CN115263502A

CN115263502A - 一种pn过滤效率控制方法、装置及系统

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Publication number: CN115263502A
Application number: CN202211064995.9A
Authority: CN
Inventors: 张军; 王建东; 张瑜; 王国栋; 谭治学; 王浩浩
Original assignee: Weichai Power Co Ltd
Current assignee: Weichai Power Co Ltd
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-11-01
Anticipated expiration: 2042-09-01
Also published as: CN115263502B

Abstract

本发明公开了一种PN过滤效率控制方法、装置及系统。PN过滤效率控制方法包括：获取实时PN过滤效率，将实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。利用本发明提出的方法，通过相对简单的闭环控制过程，使PN过滤效率可以稳定在设定的效率区间，减小了PN排放控制的复杂度，同时可以在一定程度上避免再生控制失效的问题。

Description

一种PN过滤效率控制方法、装置及系统

技术领域

本发明实施例涉及DPF再生控制技术，尤其涉及一种PN过滤效率控制方法、装置及系统。

背景技术

颗粒物的捕集技术主要是通过扩散、沉积和撞击机理来过滤捕集发动机排气中微粒的。排气流经捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)时，其中微粒被捕集在过滤体的滤芯内，剩下较清洁的排气排入大气中。

颗粒物捕集系统基本工作原理是：当发动机排气流过氧化型催化剂(dieseloxide catalyst，DOC)时，在200-600℃温度条件下，CO和HC首先几乎全部被氧化成CO2和H2O，同时NO被转化成NO2。排气从DOC出来进入颗粒捕集器(DPF)后，其中微粒被捕集在过滤体的滤芯内，剩下较清洁的排气排入大气中，DPF的捕集效率可达90％以上。

NO2对碳颗粒有很强的氧化能力，因此，通常利用NO2作为氧化剂除去捕集器中的碳颗粒，从而达到去除微粒的目的。

现有技术中缺乏对捕集器过滤效率的监控方法，同时捕集器的再生控制复杂，难以有效实现针对捕集器过滤效率的控制，最终容易导致排气超标。

发明内容

本发明提供一种PN过滤效率控制方法、装置及系统，以达到减小DPF再生控制的复杂度，同时可以在一定程度上避免再生控制失效的问题的目的。

第一方面，本发明实施例提供了一种PN过滤效率控制方法，包括：

获取实时PN过滤效率，将所述实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。

可选的，获取实时PN过滤效率包括：

确定DPF每个分区过滤壁的分区过滤壁温度，根据所述分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量；

根据全部的所述分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量，根据所述碳总质量确定所述实时PN过滤效率。

可选的，根据全部的所述分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量还包括：

根据DPF的工作参数判断是否满足分区碳质量修正条件，若满足所述分区碳质量修正条件，则修正所述分区碳质量，采用修正后的所述分区碳质量确定所述碳总质量。

可选的，根据所述碳总质量确定所述实时PN过滤效率包括：

根据所述碳总质量确定第一碳颗粒捕集系数、第二碳颗粒捕集系数，根据所述第一碳颗粒捕集系数以及所述第二碳颗粒捕集系数确定所述PN过滤效率。

可选的，根据所述分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量包括：

根据分区过滤壁温度确定当前计算周期，DPF每个分区过滤壁的分区灰分质量；

获取上一计算周期的分区碳质量、上一计算周期的分区壁面碳质量，采用当前计算周期的分区灰分质量、上一计算周期的分区碳质量以及分区壁面碳质量更新原排分配系数；

获取当前计算周期的DPF输入碳质量流量、DPF输入二氧化氮浓度，采用分区过滤壁温度DPF输入碳质量流量以及DPF输入二氧化氮浓度确定当前计算周期的碳分区反应量；

根据当前计算周期的DPF输入碳质量流量、原排分配系数以及碳分区反应量确定当前计算周期的分区碳质量。

可选的，获取DPF空速、DPF入口温度，根据所述DPF空速以及所述DPF入口温度确定所述PN过滤效率目标量。

可选的，根据所述实时PN过滤效率与所述PN过滤效率目标量的差值，根据PN过滤效率控制MAP图确定所述发动机正时参数的调整值。

可选的，所述发动机正时参数包括点火提前角、共轨压力、发动机进气量中的一种或多种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种PN过滤效率控制装置，包括PN过滤效率控制单元，所述PN过滤效率控制单元用于：

