热量计算；其中，所述进入DOC载体内部的热量分为两部分，一部分为柴油机尾气中携带的输入热量，另一部分为尾气中喷入燃油燃烧转化的输入热量；所述DOC载体出口的热量分为三部分，一部分为进入载体后部分散失到环境中去的热量，另一部分为喷入到燃烧器燃油未充分燃烧而损失的热量，第三部分为流入DPF载体中排气流量带走的热量。如图3所示，DOC载体热力能量平衡公式如下:
Qinput＝QheatLoss+Qoutput
排气流量输入的热量和燃油燃烧输入的热量：
Qinput＝mEG×CPEG,in×TDOC+Qfuel×Hu
散失到环境的热量：
Figure RE-GDA0002885882360000061
排气流量带走的热量和燃烧不充分损失的热量：
Qoutput＝mEG×CPEG,in×TDPF+fslip×mFU×Hu
DOC前后热量平衡表达公式为：
Qfuel×Hu＝mEG×CPEG,in×TDPF-mEG×CPEG,in×TEG+CPAir,in
×mAir×(Ttarget-Tenv)+fslip×mFU×Hu
从DOC催化器入口与出口热平衡方程得出，在设定尾气再生温度之后，可以得到需求的氧化催化器出口排气所带走热量，为达到目标温度，依据热量平衡机理，需要确保输入足够的热量，系统可控输入变量为排气管燃烧器系统的柴油喷射量。通过简化之后，排气管燃烧器系统柴油量的前馈燃油喷射量为：
Qfuel＝mEG×ΔT×K1+K0
燃烧放热量与柴油喷射量成正比，稳态工况DPF温升又与稳态放热量成正比。上述公式中：mEG---尾气质量流量，mAir---新鲜空气质量流程，CPEG,in---DOC 入口尾气的比热容，CPAir,in---DOC入口尾气的比热容，TEG---排气入口温度， Qfuel---前馈开环燃油喷射量，Hu---燃油的热容量，
Figure RE-GDA0002885882360000071
---催化器与外界热交互系数，Ttarget---DPF目标再生温度，Tenv---大气环境温度，fslip---未转化燃油热效率，ΔT---目标温升，K1---系数1，K0---系数0。
具体，在本实施例中所述燃烧器DPF系统瞬态工况过温保护模块的控制过程包括：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算空气质量流量的变化率mEG，若检测到mEG值下降率超过阈值，或者若DPF处于再生状态中，若检测到DPF后排气温度值超过阈值，则停止燃烧器工作。
具体的，在本实施例中所述燃烧器最终燃油喷射计量控制过程如下：将尾气温度、环境温度、排气质量流量传输至前馈控制器；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、排气质量流量和温度指令值计算前馈控制燃油喷射量值；将温度指令值与DPF入口温度进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器；PID 控制器根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至燃油驱动频率计算模块，并传输至保护模块，将空气质量流量传输至保护模块。
燃烧器DPF主动再生需求的温度在550℃左右，可以将碳颗粒充分燃烧，当 DPF再生温度过高时，也会造成DPF载体烧熔掉，再生温度梯度过高会直接导致 DPF载体烧熔、烧裂等现象。一般将DPF入口的再生温度控制在550±20℃。当 DPF载体中累积的碳颗粒量过多时，需要触发主动再生。燃烧器开始工作，在燃烧腔内进行混合气燃烧升温，提升DOC和DPF的温度。本发明不依赖发动机运行状态信息非常适合于在用车燃烧器DPF系统改装。
本发明提出的技术方案用于燃烧器DPF燃油喷射量的精确控制，并对DOC 载体、DPF载体温度实时闭环控制，当DPF载体温度出现变化时能够及时增加或者减少燃油喷射量，并对DPF载体过温情况进行安全保护。本发明建立基于模型的前馈开环加上闭环反馈的燃烧器油量控制系统架构，基于模型的控制策略开发可以有效的降低控制策略的开发标定工作，建立的高精度DPF再生温度模型可以实时计算不同排气流量输入下的出口温度响应特性，从而提高了再生过程的安全性和经济性。本发明适合不依赖于柴油机运行状态信息的在用车DPF 改装系统产品。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分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、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
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 (6)

1.一种燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，该方法包括：再生温度变化率限制器计算温度指令值；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令；闭环PID控制器计算反馈控制指令；电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值；高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制。
2.根据权利要求1所述的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，所述再生温度变化率限制器计算温度指令值，具体包括：再生温度变化率限制器根据DPF目标温度和DPF入口温度计算温度值；所述前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量计算前馈控制指令，具体包括：前馈控制器根据尾气温度、环境温度、空气质量流量和温度指令值计算前馈控制指令；所述闭环PID控制器计算反馈控制指令，具体包括：闭环PID控制器根据温度指令值与DPF入口温度比较得到的温度误差信号计算反馈控制指令。
3.根据权利要求2所述的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，所述电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值计算得到电磁泵驱动频率值，还包括：电磁泵频率计算模块根据反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值得到占空比频率值；所述高温保护模块根据实际载体前后温度进行高温保护控制，包括：高温保护模块根据占空比频率值和新鲜空气质量流量计算用于控制燃油电磁阀的占空比频率值。
4.根据权利要求3所述的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，所述燃烧器DPF系统开环燃油量的计算包括进入DOC载体内部的热量、DOC载体出口的热量计算；其中，所述进入DOC载体内部的热量分为两部分，一部分为柴油机尾气中携带的输入热量，另一部分为尾气中喷入燃油燃烧转化的输入热量；所述DOC载体出口的热量分为三部分，一部分为进入载体后部分散失到环境中去的热量，另一部分为喷入到燃烧器燃油未充分燃烧而损失的热量，第三部分为流入DPF载体中排气流量带走的热量。
5.根据权利要求4所述的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，所述燃烧器DPF系统瞬态工况过温保护模块的控制过程包括：首先检查DPF再生状态，若DPF处于再生状态中，则计算空气质量流量的变化率mEG，若检测到mEG值下降率超过阈值，或者若DPF处于再生状态中，若检测到DPF后排气温度值超过阈值，则停止燃烧器工作。
6.根据权利要求5所述的燃烧器DPF系统再生温度管理控制方法，其特征在于，所述燃烧器最终燃油喷射计量控制过程如下：将尾气温度、环境温度、排气质量流量传输至前馈控制器；前馈控制器根据尾气温度、环境温度、排气质量流量和温度指令值计算前馈控制燃油喷射量值；将温度指令值与DPF入口温度进行比较得到的温度误差信号传输至PID控制器；PID控制器根据温度误差信号计算反馈控制指令，将反馈控制指令与前馈控制指令相加得到的计算值传输至燃油驱动频率计算模块，并传输至保护模块，将空气质量流量传输至保护模块。
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