发动机尾气过滤器积碳量监测方法与流程

本发明涉及发动机尾气处理技术领域，特别是涉及发动机尾气过滤器，具体涉及一种发动机尾气过滤器积碳量监测方法。

背景技术：

近年来，国内外排放法规越来越严格，仅仅依靠优化缸内燃烧的方法来降低污染物排放量已无法满足排放法规的要求，柴油机必须安装后处理装置才能有效减少排气污染物。柴油机最主要的排放污染物之一是颗粒物(pm)，通常为碳颗粒。

柴油机微粒捕集器(dpfdieselparticulatefilter)又叫做过滤器，是目前被广泛认可的、能够有效降低柴油机微粒排放的后处理装置。其原理是利用过滤器载体的多孔性对颗粒物进行捕集，以达到减少排气中颗粒物的目的。

过滤排气最适宜采用的材料是多孔介质或纤维过滤材料，而目前应用最多的是壁流式蜂窝陶瓷过滤体。过滤器的工作过程包括微粒捕集过程和再生过程。在车辆上，它是安装在柴油机排气系统中的，排气流中的颗粒物被吸附在其内部载体材料的表面，这就是微粒捕集的过程。

随着过滤器不断吸附微粒，过滤器内的pm不断积累，造成排气背压(即过滤器上游压力)逐渐增加。根据相关研究，当排气背压超过20kpa时，会使发动机性能恶化，并随着pm在过滤器中的不断累积会导致排气背压增大，使柴油机性能下降。所以，过滤器使用一段时间后需要将其中累积的pm采用一定技术清理掉，降低排气阻力，这个过程就称为过滤器的再生。

柴油机工作在正常工况，其排气温度一般在250～500℃，而微粒的燃点要比这高的多，一般在550～600℃，所以单单依靠柴油机排气这么高的温度，很难使捕集器实现再生，一般通过降低微粒的燃点或提高排气温度的方式来实现再生。

过滤器再生方式分为主动再生和被动再生，目前研究较多的再生方式有：喷油或喷气助燃再生、电加热再生、红外加热再生、微波加热再生等。主动再生对发动机工况和燃油中硫含量要求较低，比被动再生更容易实现。但其过滤体容易产生热损坏、系统复杂、成本高。

过滤器再生过程中，过滤体会因为再生时机太早造成再生不完全，或再生时机太迟造成局部烧熔和破裂。因此，准确判断过滤器再生时机，即高精度的积碳量估计，对保证过滤器再生的安全性和完全性具有重要意义。

中国专利公告号cn104061051a公开了一种可准确把握柴油机颗粒捕捉器再生时机的方法，该方法是通过查阅压差值与碳载量的对应表得出过滤器碳载量估计值，同时根据行驶里程和行驶时间进行修正。这种方法对标定的压差值与碳载量的对应表精度要求很高，并且对实际行驶的瞬态工况中所测得的压差的误差没有进行处理。故该方法难度高、估计精度不够。

中国专利公告号cn103620169a公开了一种微颗粒捕集过滤器状态监测装置，该装置将过滤器上下游的压力监测单元所测得的压力值分别进行傅立叶变换，再将上下游压力值变换所得频谱强度和/或相位进行比较，基于比较结果由状态判定单元最终判定过滤器的状态。然而该状态监测装置对于状态判定单元的判定方法缺乏详细描述，同时对于估计精度没有具体说明。

中国专利公告号cn103511043a提出了利用过滤器前后排气温度和排气流量修正后的过滤器压差和空速查询得到碳累积量的方法，但是这种方法仍需要大量不同工况下标定好的碳累积量查询表，实验工作量大、对查询表精度要求很高。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供发动机尾气过滤器积碳量监测方法，以解决过滤器再生时机准确判断问题。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种发动机尾气过滤器积碳量监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立等效电路模型，所述等效电路模型由电阻rs、电阻rd和电容c构成，电阻rs与电阻rd串联，电容c并联在电阻rd两端，所述等效电路模型两端电压为u，电流为i；