第三方面，本发明实施例还提供了一种PN过滤效率控制系统，包括控制器，所述控制器配置有可执行程序，所述可执行程序运行时实现本发明实施例记载的PN过滤效率控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出一种PN过滤效率控制方法，该方法中，确定实时PN过滤效率，将实时PN过滤效率以及PN过滤效率目标量作为闭环控制的输入，将发动机正时参数作为闭环控制的输出，通过调整发动机正时参数将PN过滤效率稳定在设定的效率区间，基于调整发动机正时参数控制PN过滤效率的方式，当DPF的碳层发生一定程度的损坏时，通过相对简单的闭环控制过程，使PN过滤效率可以稳定在设定的效率区间，减小了PN排放控制的复杂度，同时可以在一定程度上避免再生控制失效的问题。

附图说明

图1是实施例中的PN过滤效率控制方法流程图；

图2是实施例中的另一种PN过滤效率控制方法流程图；

图3是实施例中DPF结构示意图；

图4是实施例中的废气流量分配示意图；

图5是实施例中的另一种PN过滤效率控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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结构。

实施例一

图1是实施例中的PN过滤效率控制方法流程图，参考图1，PN过滤效率控制方法包括：

S101.获取实时PN过滤效率。

本实施例中，采用PN过滤效率表示颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)，针对废气中颗粒物的过滤效率。

示例性的，本实施例中，对确定PN过滤效率的具体方式不做限定，例如，可以根据DPF入口、DPF出口两端的压差确定PN过滤效率；根据DPF的背压确定PN过滤效率；根据DPF输入废气质量流量以及DPF温度确定PN过滤效率等。

示例性的，例如上述方式确定PN过滤效率时，可以利用预先确定的拟合公式进行PN过滤效率计算；或者采用通过标定试验确定的MAP图确定PN过滤效率。

S102.将实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。

示例性的，本实施例中，将在步骤S101中确定的实时PN过滤效率作为反馈量，将PN过滤效率目标量作为基准量，基于闭环控制技术，将实时PN过滤效率以及PN过滤效率目标量作为闭环控制的输入，将发动机正时参数作为闭环控制的输出。

示例性的，本实施例中，基于闭环控制输出的发动机正时参数，发动机的工作状态(废气排放状态)受控改变，当DPF的物理结构未发生改变时，若废气排放状态改变，则PN过滤效率对应改变，即通过对发动机正时参数的控制，可以实现对PN过滤效率的被动控制。

示例性的，本实施例中，PN过滤效率目标量可以根据经验确定，或者通过如下方式确定：

获取DPF空速、DPF入口温度，根据DPF空速以及DPF入口温度确定PN过滤效率目标量。

示例性的，本实施例中，DPF空速为预设值、DPF入口温度为测量值，DPF空速以及DPF入口温度与PN过滤效率目标量的关联关系可以通过标定试验确定。

示例性的，本实施例中，可以计算实时PN过滤效率与PN过滤效率目标量的差值，根据PN过滤效率控制MAP图确定发动机正时参数的调整值；

或者，采用上述差值根据拟合的函数模型确定发动机正时参数的调整值。

示例性的，本实施例中，发动机正时参数包括点火提前角、共轨压力、发动机进气量中的一种或多种。

本实施例提出一种PN过滤效率控制方法，该方法中，确定实时PN过滤效率，将实时PN过滤效率以及PN过滤效率目标量作为闭环控制的输入，将发动机正时参数作为闭环控制的输出，通过调整发动机正时参数将PN过滤效率稳定在设定的效率区间，基于调整发动机正时参数控制PN过滤效率的方式，当没有配置DPF再生控制系统时(或者，当DPF的碳层发生一定程度的损坏时)，通过相对简单的闭环控制过程，使PN过滤效率可以稳定在设定的效率区间，减小了PN排放控制的复杂度，同时可以在一定程度上避免再生控制失效的问题。

图2是实施例中的另一种PN过滤效率控制方法流程图，参考图2，作为一种可实施方案，PN过滤效率控制方法可以为：

S201.确定DPF每个分区过滤壁的分区过滤壁温度，根据分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量。

图3是实施例中DPF结构示意图，参考图3，本方案中，已具备单层过滤壁的DPF为例说明DPF的结构。

参考图3，DPF配置有DPF入口、DPF出口，沿DPF入口至DPF出口方向配置有过滤壁3，在DPF使用的过程中，过滤壁3的一侧表面还可能覆盖有灰分层2、灰分层2的一侧表面可能覆盖有碳层1。

