基于FBC的DPF低温再生控制技术开发.pdf

第3 期(总第191期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.006基于FBC的DPF低温再生控制技术开发季峰1-2,吴峰胜1-2,陈勤学1-2 沈玲1-2,张正扬1-2,张锡骏1.2（1.一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂，江苏无锡2 140 2 6;2.一汽解放动力总成事业部，江苏无锡摘要：为应对柴油车颗粒捕集器（DPF)在复杂工况、维护成本、再生效果等方面的问题,开发了一种油基催化剂（FBC)的DPF再生技术。该技术构建了一套紧凑型的FBC智能喷射系统,采用自主集成开发模式,实现了油基催化剂自动加注的开发目标,通过发动机台架与整车功能试验对油基催化剂的性能与应用分别进行评估,实现了油基催化剂控制技术应用。自主完成了FBC控制系统的集成开发与测试验证，满足了系统控制要求；试验结果表明，油基催化剂的DPF可以在50 0 53 0 内实现完全再生。关键词：油基催化剂；喷射系统；低温再生中图分类号:U464.136文献标志码：ADevelopment of Low Temperature DPF Regeneration Control TechnologyBased on Fuel Borne CatalystJI Feng,U Fengheng,CHEN Qinxue,SHEN Ling,ZHANG Zhengyang,HANG Xjun?(1.Wuxi Diesel Engine Factory,FAW Jiefang Automobile Co.,Ltd.,Wuxi 214026,China;2.FAW Jiefang Power Assembly Business Division,Wuxi 214026,China)Abstract:To solve the problems met in DPF application of diesel engine,such as complex driving cycle,maintenance cost and regen-eration effect,a DPF regeneration technology based on fuel borne catalyst(FBC)is applied.This technology builds a compact andsmart FBC injection system.The objective and function of flling FBC automatically is realized through the mode of independent integra-tion and development.In the other hand,through engine bench and vehicle function testing,the evaluation of performance researchand application has been done to apply the FBC control strategy.The development and test of the FBC control system has been comple-ted to meet the system control demand.The results show that the regeneration of FBC control system can regenerate efficiently between500 to 530.Key words:fuel borne catalyst;injection system;low temperature regeneration易2 140 2 6)文章编号：16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 2 7-0 5引言随着排放标准逐步升级，国内很多大中城市对颗粒物排放做出了严格限制，城市客车与货车都将面临排放升级的技术问题,而DPF是降低柴油车颗粒物排放的最有效、最可靠的方式之一，目前北京、深圳、天津均已对柴油车加装DPF做出了要求。Volvo,Mazda等公司已在DPF后处理上应用了FBC技术,取得了良好的再生效果 13 。大量整车实际应用表明该技术在系统成本、燃油经济性、使用便利方面优势显著。1油基催化剂工作原理油基催化剂主要是利用与碳烟紧密接触的金属催化剂增强反应活性。