CN101995370A - 柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的预测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于预测柴油发动机系统(1)内的柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的方法，该柴油发动机系统至少包括：进气歧管(4)、燃烧室、排气歧管(3)和位于柴油颗粒过滤器(7)上游的排气管路中的柴油氧化催化转换器(6)，该方法包括：确定从燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量，确定排气歧管(4)中的空气质量分数，预测柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质量分数，该空气质量分数是所述未燃烧燃料质量流量和排气歧管(4)中的所述空气质量分数的函数，预测柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度，该氧气浓度是柴油氧化催化转换器(6)下游的预测的空气质量分数的函数。

Description

柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的预测方法

技术领域

本发明涉及柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器(DOC)下游的氧气浓度的预测(estimation)。

背景技术

柴油发动机系统通常包括进气歧管、至少一个燃烧室、排气歧管和设置有柴油氧化催化转换器(DOC)的排气管路。常规地提供该柴油氧化催化转换器用于降解残留的碳氢化合物和碳氧化物，该碳氢化合物和碳氧化物在发动机的燃烧过程中形成，并且容纳在废气流中。

为了贯彻更严格的排放法规，大部分柴油发动机系统还装备有柴油颗粒过滤器(DPF)，该柴油颗粒过滤器位于DOC下游的排气管路中，用于捕获和去除废气流中的柴油颗粒物质(烟灰)。

柴油颗粒过滤器通常包括外壳，该外壳容纳多孔材料的过滤器主体，并且一端封闭的孔从其相对侧延伸到该过滤器主体。在正常操作中，废气从过滤器主体的一侧进入到一端封闭的孔，并且经过过滤器材料进入另一侧的闭塞端孔内，从而废气携带的颗粒物质保留在过滤器主体的表面和气孔内。

累积的颗粒物质增加经过过滤器的压降。

当压降变得过多时，这可导致过滤器主体破裂，致使过滤器无效，或这可影响柴油发动机的效率。

为了避免过滤器的过度阻塞，当在过滤器主体内积累了临界量的颗粒物质时，必须去除这些颗粒物质。

该处理通常称为柴油颗粒过滤器的再生。

传统地，通过将DPF加热到积累的颗粒物质烧掉的温度来实现再生，从而使得过滤器主体再次洁净。

过滤器的加热借助于进入到DPF的废气的温度增加来提供。该温度增加(典型地等于630℃)必须在所有可能的驱动条件(即，城市驱动、高速公路驱动等)下保持一定时间(典型地600秒)。

废气温度增加用专用多喷射模式来获得，借助于该专用多喷射模式，在活塞已经经过其上死点中心位置之后，一定量的燃料喷射到燃烧室中，之前喷射的燃料已经燃烧。

这样的迟的喷射的燃料(late-injected fuel)能够由于燃烧室内的燃料燃烧而得到第一温度增加，以及由于排气管路的催化转换器(DOC)内的燃料氧化而得到第二温度增加。

更具体地，第一温度增加通过燃料的通常称为后喷射(after-injection)的单一喷射而实现。

在排气阀打开之前，且充分地接近TDC，开始后喷射，以相当完全地进入燃烧室进行燃烧。

后喷射的燃料的燃烧产生高温废气，该高温废气随后从燃烧室排放并且由排气管路引导以经过PDF，从而使得PDF加热。

第二温度增加通过燃料的通常称为过后喷射(post-injection)的一次或多次喷射而实现。充分地远离TDC，典型地在排气阀打开之后，开始过后喷射，以不在燃烧室燃烧。

因此，过后喷射的燃料没有燃烧地从燃烧室喷出，并且由排气管路朝向柴油氧化催化转换器(DOC)引导。

当DPF内承载的颗粒物质较高时，在达到合适的再生温度之后，每个单一颗粒的燃烧进一步生成热，该热被相当有效地传递到邻近颗粒，导致邻近颗粒也燃烧。

当DPF内的颗粒浓度减小时，该类型的热传递倾向于变得不有效。这意味着，在再生处理的开始时，DPF内的温度迅速地增加。

如果颗粒物质的燃烧不被控制，那么所述温度增加将比所需要的更快且更高，并且在特定情况下，还可损坏柴油颗粒过滤器。

DOC下游的废气内的氧气量影响DPF内的颗粒的燃烧，因此在再生处理期间，该氧气量是控制DPF内的温度梯度的关键参数。

然而，实际上没有可用的控制系统用于测量和控制柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度，或许是因为依赖于氧气传感技术的控制系统具有许多缺陷。

事实上，所述控制系统通常令人满意地用于管理稳定状态或缓慢改变的氧气水平，但是不能令人满意地用于管理在柴油发动机系统内一些点处可以发现的快速改变的氧气水平。另外，公知的宽范围的氧气传感技术受温度和压力条件影响，使得它们常常需要合适的补偿，以产生精确的氧气浓度信息。

