一种柴油车颗粒捕集器工作状态判断方法与流程

1.本发明是一种柴油车颗粒捕集器工作状态判断方法，特别是一种用于柴油车尾气后处理的颗粒捕集器工作状态判断方法，属于柴油车颗粒捕集器工作状态判断方法的创新技术。


背景技术：

2.柴油机排放的颗粒物是大气中颗粒物、灰霾等污染的主要来源之一。柴油车颗粒捕集器(diesel particulate filter，简称dpf)可有效降低柴油机颗粒物排放。为满足国v以上柴油车颗粒物排放标准要求，柴油机基本都需装配dpf。柴油机排气经过dpf时，排气中颗粒物因拦截、碰撞、扩散等作用被dpf捕集，捕集效率受过滤体几何结构参数、排气温度、排气流量等因素的影响。随捕集时间的增加，dpf捕集的颗粒物增多，排气背压会持续增加，到一定时期，会影响柴油机换气过程和燃烧过程，导致功率降低、油耗增加，柴油机性能恶化，因此需要不时清除dpf中捕集的颗粒物，实现dpf再生。需要监测dpf工作状态，以判断dpf是否存在故障、是否需要再生，以及为再生方式的选取提供信息等。
3.dpf再生有主动再生和被动再生两种形式。主动再生需要利用外界能量来提高dpf内的温度，使颗粒物着火燃烧呈气体状态排出，实现再生。被动再生不需要外加能量，当排气温度达到颗粒物起燃温度时，dpf内颗粒物即可自燃实现再生。dpf一般以主动再生为主，被动再生为辅。
4.dpf主动再生是周期性的，再生时机极其重要。再生过早，将增加再生次数，会增加再生的油耗；再生过晚，捕集累积的颗粒物过多，柴油机排气背压升高过高使其工作性能降低，同时再生时的碳颗粒物剧烈氧化，释放热量过快，导致dpf载体温度过高，温升速率过快，易导致dpf损坏。
5.目前，dpf再生触发条件判断方法主要可分为三类。第一种方法是以dpf运行达到一定累积行驶里程或累积时间，或以柴油机燃油耗恶化率阈值，作为判断再生触发条件。第二种方法是建立极限碳载量下dpf前后压降、柴油机转速与负荷三维关系图，当压降接近极限碳载量状态下压降时，判断需要再生。第三种方法是根据柴油机颗粒物原始排放量、dpf颗粒物捕集效率，以及期间dpf中颗粒物被氧化量，计算出dpf内碳加载量，达到阈值即触发再生。三种方法中，第一种方法较为粗糙、简单。第二种方法及第三种方法较为精确，但繁琐、需要做大量试验标定工作。
6.柴油车辆实际道路行驶工况瞬变多样，如何判断柴油车辆实际道路行驶状态下dpf的工作状态，科学有效快捷地确定dpf再生时机等是本领域亟待解决的技术问题，也是难点。
7.中国专利公开号为cn201710858110.5中公开了一种柴油车颗粒捕集器累碳量估算方法，该柴油车颗粒捕集器累碳量估算方法是通过确定车辆驾驶区域；利用车辆空载dpf进行标定驾驶区域内的基于里程碳量和修正标定后的驾驶区域内的基于里程碳量；判断车辆的当前dpf再生系统是否处于再生过程，并且对再生后的里程模型累碳量值进行清零；根
据修正后的基于里程碳量和行驶里程计算实际碳量，并根据实际碳量和dpf碳载量负荷的上限值计算并输出相对碳量。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种柴油机颗捕集器dpf工作状态判断方法。本发明只需实时的进气流量和dpf压降信息，即可判断车辆道路行驶时dpf的工作状态，并确定是否需要再生。
9.本发明的技术方案是：本发明的柴油机颗捕集器dpf工作状态判断方法，包括有如下步骤：
10.确定dpf的零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量；
11.确定柴油机进气流量q
in
与排气流量q
e
关系式；
12.测量不同进气流量、不同碳载量下对应的dpf前后压降(简称压降)；
13.根据进气流量计算出排气流量。计算dpf压降与排气流量之比(简称压降流量比)；
14.确定dpf碳载量与压降流量比关系；
15.标定出dpf零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量对应的4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4；
16.将4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4内置在柴油机电子控制单元(ecu)内；
17.车辆实际道路行驶时，实时读取进气流量和dpf压降；
18.计算出实时的压降流量比r
i
；
19.查询ecu内置的压降流量比阈值，r
i
与阈值比较，判断dpf所处工作状态。
20.根据4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4将dpf分为故障区、低碳载量区、正常捕集区、高碳载量故障区共4种工作状态区。