一次性或周期性地在燃油中添加有机金属添加剂,是一种极为便捷的方式。燃油与催化剂混合燃烧,形成有催化剂附着的碳烟颗粒，使颗粒捕集器上碳烟燃烧温度从6 0 0 降到350500 4,如图1 所示。*收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 2作者简介：季峰（198 4一），男，江苏苏州人，高级工程师，目前主要从事发动机电控设计与开发。28阻止烟聚集并进入烟内部a2喷射系统的设计开发如图2 所示,FBC喷射系统的主要工作目标是根据整车燃油箱燃油添加量控制FBC泵进行自动加注,同时对系统的故障进行诊断,控制器主要实现以下功能：(1)FBC喷射系统控制器初始化以及传感器信号处理。(2)整车燃油箱燃油液位滤波与添加量估算。(3）根据燃油添加量需求进行FBC计量控制。(4)部件与系统故障检测及管理。排气进海路柴油机电控单元回油路FBC管路开关FBC泵油箱图2 FBC喷射系统图2.1软硬件集成开发为满足FBC喷射系统功能要求,FBC控制器主要接人信号有：FBC泵驱动信号、FBC液位开关信号、燃油液位信号、DPF前端温度与压差信号、工作指示灯以及电控单元控制器局域网总线（CAN）信号、硬件输入输出（IVO）信号等，I/O信号列表如表1所示,控制器(MCU)软硬件框架如图3 所示,其中MAP为图谱,VBAT为电池电压管理模块,SCI为串口通信接口模块，ILAMP为指示灯控制模块，EEF-LANSH为访问存储模块，AD为模拟数字转换模块，PWM为脉宽调制模块,RTI为实时中断模块，TIM为定时器模块，WDG为看门狗驱动模块，PLL为锁相环回路模块,SPI为串行接口驱动模块，Vector为中断处理模块,CCP为CAN总线标定驱动模块,Bt-Loader为程序引导装载模块。现代车用动力CO/CO,CO/CO,0,0,在3 50 50 0(相比6 0 0)时烟被反应成COICO,b图1FBC化学原理DPF后处理器液位喷射控制单元DCUFBC罐2023年第3 期CO/CO,表1控制器硬件IV0信号内容开发要求钥匙开关FBC液位开关监控FBC液位控制器输人燃油液位压差传感器排气温度传感器排气温度监控FBC泵FBC计量控制器输出指示灯通讯接口250kbit/s标定诊断500kbit/s配置层MAPConfig.cMAP.Cconfig.hMAP.H2.2喷射系统测试与试验喷射系统测试与试验主要进行了液力测试与功能测试，液力测试主要进行模拟振动耐久试验前后精度对比验证,振动耐久试验后偏差为1.17%，满足喷射精度2%的要求，如图4所示。6766656462H6160初始功能测试主要包括：底层功能测试：测试控制器底层变量和函数接口是否和硬件功能匹配；滤波功能测试：搭建模拟液位晃动的工装，测试滤波模块能否产生效果并标定时间常数；系统功能测试：应用层模型转换为代码写人控制器后，测试所设计的功能是否可以实现。主要功能控制器上电燃油量估算压差监控状态指示J1939通讯标定刷写销屋诊断鹿用层VBATCAN应用层SCI应用层服务层DCU抽象层队列服务查表服务通信服务存储服务MCU抽象层CANIEEFLASH初始化CAN2RTISCISPI图3 控制器软硬件框架3振动耐久试验前测试样件状态图 4液力测试说明开关量模拟量模拟量模拟量模拟量执行器标准J1939复杂驱动层系驱动电池电压ECU配置10ADPWMTIMWDGPLLVectorsCCPBtloader系统配置MCU硬件目标均值MA X(+2%)?MIN(-2%)实际值振动耐久试验后2023年第3 期3油基催化剂性能研究油基催化剂DPF后处理技术路线采用FBC+DOC+DPF方案,其中DOC为柴油机氧化催化技术。油基催化剂技术能够将碳烟的再生温度从600降低到3 50 50 0,对硫含量不敏感,是一种有效协助碳烟燃烧使DPF完全再生的手段,因此油基催化性能研究主要从FBC功能试验、FBC台架试验2 个方面进行评估。3.1油基催化剂功能试验油基催化剂的功能评估主要通过自制功能台架设备进行，试验方法：控制DPF上游温度为530，对DPF进行2 0 min再生。控制DPF上游温度为450,对DPF进行2 0 min再生。从图5再生压差测试曲线看出,40 0 左右时DPF背压上升率为零。当排气温度达到53 0 维持10min后,DPF压差基本稳定,此时DPF中碳烟再生基本结束。对DPF进行称重,计算出DPF碳烟再生率为8 9%。从图6 再生压差测试曲线看出,3 7 5左右时DPF背压上升率为零。