此外，当传感器在废气流内具有高浓度的碳氢化合物的状况下工作时，氧气传感器测量不精确，其中该状况是DPF再生条件的情况。

本发明的目的是预测柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器(DOC)下游的氧气浓度。

本发明的另一目的是满足相当简单、合理和便宜的技术方案的目标。

这些目的通过本发明的特征而达到。还描述了本发明的优选的和/或特别有利的方面。

发明内容

本发明提供了一种用于预测柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的方法，该方法即使在DPF的再生处理期间也有效。

柴油发动机系统通常至少包括进气歧管、燃烧室、排气歧管和位于柴油颗粒过滤器(DPF)上游的排气管路中的柴油氧化催化转换器(DOC)。

该方法包括：

-确定从燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量，

-确定排气歧管中的空气质量分数，

-预测柴油氧化催化转换器下游的空气质量分数，该空气质量分数是该未燃烧燃料质量流量和排气歧管中的空气质量分数的函数，

-预测柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度，该氧气浓度是柴油氧化催化转换器下游的预测的空气质量分数的函数。

未燃烧燃料质量流量包括在柴油颗粒过滤器再生处理期间喷射到燃烧室的过后喷射的燃料质量流量。该未燃烧燃料质量流量还包括一部分后喷射燃料质量流量，该部分后喷射燃料质量流量在柴油颗粒过滤器再生处理期间喷射到燃烧室内，但在燃烧室内不燃烧。

优选地，两个以经验确定的数据集用于确定总的未燃烧燃料质量流量，该两个数据集使得过后喷射的燃料质量流量和未燃烧部分的后喷射燃料质量流量与多个发动机运行参数相关联。

预测柴油氧化催化转换器下游的空气质量分数包括预测在柴油氧化催化转换器中通过其中的所述未燃烧燃料质量流量的氧化处理而转化的碳氢化合物质量流量，优选地借助于：

-确定柴油氧化催化转换器效率，

-确定空气对燃料的化学计量比，和

-预测柴油氧化催化转换器中转化的所述碳氢化合物质量流量，该碳氢化合物质量流量是未燃烧燃料质量流量、柴油氧化催化转换器效率和燃料的化学计量比的函数。

优选地，两个以经验确定的数据集用于预测碳氢化合物质量流量，该两个数据集使得柴油氧化催化转换器效率和空气对燃料的化学计量比与多个发动机运行参数相关联。

本发明还提供一种用于柴油内燃机的控制系统。

该控制系统包括：

-用于提供多个发动机运行参数的分别测量的装置，

-用于将所述发动机运行参数测量应用于计算机编码的基于控制器的微处理器，用于实施上述方法以预测柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度，和

-响应于柴油氧化催化转换器下游的所述预测的氧气浓度而受控的至少一个致动器。

优选地，所述至少一个致动器包括用于调节影响柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的发动机运行参数的致动器，使得控制系统能够在再生处理期间在DPF中控制烟尘的燃烧。

附图说明

现在将通过例子参考附图来描述本发明，其中：

图1是根据本发明一个实施例的柴油发动机系统和发动机控制器的示意图；

图2是模型的示意图，在该模型中柴油发动机系统被网格化为发动机子系统；

图3A至3F分别是进气歧管子系统模型、燃烧室子系统模型、排气歧管子系统模型、EGR设备子系统模型、涡轮增压设备子系统模型和柴油氧化催化转换器子系统模型的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例应用于在图1中通常标注为1的涡轮增压的柴油发动机系统。

柴油发动机系统1包括具有进气歧管3和排气歧管4的发动机2，进气歧管3和排气歧管4中的每一个都包括数量上与发动机2的各个汽缸的数量相一致的多个流道(runner)。

进气歧管3位于进气管路30的端部，而排气歧管4位于排气管路40的开始。

进气管路30包括基本上在大气压力下吸入空气的入口31。在入口31下游，公知的涡轮增压器5位于进气管路30中，用于压缩气流并用于将气流提供给中间冷却器32。另外在下游，进气管路30包括进气节流阀33，该进气节流阀是可电控的，用于改变进气限制。

废气从发动机2的各个汽缸中排出到相应的多个流道，并且进入排气歧管4。

排气管路40引导来自排气歧管4的废气以驱动涡轮增压器5的涡轮，此后通过出口41进入大气。

在涡轮增压器5和排气端口41之间，排气管路40包括柴油氧化催化转换器6(DOC)，该柴油氧化催化转换器被设置用于降解发动机2内的燃料燃烧产生的以及包含在废气流中的残留碳氢化合物和碳氧化合物。

在柴油氧化催化转换器6的下游，柴油颗粒过滤器7(DPF)位于排气管路40中，用于在柴油颗粒到达排气端口41之前，从废气流中捕捉和去除柴油颗粒物质(烟灰)。

在排气歧管4和涡轮增压器5之间，存在废气再循环管路8，借助于该再循环管路8，一部分废气流被引导到节流阀33下游的进气管路30中，在此与新鲜的进气气流相混合，以建立摄入的汽缸充气气体混合。

