用于DPF被动再生过程的控制方法和系统与流程

本发明涉及柴油机后处理系统控制领域，尤其是一种用于dpf被动再生过程的控制方法和系统。

背景技术：

dpf（柴油颗粒捕集器）后处理技术是柴油机降低尾气中碳烟的主要技术手段，其基本原理是通过dpf的壁流式物理结构捕捉流经dpf的排气中的碳烟，从而起到净化柴油机尾气的作用。dpf的捕集效率很高，一般能够达到95%以上。随着dpf捕集碳颗粒越来越多，需要不定期的将dpf内的碳载量清除。

一般来说，dpf系统需要配合doc（柴油氧化催化器）一起使用。doc的作用：一是将排气中气态污染物（如hc、co）氧化为无害的气体；二是将排气中的no氧化为no2，有助于dpf的被动再生反应发生；三是氧化喷入排气管中的柴油（主要成分为hc），氧化放热提高排气温度。

目前，柴油机使用的后处理系统中，把doc放置在dpf之前，可以把一部分颗粒物中可溶性有机物成分氧化掉，这样进入dpf内部的基本上是干碳烟。在dpf内部时刻存在着碳累积和消耗的过程。dpf消耗的过程即再生过程，在柴油机正常排气温度下（约200℃~450℃），主要发生被动再生反应，在被动再生反应过程中doc产生的no2氧化dpf中的碳颗粒生成co2，所述被动再生反应的反应式为：2no2+c→2no+co2。当被动再生反应掉的碳烟小于dpf捕集的碳烟时，dpf就处于累积碳烟的过程。经过一定时间后，dpf内的碳烟会达到饱和状态，需要触发主动再生。主动再生发生的反应为：o2+c→co2。其快速反应温度需要达到550℃以上。但是柴油机的排气温度很难达到这么高的温度，需要通过额外喷油在doc上氧化放热来提高排气温度。

目前的dpf控制方法仅对dpf主动再生过程进行控制和判断，dpf的被动再生过程不做控制，导致不能够充分发挥出被动再生的效果而过度依赖主动再生，从而导致主动再生油耗增加，dpf烧坏的风险急剧增大。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于dpf被动再生过程的控制方法和系统，通过监控在doc和dpf上的化学反应过程，监控dpf上的被动再生效率，通过提高排气温度和no2比例的主动干预手段，提高dpf的被动再生效率，从而大大降低了主动再生发生的频次，或者可以取消主动再生，即去掉主动再生喷油系统，降低了系统成本。另外，也可以降低dpf主动再生时烧毁dpf的风险，提高了后处理系统的可靠性。

根据本发明提供的技术方案，作为本发明的第一方面，提供一种用于dpf被动再生过程的控制方法，所述用于dpf被动再生过程的控制方法包括：

计算发动机排放进入dpf内部的实时碳烟质量流量；

计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量；

根据所述进入dpf内部的碳烟质量流量和消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率；

根据所述进入dpf内部的碳烟质量流量和碳烟被动再生速率通过积分计算出dpf内部的碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率；

根据所述碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率进行判断，是否要触发提温需求或要求发动机切换工作模式。

进一步地，计算发动机排放进入dpf内部的实时碳烟质量流量步骤包括：

根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下碳烟质量流量map图，得到对应稳态的碳烟质量流量；

根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；

将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的稳态的碳烟质量流量相乘计算得到所述排放进入dpf内部实时碳烟质量流量。

进一步地，计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量步骤之前还进行：

计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量和实时no2质量流量；

计算doc出口处的实时no质量流量和实时no2质量流量。

进一步地，计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量和实时no2质量流量具体包括：

根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下no质量流量map图，得到对应的no稳态质量流量；

根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；

将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的no稳态质量流量相加计算得到所述排放进入doc内部的实时no质量流量；

根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下no2质量流量map图，得到对应的no2稳态质量流量；

根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；

将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的no2稳态质量流量相加计算得到所述排放进入doc内部的实时no2质量流量。

进一步地，计算doc出口处的实时no质量流量和实时no2质量流量步骤具体包括：

将doc载体从入口到出口平均分为若干份用于进行迭代计算；

计算每份doc载体的温度；

计算各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；

计算各份doc载体在发生no氧化反应和no2逆反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；

将在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量进行迭代计算，最终输出doc出口处的no质量流量和no2质量流量。