示例性的，沿DPF入口至DPF出口方向，可以将过滤壁3分为若干个区域(包括对应的灰分层2、碳层1)，一个区域即为DPF的一个分区。

示例性的，本方案中，具体通过联立求解如下方程式确定DPF每个分区过滤壁的分区过滤壁温度：

h_gas＝h_{gas_wall[n]}-h_{gas_wall_in}-h_env+h_{gas_wall_out[n]}

h_{gas_wall[n]}＝a₁×A₁×|T₁-T₂|

h_{gas_wall_out[n]}＝a₂×A₂×|T₂-T₃|

上式中T₁为从DPF入口通道流入分区的分区入口废气温度，T₂为分区过滤壁温度，T₃为从DPF出口通道流出分区的分区出口废气温度，t为时间，z为方向；

C_{p_wall}为DPF载体热容，C_p为废气比热容，ΔH(soot)为碳反应的反应热量，a为换热系数，A为换热面积；

h_{gas_wall[n]}为DPF入口通道内流入分区n的废气与DPF载体的换热，h_{gas_wall_in}为进入过滤壁的废气与DPF载体的换热，h_env为DPF载体对环境的换热，h_{gas_wall_out[n]}为DPF出口通道内从分区n流出的废气与DPF载体的换热；

图4是实施例中的废气流量分配示意图，参考图4，mf_{in_out[n]}为DPF入口通道内从分区n流出的废气流量；

结合图4，从DPF入口通道进入分区n的废气mf_in[n]分为两部分，一部分为穿过过滤壁的mf_{in_wall[n]}，另一部分为沿DPF入口通道方向流出分区n的mf_{in_out[n]}；

从DPF出口通道流出分区n的废气mf_out[n]由两部分构成，一部分为mf_{in_wall[n]}，另一部分为沿DPF出口通道方向，从前一分区n-1流入分区n的废气mf_out[n-1]；

示例性的，本方案中，流入DPF入口的废气流量(即mf_in[1])可以通过测量获取，针对每个分区的mf_in，设定mf_{in_out}与mf_{in_wall}的比例相同，基于此，可以确定分别确定对应分区的mf_in、mf_{in_out}、mf_{in_wall}以及mf_out。

示例性的，本方案中，设定T₁以及T₃为时间t和方向z的函数，联立求解上述方程时，可以分别对T₁、T₂、T₃的偏微分项进行离散化，离散化后可以得到离散方程，最终通过通过求解离散方程得到分区过滤壁温度。

示例性的，本方案中，对偏微分项进行离散化得到离散方程以及求解离散方程的过程属于现有实现，具体内容不再赘述。

示例性的，本方案中，根据分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量可以为：

获取DPF输入碳质量流量，根据DPF输入碳质量流量，采用MAP图确定每个分区过滤壁的分区碳质量。

示例性的，上述方案中，可以获取发动机转速和发动机喷油量，采用发动机转速以及发动机喷油量，根据MAP图确定DPF输入碳质量流量。

示例性的，在一种可实施方案中，根据分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量包括：

示例性的，本方案中，可以采用如下公式确定当前计算周期的分区灰分质量：

M_ash[n]＝f(T₂)∫fuel×fac1(n,q)×fac2dt

上式中，M_ash[n]为当前计算周期的分区灰分质量，f(T₂)与分区过滤壁温度T₂对应的灰分分布系数，fuel为燃油消耗量，fac1(n,q)为与发动机转速n以及发动机喷油量q对应的修正系数，fac2为灰分残留DPF系数；

示例性的，本方案中，f(T₂)、fac1(n,q)以及fac2的数值或表达式可以通过标定试验确定。

示例性的，本方案中，可以采用如下公式确定当前计算周期的分区碳质量：

M_wall[n]＝∫mfsoot[n]×f_s-r₁dt

f_s＝f(M_ash[n],M_wall[n-1],M_soot[n-1])

上式中，M_wall[n]为分区碳质量，mfsoot[n]为当前计算周期的DPF输入碳质量流量，f_s为当前计算周期的原排分配系数，r₁为碳分区反应量。

示例性的，本方案中，基于发动机转速以及发动机喷油量，mfsoot[n]根据MAP图确定。

示例性的，本方案中，f_s的函数表达式根据标定试验确定。

示例性的，本方案中，mfsoot[n]与r₁的关联关系通过标定试验确定，其中，进行标定试验时与碳(C)反应的二氧化氮(NO₂)来自两部分，一部分为输入的二氧化氮，一部分为与碳反应后生成的一氧化氮(NO)在此与氧气(O₂)结合后生成的二氧化氮。