过滤器上下游压差△p作为电压u；

过滤器排气体积流量q作为电流i；

过滤器进出口局部阻力所产生的流阻作为等效电路模型的电阻rs；

过滤器介质及积碳产生的流阻作为等效电路模型的电阻rd；

过滤器中气体压缩率作为等效电路模型的电容c；

根据上述模型，通过采集过滤器上下游压差△p、过滤器排气体积流量q、以及过滤器上游排气温度t，确定电阻rs、电阻rd和电容c的值；

绘制电阻rd随温度的变化曲线；

采集的过滤器上下游压差△p、排气体积流量q以及过滤器上游排气温度t的实时数据，在等效电路模型中通过计算得到电阻rd的阻值，以此阻值作为过滤器介质及积碳产生的流阻，再根据此时过滤器上游排气温度t及电阻rd随温度的变化曲线进行插值，得到所对应的积碳量。

进一步的，还包括步骤：

将所述积碳量与设定阈值进行比较，当所述积碳量≥所述设定阈值，启动过滤器再生流程。

进一步的：所述设定阈值根据过滤器上游压力决定。

进一步的：所述滤器上游压力为20kpa。

进一步的：所述等效电路模型的数学方程为：

u＝us+ud＝irs+ud

其中，ud为电阻rd两端的电压；us为电阻rs两端的电压；t为时间。

进一步的：所述算法为卡尔曼滤波算法。

进一步的：

电阻rs表示为：rs＝a0+a1t+a2t²；

电阻rd表示为：rd＝b0+b1t+b2t²；

电容c表示为：c＝c0+c1t+c2t²；

其中，a0、a1、a2、b0、b1、b2、c0、c1、c2为系数；t为过滤器上游排气温度。

进一步的：电阻rs和电容c是在积碳量为零的条件下，采集过滤器上游不同排气温度下过滤器上下游的压差△p、排气体积流量q，代入等效电路模型计算得到的值。

进一步的：以上述电阻rs为基础，将不同积碳量条件下测得的压差△p、排气体积流量q数据代入等效电路模型进行计算，得到各积碳量情况下的电阻rd的值。

进一步的：绘制电阻rd随温度的变化曲线具体方法为：

在某工况下进行过滤器碳累积实验，实验过程中监测并记录过滤器上下游压差、排气体积流量和过滤器上游排气温度，碳累积实验进行了一定时间后，对积碳量进行称重并记录；

从白载体开始，多次进行碳累积实验，得到积碳量从0g至所述设定阈值范围内各不同积碳量下，过滤器上下游压差、排气体积流量和过滤器上游排气温度这些实验数据；

利用所测得的实验数据及等效电路模型，在积碳量为零时，进行参数辨识，得到系数a0，a1，a2及c0，c1，c2的值；

在积碳量不为零时，a0，a1，a2及c0，c1，c2的值固定为前述值不变，利用不同积碳量的实验数据，进行参数辨识，得到不同积碳量条件下系数b0，b1，b2的值；

根据不同积碳量条件下系数b0，b1，b2的值，利用公式rd＝b0+b1t+b2t²得到不同积碳量下rd随温度变化的曲线。

本发明的有益效果是，提供了一种新的基于等效电路模型的发动机过滤器积碳量估计方法，能够快速准确地计算出过滤器的积碳量；本发明的等效电路模型不受发动机排气脉动特性的影响，确保了监测的精确性；本发明只需通过实验绘制不同碳载量下rd随温度变化的曲线，大大减小了传统方法需要进行大量实验绘制脉谱图的工作量；本发明具有实时高效的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为等效电路模型示意图；

图2为不同碳载量下rd随温度变化的曲线。

其中：

i为排气的体积流量；

rs为过滤器进出口局部阻力造成的流阻；

c为过滤器内气体的可压缩性；

rd为沿程阻力造成的流阻；

u为过滤器上下游的压差；

us为电阻rs两端的电压，代表过滤器进出口局部阻力产生的压降；

ud为电阻rd两端的电压，代表沿程阻力产生的压降。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的技术方案是：