进一步地，计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量步骤具体包括：

根据dpf入口温度和排气质量流量计算dpf内部的平均温度；

计算出dpf内部的no2质量流量。

进一步地，根据dpf入口温度和排气质量流量计算dpf内部的平均温度步骤具体包括：

根据温度-排气质量流量-no氧化速率的map图和温度-排气质量流量-no2逆反应速率的map图，分别查到与所述dpf内部的平均温度和排气流量相对应的no氧化速率和no2逆反应速率；

再根据从dpf入口进入的no质量流量、dpf被动再生生成的no和no2质量流量，以及no氧化速率和no2逆反应速率计算出dpf内部的no2质量流量；

根据温度-排气流量-被动再生反应速率map图，查找到与dpf内部的平均温度和排气流量相对应的被动再生反应速率；

根据所述被动再生反应速率和所述dpf内部的no2质量流量计算出dpf内部被动再生反应消耗掉的碳烟质量流量；根据所述消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率。

进一步地，根据所述碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率启动响应的发动机响应模式具体包括以下步骤：

若平均排气温度在一定时间内小于限定值时，判断所述碳烟累积值与碳载量值之间的关系，以及碳烟增长率与0之间的关系；

若碳累积值＜碳载量值，且碳烟增长率＜0，那么维持发动机模式一不变；

若碳累积值＜碳载量值，但碳烟增长率＞0，那么提出进入发动机模式二请求，以便尽快提升排气温度，从而提高被动再生效率，降低碳烟增长率；

若碳累积值≥碳载量值，但碳烟增长率≤0，那么提出进入发动机模式二请求，以便尽快提升排气温度，从而提高被动再生效率，降低碳烟增长率；

若碳累积值≥碳载量值，但碳烟增长率＞0，那么提出进入发动机模式三请求，提高排气温度的同时降低原机碳烟值的排放，进一步加速被动再生效率，从而快速使dpf内的碳烟降低，维持在平衡状态。

作为本发明的第二方面，提供一种用于dpf被动再生过程的控制系统，所述用于dpf被动再生过程的控制系统包括：

信号输入模块，所述信号输入模块用于将发动机和后处理传感器相关信号输入给原机排气计算模块、doc化学反应模块、dpf计算模块和协调控制模块；

原机排气计算模块，所述原机排气计算模块能够计算发动机排放进入dpf内部的碳烟质量流量和排放进入doc内部的no质量流量和no2质量流量；

doc化学反应模块，所述doc化学反应模块中发生no氧化反应和no2逆反应，并计算doc出口处的no质量流量和no2质量流量；

dpf计算模块，所述dpf计算模块中发生被动再生反应，并能够计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量；

协调控制模块，所述协调控制模块用于据dpf内的碳烟累积量和碳烟变化率进行判断，是否要触发提温需求或要求发动机切换工作模式。

进一步地，所述doc化学反应模块具体包括：

doc温度场模型模块，所述doc温度场模型模块用于根据doc入口实时温度和发动机实时排气质量流量计算每份doc载体的温度，并将每份doc载体的温度信息发送给no氧化反应计算模块和no2逆反应计算模块；

no氧化反应计算模块，所述no氧化反应计算模块用于计算各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量，并将所述no质量流量和no2质量流量信息输送给no2逆反应计算模块；

no2逆反应计算模块，所述no2逆反应计算模块根据no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量信息计算模块传送的用于计算各份doc载体在发生no氧化反应和no2逆反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；

迭代计算模块，所述迭代计算模块用于将在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量进行迭代计算，最终输出doc出口处的no质量流量和no2质量流量。

本发明的基本核心逻辑是根据发动机相关信息，实时计算doc及dpf内部的化学反应过程，判断dpf内部的碳载量水平及被动再生速率。通过主动干预dpf内的被动再生化学反应过程，从而最大化的提高dpf内的被动再生效率，从而实现在安装dpf的后处理系统中不需要主动再生喷油措施，即可以保证dpf内的碳烟始终不会超出碳载量限值。从而在后处理系统设计时，就可以去掉dpf主动再生喷油系统，降低系统初始成本。由于不需要主动再生，可以降低油耗，减少了用户的使用成本。