21.通过柴油机台架试验，测试不同进气流量、不同碳载量下对应的dpf前后压降，确定dpf碳载量与压降流量比关系。
22.所述零碳载量为dpf在新鲜状态，碳载量为零；
23.所述警戒碳载量为dpf完成再生后残余碳载量；
24.所述可再生碳载量为触发dpf再生的最低碳载量；
25.所述极限碳载量为触发dpf再生的最高碳载量。
26.所述确定柴油机排气流量q
e
方法如下：
27.读取柴油机进气流量q
in
，按进气流量q
in
与排气流量q
e
关系式计算排气流量q
e
：
28.q
e
＝αq
in
29.式中，α为进气流量与排气流量间系数，该系数确定方法如下：
30.通过柴油机台架速度特性试验测取不同发动机转数下的柴油机进气流量、排气流量，确定排气流量q
in
与进气流量q
e
变量间拟合曲线，排气流量与进气流量变量间拟合曲线的斜率即为α系数。
31.所述不同碳载量对应的压降流量比测算方法如下：
32.柴油机台架倒拖试验，电机带动柴油机运转，分别在dpf不同碳载量下，将柴油机转速从低速逐渐升高到高速，读取进气流量、dpf前后压力传感器压力值，或者dpf前后压差传感器压降值。基于进气流量计算排气流量。得出每种碳载量下压降与排气流量变量间拟
合曲线的斜率，即为对应的每种碳载量下压降流量比。
33.所述计算dpf不同碳载量下dpf压降流量比公式如下：
[0034][0035]
式中，δp为dpf前后压差，q
e
为排气流量，r为压降流量比。
[0036]
确认dpf零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量时，各自对应的压降与排气流量变量间拟合曲线斜率，即为dpf故障区、低碳载量区、正常捕集区、高碳载量故障区四个工作状态区对应的压降流量比阈值r1、r2、r3、r4；
[0037]
将车辆道路行驶实时的r
i
值与零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量对应的压降流量比阈值进行比较，以判断dpf所处的工作状态。
[0038]
所述dpf工作状态对应的压降流量比阈值如下：
[0039]
dpf零碳载量时压降流量比阈值为r1；警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量分别对应压降流量比阈值为r2、r3、r4；0～r1为dpf故障区，r1～r2为低碳载量区，r2～r3为正常捕集区，r3～r4为高碳载量区。
[0040]
所述计算实时的压降流量比公式如下：
[0041][0042]
式中，r
i
、δp
i
和q
ini
分别为实车行驶到i时刻的压降流量比、dpf压降和进气流量，α为进气流量与排气流量关系系数。q
ini
、δp
i
可以从ecu中读取。
[0043]
所述利用压降流量比比较得出dpf所处工作状态方法如下：
[0044]
查询ecu内置的压降流量比阈值，将计算出的实时的压降流量比r
i
与阈值比较，得出所在的压降流量比区间，进而判断dpf所处工作状态，对处于dpf故障区的dpf提示需要维修信息，处于高碳载量区时提示dpf再生需求信息与再生方式提示信息。
[0045]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0046]
本发明可以从柴油机ecu中读取进气流量来计算排气流量，减少了排气流量测量设备，节约了成本。另外，本发明只需实时的进气流量和dpf压降信息，即可判断车辆道路行驶时dpf的工作状态，并确定是否需要再生，方法科学简便，便于在实车上使用。本发明的柴油机颗捕集器dpf工作状态判断方法方便实用，科学合理、简便有效。
附图说明
[0047]
图1为排气流量与进气流量的关系图；
[0048]
图2为不同碳载量下压降与进气流量关系图
[0049]
图3为碳载量与压降流量比的关系图；
[0050]
图4基于压降流量比的dpf工作区间划分示意图；
[0051]
图5为dpf工作状态判断流程示意图。
具体实施方式
[0052]
本发明的柴油机颗捕集器dpf工作状态判断方法，包括有如下步骤：
[0053]
1)碳载量分类
[0054]
根据碳载量多少与dpf捕集、再生状态关系，将dpf碳载量分为零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量四种。
[0055]
零碳载量为dpf未加载颗粒物的新鲜状态。
[0056]