示例性的，本方案中，可以采用如下公式确定当前计算周期的分区壁面碳质量：

M_soot[n]＝∫mfsoot[n]×(1-f_s)-r₂dt

上式中，M_soot[n]为分区壁面碳质量，mfsoot[n]为DPF输入碳质量流量，r₂为过滤壁面碳分区反应量。

示例性的，本方案中，mfsoot[n]与r₂的关联关系通过标定试验确定，其中，进行标定试验时与碳(C)反应的二氧化氮(NO₂)来自两部分，一部分为输入的二氧化氮，一部分为与碳反应后生成的一氧化氮(NO)在此与氧气(O₂)结合后生成的二氧化氮。

示例性的，本方案中，初始时刻(即第一个计算周期)的分区碳质量以及分区壁面碳质量可以根据经验确定。

S202.根据全部的分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量，根据碳总质量确定实时PN过滤效率。

示例性的，本方案中，确定全部的分区碳质量后，通过求和可以得到碳总质量，采用碳总质量，可以根据MAP图确定实时PN过滤效率。

示例性的，在一种可实施方案中，根据碳总质量确定实时PN过滤效率包括：

根据碳总质量确定第一碳颗粒捕集系数、第二碳颗粒捕集系数，根据第一碳颗粒捕集系数以及第二碳颗粒捕集系数确定PN过滤效率。

示例性的，本方案中，通过如下方式确定第一碳颗粒捕集系数：

上式中，μ₁为第一碳颗粒捕集系数，M_c为碳总质量，f(M_c)为与碳总质量对应的第一过滤系数，U₀为DPF过滤壁微孔内的流速，d_c为捕集颗粒直径，D_p为颗粒扩散系数。

示例性的，本方案中，M_c与f(M_c)的对应关系可以通过标定试验或通过经验确定。

示例性的，本方案中，通过如下方式确定第二碳颗粒捕集系数：

上式中，μ₂为第二碳颗粒捕集系数，g(M_c)与碳总质量对应的第二过滤系数。

示例性的，本方案中，可以通过如下方式确定PN过滤效率：

μ＝μ₁+μ₂-μ₁μ₂

示例性的，本方案中，计算第一碳颗粒捕集系数时带入d_c的数值与计算第二碳颗粒捕集系数时带入d_c的数值不同，计算第一碳颗粒捕集系数，d_c的数值较小，计算第二碳颗粒捕集系数，d_c的数值较大；

本方案中，根据捕集颗粒直径范围的不同，设置与捕集颗粒直径范围匹配的碳颗粒捕集系数计算函数，再分别求解第一碳颗粒捕集系数以及第二碳颗粒捕集系数，再通过第一碳颗粒捕集系数以及第二碳颗粒捕集系数PN过滤效率，可以减小捕集颗粒直径跨度较大时，PN过滤效率计算不准确的问题。

示例性的，在上述方案的基础上，也可以通过如下方式确定PN过滤效率：

μ＝f(μ_w,μ_a)

μ_w＝μ₁+μ₂-μ₁μ₂

μ_a＝μ₃+μ₄-μ₃μ₄

示例性的，本方案中，第三碳颗粒捕集系数μ₃可以采用如下方式确定：

示例性的，本方案中，第四碳颗粒捕集系数μ₄可以采用如下方式确定：

上式中，M_A为灰分总质量，f(M_A)为灰分总质量对应的第三过滤系数，g(M_A)与灰分总质量对应的第四过滤系数。

示例性的，本方案中，f(μ_w,μ_a)表示对μ_w以及μ_a进行归一化运算。

示例性的，本方案中，确定全部的分区灰分质量M_ash后，通过求和可以得到灰分总质量M_A。

示例性的，本方案中，M_A与f(M_A)、g(M_A)的对应关系可以通过标定试验或通过经验确定。

S203.将实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。

示例性的，本方案中，步骤S203的实施方式与步骤S102中记载的对应内容相同。

在图1所示方案有益效果的基础上，本方案中，根据DPF中的碳总质量确定PN过滤效率，其中，确定碳总质量时，确定DPF每个分区过滤壁的分区温度，根据分区温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量。本方案中，通过对DPF分区，并确定每个DPF分区的分区温度，可以确定出不同DPF分区的碳反应差异，基于此，相较于整体求解碳总质量，通过分区碳质量确定碳总质量可以提高碳总质量的计算精度，进而提高PN过滤效率的计算精度。