从以上所述可以看出，本发明提供的用于dpf被动再生过程的控制方法和系统，与现有技术相比具备以下优点：

其一，极大化的调节被动再生速率实现dpf内部的碳平衡，大大降低了主动再生引起高温烧损dpf的风险；

其二，不使用主动再生，可以使再生油耗降低至0，减少用户使用成本；

其三，由于不需要喷油再生，可以降低机油稀释的风险，提高了发动机的可靠性。

附图说明

图1为本发明第一方面的流程图。

图2为本发明第一方面s100具体流程图。

图3为本发明第一方面中s200前还要进行的步骤。

图4为本发明第一方面中s110的具体流程图。

图5为本发明第一方面中s120的具体流程图。

图6为本发明第一方面中s200的具体流程图。

图7为本发明第一方面中s500的具体流程图。

图8本发明第一方面中s100的计算逻辑图。

图9为本发明第一方面中s110的计算逻辑图。

图10为本发明第二方面的结构示意图。

图11为本发明第二方面中doc化学反应模块的结构示意图。

图12为本发明第二方面中dpf计算模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

作为本发明的第一方面，如图1所示，提供一种用于dpf被动再生过程的控制方法包括以下步骤：

s100：计算发动机排放进入dpf内部的实时碳烟质量流量；

s200：计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量；

s300：根据所述进入dpf内部的碳烟质量流量和消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率；

s400：根据所述进入dpf内部的碳烟质量流量和碳烟被动再生速率通过积分计算出dpf内部的碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率；

s500：根据所述碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率进行判断，是否要触发提温需求或要求发动机切换工作模式。

具体地，如图2所示，所述s100：计算发动机排放进入dpf内部的实时碳烟质量流量步骤包括：s101：根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下碳烟质量流量map图，得到对应稳态的碳烟质量流量；s102：根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；s103：将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的稳态的碳烟质量流量相乘计算得到所述排放进入dpf内部实时碳烟质量流量；

如图3所示，在所述s200：计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量步骤之前还进行：

s110：计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量和实时no2质量流量；

s120：计算doc出口处的实时no质量流量和实时no2质量流量；

具体地，如图4所示，所述s110：计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量和实时no2质量流量步骤中的计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量具体包括：s111：根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下no质量流量map图，得到对应的no稳态质量流量；s112：根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；s113：将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的no稳态质量流量相加计算得到所述排放进入doc内部的实时no质量流量；

具体地，如图4所示，所述s110：计算发动机排放进入doc内部的实时no质量流量和实时no2质量流量步骤中的计算发动机排放进入doc内部的实时no2质量流量具体包括：s114：根据发动机转速和发动机喷油量查询原机稳态下no2质量流量map图，得到对应的no2稳态质量流量；s115：根据原机稳态空燃比λ和实时空燃比λ的变化值查询空燃比map图，得到空燃比λ变化率对碳烟的修正量；s116：将所述空燃比λ变化率对碳烟的修正量和所查询到的no2稳态质量流量相加计算得到所述排放进入doc内部的实时no2质量流量；

由于在doc内会发生氧化还原反应从而使得doc的出口和入口之间形成温度变化，为了使得doc出口处的no质量流量和no2质量流量的计算更为准确，如图5所示，所述s120：计算doc出口处的no质量流量和no2质量流量步骤具体为：

s121：将doc载体从入口到出口平均分为若干份用于进行迭代计算；

s122：计算每份doc载体的温度；根据发动机实时排气质量流量并对应查询排气-温度的map图，得到排气质量流量对应的排气热量；根据doc入口和出口的实时温度以及doc载体的质量和doc载体比热容，计算出doc载体吸收或散出的热量；根据所述排气热量、doc载体吸收或散出的热量以及doc入口的温度，计算出每份载体的温度。

s123：计算各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；查询温度-排气质量流量-no氧化速率的map图，得到与各份载体的温度和发动机实时排气质量流量相对应的no氧化速率，根据所述no氧化速率以及发动机排放进入doc内部的no质量流量和no2质量流量，计算出仅发生no氧化反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量；需要解释的是所述no氧化反应方程式为：2no+o2→2no2；

s124：计算各份doc载体在发生no氧化反应和no2逆反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；查询温度-排气质量流量-no2逆反应速率的map图，得到与各份载体的温度和发动机实时排气质量流量相对应的no2逆反应速率，根据no2逆反应速率以及各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量，计算出在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量；需要解释的是所述no2逆反应方程式为：2no2→2no+o2；

s125：将在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量进行迭代计算，最终输出doc出口处的no质量流量和no2质量流量；