警戒碳载量定义为dpf完成再生后残留碳载量，为一些灰分无法在dpf燃烧再生时排出而残留在dpf中的碳载量。可再生碳载量定义为柴油机性能恶化在可接受范围内，及再生能耗在可接收范围内，可以触发dpf再生的最低碳载量。极限碳载量定义为发动机性能恶化程度在可接受范围内，及保证dpf不发生再生损坏安全前提下可以触发dpf再生的最高碳载量。dpf几何形状、材质、结构参数等不同，其对应的警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量也随之不同。
[0057]
警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量阈值一般由dpf制造商给定参考值，再经柴油机台架试验确定。
[0058]
2)确定柴油机进气流量q
in
与排气流量q
e
关系式；
[0059]
3)根据进气流量计算出排气流量。计算dpf压降与排气流量之比(简称压降流量比)；
[0060]
4)确定dpf碳载量与压降流量比关系；
[0061]
5)柴油机台架倒拖试验标定出dpf零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量对应的4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4；
[0062]
将4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4内置在柴油机电子控制单元(ecu)内；
[0063]
6)车辆实际道路行驶时，实时读取进气流量和dpf压降；
[0064]
计算出实时的压降流量比r
i
；
[0065]
7)查询ecu内置的压降流量比阈值，r
i
与阈值比较，判断dpf所处工作状态。
[0066]
根据4种压降流量比阈值r1、r2、r3、r4将dpf分为故障区、低碳载量区、正常捕集区、高碳载量故障区共4种工作状态区。
[0067]
通过柴油机台架试验确定dpf的警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量、确定dpf的警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量确定dpf碳载量与压降流量比关系，并在同一进气流量下，测量不同碳载量对应的dpf前后压降。
[0068]
上述步骤2)中，排气流量测算方法如下
[0069]
可通过读取ecu中记录的实时柴油机进气流量q
in
，按下式计算对应的排气流量q
e
：
[0070]
q
e
＝αq
in
[0071]
式中，系数α通过柴油机台架速度特性试验，测试不同发动机转速下的进气流量、排气流量，拟合出排气流量与进气流量关系式，得出排气流量与进气流量拟合曲线斜率值，即为系数α。
[0072]
上述步骤3)中，压降流量比测算方法如下：
[0073]
测量不同进气流量、不同dpf碳载量对应的dpf前后压降δp。
[0074]
按下式计算压降流量比r：
[0075][0076]
上述步骤4)中，压降流量比r阈值分类与测算方法如下：
[0077]
据试验研究分析得出，压降流量比与dpf碳载量呈正相关，随碳载量增大，压降流量比增大。
[0078]
柴油机台架倒拖试验，确认dpf零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量时，各自对应的压降与排气流量变量间拟合曲线斜率，即分别为dpf故障区、低碳载量区、正常捕集区、高碳载量故障区四个工作状态区对应的压降流量比阈值r1、r2、r3、r
4。
[0079]
上述步骤5)中，dpf工作状态区域划分方法如下：
[0080]
0～r1为dpf故障区，r1～r2为低碳载量区，r2～r3为正常捕集区，r3～r4为高碳载量区；
[0081]
将柴油机台架试验得出的压降流量比r阈值信息内置在柴油机ecu内。
[0082]
上述步骤6)中，车辆实际道路行驶时dpf压降流量比测算方法
[0083]
实时读取柴油机进气流量和dpf压降，按下式计算出实时的压降流量比：
[0084][0085]
式中，r
i
、δp
i
和q
ini
分别为实车行驶到i时刻的压降流量比、dpf压降、进气流量，α为排气流量与进气流量关系系数。δp
i
和q
ini
可以从ecu中读出。
[0086]
上述步骤7)中，dpf工作状态确定方法
[0087]
查询柴油机ecu内置的压降流量比阈值信息，将车辆实际道路行驶实时测算得到的压降流量与比dpf压降流量比阈值进行比较，判断出dpf所处工作状态。处于dpf故障区时发出dpf维修请求信息，处于高碳载量区发出dpf再生请求信息。
[0088]
本发明具体实施例如下：
[0089]
在车辆实际道路行驶时，排气流量q
e
难以测得，而进气流量q
in
可从柴油机ecu中读取，以进气流量计算排气流量，更方便在车辆运行时使用。