采用压力传感器测得发动机尾气过滤器上下游的压差；

采用流量传感器和温度传感器实时监测发动机的排气流量及排气温度。

在计算积碳量过程中，引入等效电路模型，由过滤器上下游压差、发动机排气流量及排气温度得到沿程阻力产生的流阻，再查询不同碳累积量下，沿程阻力产生的流阻与温度的关系图，得到所对应的积碳量。

本发明的等效电路模型的建立过程具体为：

在流体中，(q—流量，△p—压差，r—流阻)，故

排气的体积流量q等效为电路的电流i；

过滤器进出口局部阻力造成的流阻等效为电路的电阻rs；

沿程阻力产生的流阻等效为电路的电阻rd；

过滤器上下游的压差△p等效为电路两端的电压u；

等效电路模型由电阻rs和电阻rd串联构成，等效电路模型两端电压为u，电流为i。

由于气体具有可压缩性，且在一定温度下，气体可压缩性只与气体v、p的变化有关(气体压缩系数可以表示为：β为气体压缩系数，v为气体体积，p为气体压强)。在过滤器体内，气体v、p的变化只与排气在过滤器体内的压缩和温度有关，故

过滤器体内气体的可压缩性等效为电路的电容c，c＝c0+c1t+c2t²(c0，c1，c2为参数)且电容c并联在电阻rd两端。如图1所示。

电容c可以过滤掉发动机排气气流的脉动特性，使计算得到的积碳所产生流阻rd更准确。

由此得到等效电路模型的数学方程为：

u＝us+ud＝irs+ud

本发明中，在不同积碳量下，沿程阻力产生的流阻与温度的关系图的绘制方法如下：

在某工况下进行发动机过滤器积碳量实验，实验过程中监测并记录过滤器上下游压差、排气体积流量和过滤器上游排气温度，实验进行了一定时间后，对积碳量进行称重；

从白载体(rd＝0)开始，多次进行上述积碳实验，得到碳载量从0g至需要开始再生的累积量范围内各不同碳载量下，过滤器上下游压差、排气体积流量和过滤器上游排气温度这些实验数据；

除去过滤器结构本身的影响外，考虑到温度对流阻的影响，将rs写成rs＝a0+a1t+a2t²(其中a0，a1，a2为参数)；

除去碳载量的影响外，考虑到温度对沿程阻力产生的流阻rd的影响，将rd写成rd＝b0+b1t+b2t²(其中b0，b1，b2为参数)；

利用所测得的积碳实验数据及等效电路模型，在白载体，即rd＝0时进行参数辨识，得到参数a0，a1，a2及c0，c1，c2的值，同时在有积碳，即rd≠0时，a0，a1，a2及c0，c1，c2的值固定为前述值不变；

利用不同积碳(除去白载体)实验数据，进行参数辨识，得到每组积碳下参数b0，b1，b2的值；

利用辨识得到的各组b0，b1，b2的值，得到不同碳载量下rd随温度变化的曲线。如图2所示。

将某一时刻过滤器上游排气温度与由白载体实验数据进行参数辨识得到的a0，a1，a2及c0，c1，c2的值代入等效电路模型，计算得到这一时刻rs与c的值；

根据所测得的这一时刻过滤器上下游压差、排气体积流量以及上述rs与c的值，利用等效电路模型，计算得到沿程阻力产生的流阻值rd；

根据上述rd的值与这一时刻过滤器上游排气温度，查询不同碳载量下rd随温度变化的曲线图，插值后得到所对应的积碳量。

当积碳量≥设定阈值时，启动过滤器再生流程，对过滤器进行再生。

上述设定阈值根据过滤器上游压力决定，通常滤器上游压力达到20kpa，就表示对应的积碳量达到了设定阈值，可以启动过滤器再生流程了。