随着国内外对排放要求的日益提升,柴油机尾气后处理领域面临着更加严峻的挑战。目前国内柴油机后处理领域主要目标是对国Ⅵ排放系统进行全面升级与优化。碳氢喷射因为结构简单,使用安全,不干扰柴油机的正常运转,是中重型柴油机的主流尾气温控手段,在国内外受到广泛的关注和应用。排气温度精确控制的主要目的,是对催化型柴油机颗粒捕集器(Catalyzed Diesel Particulate Filter,以下简称CDPF)的周期性主动再生,并满足再生稳定性和安全性要求。因此,开展基于碳氢喷射的CDPF温控再生技术研究具有重要的意义。本文构建了碳氢喷射下的柴油催化氧化器(Diesel Oxidation Catalyst,以下简称DOC)流动和化学反应动力学模型并进行试验标定与验证,得到其热力学特性。同时构建了CDPF捕集与再生反应动力学模型并进行试验标定与验证。以CDPF作为再生温控对象,设计了基于碳载计算方法的再生启停判定和灰分维护策略,设计了再生工况选择和再生目标温度计算方法。以碳氢喷射结合DOC作为温控实现手段,设计了前馈加反馈的温控策略。然后在DOC温控策略和CDPF再生目标策略协同作用下,将基于碳氢喷射的CDPF再生策略通过模拟与试验的手段进行验证,证明了基于模型的再生控制策略有效性和稳定性。全文主要的工作内容如下:(1)基于碳氢喷射的DOC模型研究。针对碳氢喷射的DOC热力学特性,本文考虑了柴油液滴在DOC内的边流动、边加热、边蒸发热解形成气态碳氢的过程,并采用阿伦尼乌斯形式描述柴油液滴的蒸发热解速率方程。蒸发热解产生的气态碳氢,在DOC催化剂表面通过扩散传质,催化氧化产生热量加热DOC,再通过对流传热传回尾气中。整个过程是一个化学反应动力学、能量转换与传递的耦合过程,本文对该过程进行了详细的热力学模型描述与分析。将模型进行试验标定与验证后,模型能够在一定范围的工况下模拟实际的温升,适用于离线控制仿真以及后续基于模型的温控策略设计。(2)CDPF捕集与再生模型研究。本文对CDPF的捕集和再生过程进行了建模。模型在传统的CDPF捕集与再生机理之外,还加入了DOC内未反应完碳氢在CDPF内的催化氧化过程。结果表明,未反应完的碳氢化合物会使得CDPF的载体温度提升,促进碳颗粒再生。将模型进行试验标定与验证后,模型能够模拟实际的CDPF捕集与再生过程,适用于离线控制仿真以及后续再生目标策略设计。(3)基于模型的温控再生策略。本文基于CDPF捕集与再生模型设计了碳载计算方法。方法由累碳积分法,壁温计算方法,达西流阻法这三部分构成。该方法用于再生启停判定和灰分维护。基于DOC+CDPF耦合模型,设计了再生工况选择方法和再生目标温度计算方法。再生目标确定后,具体温控策略则是基于碳氢喷射的DOC模型进行设计。首先根据DOC热力学模型设计了前馈控制算法,再根据试验定阶辨识发现DOC三阶传递函数特性,设计了稳定边界轨迹(SBL)结合智能配权自优化的PI反馈控制算法。再生目标策略给出具体的温控再生目标,DOC温控策略实现温控过程,两种策略相结合,构建整体的温控再生策略。(4)温控再生模拟与试验研究。本文根据DOC模型和CDPF模型,在Matlab Simulink离线仿真平台上对温控再生策略进行了模拟研究。模型模拟了DOC温控策略在不同干扰条件下的控制效果以及CDPF温控再生效果。经过模拟验证的温控再生策略,在柴油机台架上进行了不同条件下的温控试验,捕集试验与再生试验。试验结果证明,DOC温控策略具有鲁棒稳定性,温控再生策略控制下的CDPF捕集与再生过程效果良好,能够为基于碳氢喷射的CDPF再生技术发展提供研究基础。