可以理解的是：将所述doc载体从入口到出口平均分为若干份，分别计算出每份载体的温度，并计算出各份doc载体在发生no氧化反应和no2逆反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量，最后将各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量进行迭代计算，能够避免因各份doc载体温度不同，只能够根据doc载体的平均温度进行查询计算，使得所查询的no氧化速率和no2逆反应速率与实际存在较大的误差的问题，从而能够提高doc出口处的no质量流量和no2质量流量计算的准确性。

所述s200：计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量具体包括以下步骤：如图6所示，

s210：根据dpf入口温度和排气质量流量计算dpf内部的平均温度；

s220：计算出dpf内部的no2质量流量；

由于一般dpf载体上会涂覆一定量的贵金属催化剂，所以在dpf催化剂上发生以下化学反应：一、2no+o2→2no2；二、2no2→2no+o2，从而所述dpf内部实际的no2质量流量大于从dpf入口进入的no2质量流量，为了使得计算出dpf内部的no2质量流量更为准确，所述s220：计算出dpf内部的no质量流量和no2质量流量；步骤具体包括：

根据温度-排气质量流量-no氧化速率的map图和温度-排气质量流量-no2逆反应速率的map图，分别查到与所述dpf内部的平均温度和排气流量相对应的no氧化速率和no2逆反应速率；

再根据从dpf入口进入的no质量流量、dpf被动再生生成的no和no2质量流量，以及no氧化速率和no2逆反应速率计算出dpf内部的no2质量流量；

s230：根据温度-排气流量-被动再生反应速率map图，查找到与dpf内部的平均温度和排气流量相对应的被动再生反应速率；

s240：根据所述被动再生反应速率和所述dpf内部的no2质量流量计算出dpf内部被动再生反应消耗掉的碳烟质量流量；根据所述消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率。

如图7所示，所述s500：根据所述碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率启动响应的发动机响应模式具体包括以下步骤：

若平均排气温度在一定时间内小于限定值时，判断所述碳烟累积值与碳载量值之间的关系，以及碳烟增长率与0之间的关系；

若碳累积值＜碳载量值，且碳烟增长率＜0，那么维持发动机模式一不变；

若碳累积值＜碳载量值，但碳烟增长率＞0，那么提出进入发动机模式二请求，以便尽快提升排气温度，从而提高被动再生效率，降低碳烟增长率；

若碳累积值≥碳载量值，但碳烟增长率≤0，那么提出进入发动机模式二请求，以便尽快提升排气温度，从而提高被动再生效率，降低碳烟增长率；

若碳累积值≥碳载量值，但碳烟增长率＞0，那么提出进入发动机模式三请求，提高排气温度的同时降低原机碳烟值的排放，进一步加速被动再生效率，从而快速使dpf内的碳烟降低，维持在平衡状态；