16 0 0 s时(约再生10 0 0 s)700600500&.400300F200100图5满载DPF-530再生压差测试曲线70060050084003002001000L2004006008001000120014001600180020002200图6满载DPF450再生压差测试曲线季峰,等：基于FBC的DPF低温再生控制技术开发A100图7 FBC对发动机功率影响通过发动机排放对比试验,ESC与欧洲瞬态测73.5试循环(ETC)排放结果如表2 所示,发现FBC对发3.0动机裸机排放影响不大。2.5表2 排放试验结果对比2.0排放循环1.5试验内容(g.kW-l-h)(gkw-h-)(g.kw-h*)(g.kw-h)ESC-常规1.0ETC-常规D O C 上游温度D O C 下游温度D P F 压差4008001.200时间/sD O C 上游温度DOC下游温度D P F 压差时间/s29DPF的压差稳定,此时DPF中碳烟再生基本结束，对DPF进行称重,计算出DPF碳烟再生率为59%。试验结果表明,添加FBC后,DPF可以在50 0 530实现完全再生；从再生压差测试曲线图分析来看,在53 0 再生时,10 min后压力基本稳定。3.2油基催化剂台架试验油基催化剂的性能主要通过发动机台架试验进行测试。结果表明，FBC对发动机动力性能无影响,欧洲稳态测试循环（ESC）中，A100,B100,C100工况点添加FBC前后,发动机功率基本一致,如图7所示。70.060.050.0H30.020.0F10.0HC/0.2780.3080.5ESC-FBC2480ETC-FBC16002.000+FBC方案一一常规方案B100C100工况点NO./CO/1.9181.3981.8242.0310.3051.9860.3471.832用空载的DPF进行3 0 h 世界统一瞬态循环（WH T C)试验,试验后对DPF进行称重。FBC方案73.5在试验后增重10.8%，常规方案在试验后增重3.027.3g。在稳态工况进行了450 压差对比，FBC2.5方案优于常规方案，如图8 所示。152.01.51.00.50.0PM/0.0460.0951.3240.0482.0310.093常规方案10F50图：FBC台架试验结果FBC方案10002.000时间/s30004.000304整车试验整车运行负荷为5t(满载2 5t)，试验期间整车共运行2 17 2 0.7 5km，总油耗6 490 L，即百公里油耗约2 9.8 8 L。整车运行路线：深圳一上海一天津线路，如图9所示。现代车用动力工况。按此种方法划分的整车运行车速分布如图11所示,可以看出,整车车速主要集中在市郊工况，占比达到了49%，16%运行在高速工况，如图11所示。76（高速）16%2023年第3 期015（拥挤）23%1645（自由）12%4676（市郊）49%图11车速分布排气温度及DPF压差分布如图12、图13 所示，可以看出，低于3 0 0 的排气温度工况占了将近57%，排气温度大于3 0 0 的工况约占43%；DPF压差绝大部分不超过4kPa，占比达到了99%以上，深圳FBC-DPF再生效果良好。35图9整车试验路线30F25根据发动机运行工况分析发现，发动机转速在12001600r/min的工况比例达到了46%以上，转速在10 0 0 17 6 0 r/min的工况达到了7 2%以上,扭矩为最大扭矩的8 0%10 0%的工况比例约占3 7%；再根据细分的运行区域概率来看，发动机运行在转速为10 0 0 1 40 0 r/min、扭矩在7 8 8 Nm 以上的中高负荷区域，占比约40%，如图10 所示。12001000F800F(uN)/600400200F根据法国行驶工况定义的短行程行车，将车速范围 0 15 km/h,16 45 km/h,46 76 km/h,76 km/h 以上分别定义为拥挤工况、自由工况、市郊工况与高速10500200(200250(250300(300350(3504004004035302530%8%0.72%9%6%0.78%3%0.14%2%0.5%25%10%4%0.4%5001000转速/(rmin-i)图10发动机运行工况分布温度/图12 排气温度分布15105001150022000(12)图13DPF压差分布25003000(23)压差/kPa5结束语a.通过自主集成开发了满足功能需求的FBC控制器，同时完成了FBC控制系统的集成开发与测试验证,构建了紧凑型 FBC 喷射系统。b.深人研究了 FBC 应用技术,发现 FBC 对发(34)42023年第3 期动机排放与功率基本没有影响，同时 DPF可以在500530实现完全再生；整车实际道路试验也表明：市郊工况DPF压差基本不超过4kPa,FBC-DPF再生效果良好。