[发明专利]一种微粒捕集器微粒加载量计算方法及其装置

说明书

本发明公开了一种微粒捕集器微粒加载量计算方法。计算方法包括微粒沉积层佩克莱数判断、微粒沉积层微观参数计算、根据压降反推微粒沉积厚度与加载量以及微粒加载饱和度四个步骤。其装置包括ECU、压力传感器、温度传感器、氧传感器、空气质量流量传感器等。本发明的目的在于考虑发动机不同工况下，微粒沉积微观形态的不同，利用理论压降模型，计算微粒捕集器内的微粒加载量，从而精确控制再生时机，同时计算微粒加载饱和度，用以表征微粒捕集器加载程度，对于延长微粒捕集器寿命，减小再生能耗有很大的积极作用。

技术领域

本发明涉及一种微粒捕集器微粒加载量计算方法及其装置

背景技术

在当前众多柴油机微粒后处理技术中，微粒捕集器被认为最具有应用前景与发展潜力。微粒捕集器在应用过程中主要有两大应用难关，一是过滤体材料的选择，必须具有高过滤效率，低流动阻力，同时还要具备良好的抗高温性能与机械强度。二是载体的再生，即微粒捕集器工作一段时间后，微粒沉积到达一定程度，微粒捕集器两端压降到达限定值，影响正常的微粒捕集与发动机工作，需要采取特定的方式将沉积在载体孔道内的微粒去除。其中，前者的技术难关已经基本攻克，而微粒捕集器的再生仍是阻碍其大规模应用的难题。具体到再生过程，最重要的一点是如何判断再生开始的时机，即某项指标达到预先设定的限定值时，再生开始。

当前应用最为普遍的再生时机判断方法是压降法，即事先标定微粒捕集器在各个工况下，微粒加载量达到限定值的压降MAP图，存储在ECU内，当ECU接收到传感器传送的尾气温度、质量流量和压差信号，在MAP图中查询当前的限定压降值，与当前压差传感器信号值对比，决定是否开始再生。此种方法的弊端明显，一是压降数据不能直观反映微粒捕集器内的微粒加载量，因为微粒捕集器的最大加载量通常由厂家提供，并以总的微粒质量给出；二是事先标定的MAP图不够精确，微粒的加载沉积过程受到发动机工况等各种因素的影响，其孔隙率、加载密度等微观参数变化较大，造成事先标定的MAP图不符合实际情况，另外标定MAP图也是一项耗费人力物力的过程。

另外一种常见的再生时机判断方法，在于实时监测排气管内的微粒排放量与微粒捕集器内的氮氧化物与沉积微粒反应速率(被动再生)，计算出孔道内的微粒净增长速率，通过对从上一次再生结束后的时间域进行积分，即可得出载体内的微粒沉积量。这种方法直接给出了微粒沉积量，但是对传感器要求高，计算过程复杂，ECU负担加重，离实际应用有一定的距离。

随着微粒捕集器两端压降理论模型的愈发精确，使得利用压降模型的逆向推演得出微粒加载量成为可能。具体来说，ECU接收微粒捕集器前端的温度信号、压差信号、发动机进气质量流量信号以及燃油消耗率信号，结合微粒捕集器的几何参数，利用理论压降模型反推出微粒加载量，与厂商提供的限定加载量对比，进而确定再生开始时机。这一过程中的关键参数在于孔道内微粒沉积层的渗透率k_soot与加载密度ρ_soot。由渗透率与压降数据推演出孔道内的微粒层厚度，再结合加载密度得出载体总的微粒加载量。

微粒在孔道内的沉积微观形态对于确定实际加载量具有决定性的作用，而其沉积形态取决于微粒运动过程中扩散与对流作用的综合作用。当扩散作用占主导时，微粒沉积层呈现较为疏松的结构，体现在孔隙率ε较大，而加载密度较小。当对流作用占主导时，微粒沉积层呈现较为致密的结构，孔隙率ε较小，加载密度较大。而微粒运动中扩散与对流作用的综合可以用佩克莱数Pe＝u_w·d_primary/D_p来表征。当佩克莱数较大时，微粒沉积趋向于致密，当佩克莱数较小时，微粒沉积趋向于疏松。

佩克莱数与微粒沉积层孔隙率的关系可以描述为，随着佩克莱数的增加，孔隙率以非常快的速度趋向一个渐进值，当佩克莱数减小时，孔隙率与佩克莱数呈现出指数函数关系，数学上，可以表示为ε＝A·Pe^-B+C，其中A、B、C为常数，其具体数值可以通过数值模拟求得。同时微粒的沉积过程属于无晶格有轨生长沉积，在机理上将微粒层的孔隙率限定在一个较小的范围，再结合佩克莱数与孔隙率的函数特性，根据佩克莱数的估计值来计算微粒层孔隙率，误差将会非常小。