需要解释的是发动机响应模式为三种：分别为发动机模式一、发动机模式二、发动机模式三。

发动机模式一为发动机正常工作模式，此模式下发动机性能及油耗处于最佳。

发动机模式二为发动机提温模式，在此模式下需要发动机开启提温措施，如通过调节节气门、开启后喷等措施提高发动机排气温度；

发动机模式三为发动机提温和降原机碳烟模式，在此模式下发动机开启提温措施的同时适当提高原机nox排放，降低碳烟排放，从而有利于加速被动再生反应。

作为本发明的第二方面提供一种用于dpf被动再生过程的控制系统，其中，如图10所示，所述控制系统包括：

信号输入模块100，所述信号输入模块100用于将发动机和后处理传感器相关信号输入给其它所需模块；

原机排气计算模块200，所述原机排气计算模块200能够计算发动机排放进入dpf内部的碳烟质量流量和排放进入doc内部的no质量流量和no2质量流量；

doc化学反应模块300，所述doc化学反应模块300中发生no氧化反应和no2逆反应，并计算doc出口处的no质量流量和no2质量流量；

dpf计算模块400，所述dpf计算模块400中发生被动再生反应，并能够计算dpf内部实时发生的被动再生反应所消耗掉的碳烟质量流量；

协调控制模块500，所述协调控制模块500用于据dpf内的碳烟累积量和碳烟变化率进行判断，是否要触发提温需求或要求发动机切换工作模式；

需要解释的是，发动机排放的尾气中的碳烟质量流量即为进入dpf内部的碳烟质量流量，发动机排放的尾气中的no质量流量和no2质量流量即为排放进入doc内部的no质量流量和no2质量流量；

如图11所示，所述doc化学反应模块300具体包括：doc温度场模型模块310、no氧化反应计算模块320、no2逆反应计算模块330和迭代计算模块340；

所述doc温度场模型模块310用于根据doc入口实时温度和发动机实时排气质量流量计算每份doc载体的温度，并将每份doc载体的温度信息发送给no氧化反应计算模块320和no2逆反应计算模块330；

所述no氧化反应计算模块320用于计算各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量，并将所述no质量流量和no2质量流量信息输送给no2逆反应计算模块330；通过查询温度-排气质量流量-no氧化速率的map图，得到与各份载体的温度和发动机实时排气质量流量相对应的no氧化速率，根据所述no氧化速率以及发动机排放进入doc内部的no质量流量和no2质量流量，计算出仅发生no氧化反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量；需要解释的是所述no氧化反应方程式为：2no+o2→2no2；

所述no2逆反应计算模块330根据no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量信息计算模块传送的用于计算各份doc载体在发生no氧化反应和no2逆反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量；通过查询温度-排气质量流量-no2逆反应速率的map图，得到与各份载体的温度和发动机实时排气质量流量相对应的no2逆反应速率，根据no2逆反应速率以及各份doc载体在发生no氧化反应后其各自出口处的no质量流量和no2质量流量，计算出在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量；需要解释的是所述no2逆反应方程式为：2no2→2no+o2；

所述迭代计算模块340用于将在发生no氧化反应和no2逆反应后各份doc载体出口处的no质量流量和no2质量流量进行迭代计算，最终输出doc出口处的no质量流量和no2质量流量。

如图12所示，所述dpf计算模块400具体包括：dpf温度场模型模块410、化学反应计算模块420、被动再生反应计算模块430和碳烟计算模块440；

所述dpf温度场模型模块410用于根据所述dpf入口的温度和发动机排气质量流量计算出dpf内部的平均温度，并将所述dpf内部的平均温度信息传送给化学反应计算模块420和被动再生反应计算模块430；

所述化学反应计算模块420用于计算出dpf内部的no2质量流量，并将所述no2质量流量信息传送给被动再生反应计算模块430；具体地，所述化学反应计算模块420根据温度-排气质量流量-no氧化速率的map图和温度-排气质量流量-no2逆反应速率的map图，分别查到与所述dpf内部的平均温度和排气流量相对应的no氧化速率和no2逆反应速率；然后再根据从dpf入口进入的no质量流量、dpf被动再生生成的no和no2质量流量，以及no氧化速率和no2逆反应速率计算出dpf内部的no2质量流量；

所述被动再生反应计算模块430根据温度-排气流量-被动再生反应速率map图，查找到与dpf内部的平均温度和排气流量相对应的被动再生反应速率；并根据所述被动再生反应速率和所述dpf内部的no2质量流量计算出dpf内部被动再生反应消耗掉的碳烟质量流量；所述被动再生反应计算模块430根据所述消耗掉的碳烟质量流量计算出碳烟被动再生速率，并将所述碳烟被动再生速率信息传输给碳烟计算模块440；

所述碳烟计算模块440用于根据所述进入dpf内部的碳烟质量流量和碳烟被动再生速率通过积分计算出dpf内部的碳烟累积值和统计时间内的碳烟增长率。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。