图5是实施例中的另一种PN过滤效率控制方法流程图，参考图5，在图2所示方案的基础上，PN过滤效率控制方法还可以为：

S301.确定DPF每个分区过滤壁的分区温度，根据分区温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量。

S302.根据DPF的工作参数判断是否满足分区碳质量修正条件。

示例性的，本方案中，DPF的工作参数具体包括DPF压差以及DPF体积流量。

示例性的，本方案中，判断是否满足分区碳质量修正条件包括：

计算DPF压差与DPF体积流量的变化率的比值，判断两者的比值是佛小于等于设定的第一限值。

S303.若满足分区碳质量修正条件，则修正分区碳质量，采用修正后的分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量。

示例性的，本方案中，具体采用第一修正系数修正分区碳质量，具体的，第一修正系数根据测量获取的DPF温度确定。

示例性的，本方案中，第一修正系数与DPF温度的关联关系可以通过标定试验确定。

示例性的，结合步骤S302和步骤S303，在一种可实施方案中，判断是否满足分区碳质量修正条件包括：

判断DPF体积流量是否超过体积流量限值；判断DPF体积流量的变化率是否小于等于设定的第二限值；判断碳总质量是否超过碳质量限值；判断碳总质量的变化率是否超过碳质量变化率限值。

示例性的，本方案中，若满足上述全部分区碳质量修正条件，则具体采用第二修正系数修正分区碳质量。

示例性的，本方案中，第二修正系数根据DPF压差确定，第二修正系数与DPF压差的关联关系可以通过标定试验确定。

S304.若不满足分区碳质量修正条件，则根据全部的分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量。

S305.根据碳总质量确定实时PN过滤效率。

S306.将实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。

示例性的，本方案中，步骤S301、步骤S304～步骤S306的实施方式与图2所示方案中记载的对应内容相同。

在图2所示方案有益效果的基础上，本方案中，若满足分区碳质量修正条件，则修正分区碳质量，采用修正后的分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量，可以避免在某些特性情况下计算的碳总质量不准确，而导致PN过滤效率计算不准确的问题。

实施例二

本实施例提出一种PN过滤效率控制装置，包括PN过滤效率控制单元，PN过滤效率控制单元用于：

获取实时PN过滤效率，将实时PN过滤效率作为反馈量，基于PN过滤效率目标量，通过调整发动机正时参数，控制PN过滤效率稳定在设定的效率区间。

示例性的，本实施例中，可以具体配置PN过滤效率控制单元实现图1、图2或者图5所示的方案中，其具体工作过程以及有益效果与实施例一中记载的对应内容相同，在此不再赘述。

实施例三

本实施例提出一种PN过滤效率控制系统，包括控制器，控制器配置有可执行程序，可执行程序运行时实现实施例一记载的任意一种PN过滤效率控制方法。

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

1.一种PN过滤效率控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，获取实时PN过滤效率包括：

3.如权利要求2所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，根据全部的所述分区碳质量确定DPF过滤壁的碳总质量还包括：

4.如权利要求2所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，根据所述碳总质量确定所述实时PN过滤效率包括：

5.如权利要求2所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，根据所述分区过滤壁温度确定DPF每个分区过滤壁的分区碳质量包括：

根据所述分区过滤壁温度确定当前计算周期的，DPF每个分区过滤壁的分区灰分质量；

6.如权利要求1所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，获取DPF空速、DPF入口温度，根据所述DPF空速以及所述DPF入口温度确定所述PN过滤效率目标量。

7.如权利要求1所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，根据所述实时PN过滤效率与所述PN过滤效率目标量的差值，根据PN过滤效率控制MAP图确定所述发动机正时参数的调整值。

8.如权利要求1所述的PN过滤效率控制方法，其特征在于，所述发动机正时参数包括点火提前角、共轨压力、发动机进气量中的一种或多种。

9.一种PN过滤效率控制装置，其特征在于，包括PN过滤效率控制单元，所述PN过滤效率控制单元用于：

10.一种PN过滤效率控制系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器配置有可执行程序，所述可执行程序运行时实现权利要求1至8任一所述的PN过滤效率控制方法。