参考文献：1 BLANCHARD G,COLIGNON C,GRIARD C.Passengercar series application of a new diesel particulate filter sys-tem using a new ceria-based fuel-borne catalyst:from theengine test bench to European vehicle certification C.季峰,等：基于FBC的DPF低温再生控制技术开发Paper,2015-01-2017.3 ZIKORIDSE G,VELJI A,HEIDRICH E,et al.Particulatetrap technology for light duty vehicles with a new regenera-tion strategy C/CEC/SAE Spring Fuels&LubricantsMeeting&Exposition,2000.4 CAPROTTI R,FIELD I,MICHELIN J,et al.Developmentof a novel DPF additive C.SAE Paper,2003-01-3165.31SAE Paper,2002-01-2781.2 CAPROTTI R,DALLANECRA R,JIANG D.Fuel bornecatalyst assisted diesel particulate filter regeneration incur-rent and legacy retrofitted vehicles in China C.SAE（上接第9页）的损害越大。6.3电动汽车驾驶在驾驶过程中经常或长时间深踩加速踏板，让电动汽车加速或高速行驶（尤其在低温环境下），这样的工况下动力电池释放电量较大，会降低续航里程，增加电动汽车充电次数。同时，动力电池会产生较大热量,虽然有BMS进行控制，长时间这样操作容易造成电池过放电，导致单体电池容量不一致，严重影响电池使用寿命，极端情况下会诱发电池热失控。驾驶电动汽车应合理规划出行路线，柔和驾驶，提高动力电池单次循环行驶里程，能有效延长动力电池使用寿命。7结束语a.规范使用电动汽车，避免因使用不当引起电动汽车动力电池内部副反应，导致动力电池使用寿命缩短。b.根据电动汽车实际道路测试在各种环境温度下合理充放电、减少高电压快充次数，避免动力电池反复循环诱发单体电池不一致导致的动力电池寿命缩短，提高电动汽车耐久性。c.电动汽车长时间停放时动力电池电量最好维持在50%左右,维持3 0%8 0%的电量有利于保护电池，控制动力电池在安全模式下运行，电池寿命最长。d.驾驶电动汽车应严格遵守交通规则，优化行驶路线和驾驶方法，尽量减少急加速和超高速驾驶汽车，能有效预防交通事故发生，避免电动汽车在外部诱因下引起的动力电池热失控。参考文献：1】中华人民共和国公安部.新能源汽车保有量达13 10 万辆同比增长6 7.13%EB/OL.https:/ J.北京汽车.2 0 2 3 (1):18-2 1+41.3吴学红,王凯,马西锋,等.基于相变与冷却复合的动力电池高温散热性能研究 J.低温与超导,2 0 2 0（9）：7 3-79.4周洋捷，王震坡,洪吉超，等.新能源汽车动力电池“过充电一热失控”安全防控技术研究综述 J.机械工程学报,2 0 2 2(10):112-13 5.5 GUO R,LU L,OUYANG M,et al.Mechanism of the entireover discharge process and over discharge-induced internalshort circuit in lithium-ion batteries J.Scientific Reports,2016(6):30248.6于秩祥.电动汽车动力电池热失控故障诊断研究 J.汽车科技,2 0 2 3(2)：48-55.7吴晓刚,崔智昊,孙一钊，等.电动汽车大功率充电过程动力电池充电策略与热管理技术综述 J.储能科学与技术,2 0 2 1(6):2 2 18-2 2 3 4.8贾子润,王震坡，王秋诗，等.新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究 J.汽车工程,2 0 2 2(11):1 689-1 705.9 谭晓军.电池管理系统深度理论研究：面向大功率电池组的应用技术 M.广州：中山大学出版社,2 0 17.10】陈素华,白莹.锂离子动力电池热失控机理及热管理技术研究进展 J.中国科学基金,2 0 2 3（2：18 7-198.11丰闪闪,刘晓斌,郭石麟,等.锂枝晶的成核、生长与抑制 J.化工学报,2 0 2 2（1)：97-10 9.