[0090]
如图1所示为某车辆柴油机进气流量、排气流量测试数据与回归曲线。
[0091]
由图1知，进气流量增加，排气流量线性增加，排气流量和进气流量线性相关。得出排气流量与流进气量回归关系式，如下：
[0092]
q
e
＝1.03q
in
[0093]
式中：q
in
为柴油机进气流量，q
e
为排气流量，1.03为排气流量与进气流量关系系数，即：
[0094]
α＝1.03
[0095]
标定dpf碳载量与dpf压降流量比关系。图2所示为某柴油车辆柴油机5种不同碳载量下，测试得到的dpf压降与进气流量数据，以及不同碳载量下压降与排气流量回归曲线，均为直线。每条回归曲线的斜率对应一种碳载量，回归曲线斜率就是压降流量比，一种碳载量对应一个压降流量比。
[0096]
dpf压降δp由其安装在dpf前后两端的压力传感器获得。定义压降流量比r，见下式：
[0097][0098]
汽车实时行驶到i时刻的压降流量比按下式计算：
[0099][0100]
式中，r
i
、δp
i
和q
ini
分别为汽车实时行驶到i时刻的压降流量比、dpf压降和进气流量。δp
i
和q
ini
可以从柴油机ecu中实时读取。
[0101]
图3展示了实施柴油车辆dpf压降流量比随碳载量增加而增大的规律，在不同的碳载量下，压降流量比有良好区分度，初始斜率较大，后斜率有所降低。零碳载量时，压降流量比是dpf结构参数和排气温度的函数，数值最低。随捕集的进行，先是深床捕集为主，压降增长较快，然后是饼层捕集为主，随碳载量增加压降逐渐变缓。dpf碳载量与压降流量比之间存在着单一的正向关系，可用压降流量比来估测碳载量。
[0102]
定义dpf零碳载量、警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量。dpf新鲜状态下的碳载量为0。警戒碳载量为dpf完成再生后尚存在dpf中的一些灰分量，也是dpf再开始捕集工作的碳载量初始值；可再生碳载量为在柴油机性能恶化及再生所需能耗许可值条件下，触发dpf再生的最低碳载量；极限碳载量为柴油机性能恶化及dpf再生不出现损坏情形下，以触发再生的最高碳载量。dpf警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量均可参考dpf设备商给出的技术参数，并经柴油机台架标定试验确定。
[0103]
dpf压降是判断dpf是否需要再生的主要参数。碳载量增大、排气流量增大，dpf压降均增大。研究分析得出压降流量比r值与碳载量一一对应，r值随碳载量增大而增大。将r作为dpf状态表征值，代替压降与流量两个值，可简化dpf工作状态的判断，见图4。dpf处于零碳载量时压降流量比为r1阈值，r1主要取决于dpf几何与结构参数、dpf材质、排气温度等。警戒碳载量、可再生碳载量、极限碳载量分别对应压降流量比r2、r3、r4阈值。4个r阈值将dpf工作状态分为4个区域，从左至右，定义0～r1为dpf故障区，r1～r2为低碳载量区，r2～r3为正常捕集区，r3～r4为高碳载量区。
[0104]
排气经过dpf会有流动损失，即使无颗粒物排放与捕集，也会有压力损失，对应r1，有颗粒物捕集时，压力损失增大。随颗粒物捕集量增多，压力损失增大。排气流量增大，压力损失加大。
[0105]
dpf正常的工作状态碳载量应在零碳载量以上，即压降流量比超过r1。若低于r1，说明发生了排气泄露，其中可能是dpf过滤材料发生了破裂，或者移除，即为dpf故障区。
[0106]
只有dpf为新鲜状态时，初始碳载量为零，对应压降流量比r1。dpf捕集工作发生再生后，由于灰分等物质不能燃烧完全排出，故dpf初始碳载量不为零，压降流量比r会增大。因为dpf容积有限，若再生后残余碳载量，即初始碳载量大于警戒碳载量，对应压降流量比大于r2，会造成dpf可捕集碳烟量减少，压降增大快，再生会变得频繁，会消耗更多能源，增加了使用成本。该情形下应将dpf拆卸下来，通过超声波、反吹等方式清洗以去除其中的沉积物使之恢复到零碳载量，压降流量比恢复到r1。r2值与dpf几何与结构参数有关，与再生技术也有关。r1到r2区间代表低碳区。
[0107]
可再生碳载量与极限碳载量之间定义为高碳载量区，对应压降流量比范围r3～r4。在dpf达到可再生碳载量时即可触发再生，此时再生可在车辆道路行驶时进行。而当接近极限碳载量时，如果道路行驶工况不能保证完成再生，需要驻车再生，或者需要将dpf拆下进行再生。
[0108]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对
本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。