再循环管路8设置有传统的气体冷却器80，并且具有废气再循环阀81(EGR)，该废气再循环阀是可电控的，用于改变阀的开口面积，因此一部分废气流被引导到进气管路30。

柴油发动机系统1必不可少的部分是控制系统，该控制系统包括传感装置，用于提供多个发动机运行参数的各个测量，以及基于控制器的微处理器9(ECM)，该基于控制器的微处理器包括计算机编码，用于将发动机运行参数测量应用于发动机控制程序。

根据本发明的方法，柴油发动机系统1被网格化为互连的子系统，建立如图2所示的系统模型100。

系统模型100包括进气歧管300、燃烧室200、排气歧管400、废气再循环设备800、涡轮增压设备500和柴油氧化催化转换器600的子系统模型。

各个子系统模型之间的互连由实线示出，并且相应于与子系统质量流量相关的模型参数的各种模型交互作用和互相依存。

与网格化的发动机系统100相应的具体子系统模型分别地呈现在3A至3F的各个附图中。

对于每个单个的子系统模型，相应的图沿模型块的左侧示出多个模型输入，并且沿模型块的顶侧示出多个模型输出。

模型输出提供至其它子系统模型的输入，这对于另外的描述以及参考附图而言将是显而易见的。

在没有提供特别规定的地方，模型使用的参数、常数和其它量将被考虑为存储在ECM内，或根据发动机控制程序由ECM确定。

进气歧管模型300在图3A中示出。有效的模型输入确定为进入进气歧管的质量流量，包括EGR流量

和新鲜空气摄入量

以及来自进气歧管的进入燃烧室的质量流量

在当前例子中，新鲜空气摄入量

是涡轮增压器升压的压缩机质量流量。下面的代数和微分模型方程描述进气歧管：

$\left(1\right)---\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}\left(P_{\mathrm{im}}\right)-{\stackrel{\·}{m}}_o(P_{\mathrm{im}},T_{\mathrm{im}})$

$\left(2\right)---\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{im}}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{\mathrm{im}}}{c_{v_{\mathrm{im}}}{V}_{\mathrm{im}}}[{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}{T}_{\mathrm{thr},\mathrm{down}}{c}_{p_{\mathrm{thr},\mathrm{down}}}+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}\left(P_{\mathrm{im}}\right)T_{\mathrm{egr},\mathrm{down}}{c}_{p_{\mathrm{egr},\mathrm{down}}}-{\stackrel{\·}{m}}_o(P_{\mathrm{im}},T_{\mathrm{im}})T_{\mathrm{im}}{c}_{p_{\mathrm{im}}}]$

$\left(3\right)---T_{\mathrm{im}}=\frac{P_{\mathrm{im}}{V}_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}{m}_{\mathrm{im}}}$

其中：m_im是进气歧管内预测的质量，

是通过节流阀的气流，

是通过EGR阀的质量流量，

是进入燃烧室的质量流量，

P_im是进气歧管内的预测压力，

R_im是进气歧管内的气体常数，

是在进气歧管内的定容比热，

V_im是进气歧管体积，

T_thr，down是节流阀下游的温度，

T_egr，down是EGR阀下游的温度，

是在EGR阀处的定压比热，

T_im是进气歧管内的预测温度，

是进气歧管内的定压比热，

是在节流阀处的定压比热。

方程(1)描述了进气歧管内质量守恒，方程(2)描述了进气歧管内能量守恒，并且方程(3)描述了理想气体定律。

当前假设节流阀动力学是受限的，并由此接近静态条件。因此，节流质量流量

在本发明中从传统质量气流传感器(MAF)34中获取，该质量气流传感器位于进气端口31和涡轮增压器5之间的进气管路30中，并且与ECM连接。相同的节流阀动力学假设允许将节流下游流体温度T_thr，down设置为中间冷却器出口温度，该出口温度可由ECM确定为中间冷却器32的多个运行参数的函数。

在本实施例中，表示EGR内的空气质量流量和EGR阀下游的温度的量

和T_egr，down由EGR设备模型800提供。表示进入汽缸的质量流量的量

由燃烧室模型200提供。

根据下面的代数和微分模型方程中描述的空气质量分数，进气歧管被更加具体地描述：

$\left(4\right)---\frac{{\mathrm{dm}}_{{\mathrm{im}}_{\mathrm{air}}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{thr}}+f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{em}}}\·{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}\left(P_{\mathrm{im}}\right)-f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{im}}}{\stackrel{\·}{m}}_o(P_{\mathrm{im}},T_{\mathrm{im}})$

$\left(5\right)---f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{im}}}=\frac{m_{{\mathrm{im}}_{\mathrm{air}}}}{m_{\mathrm{im}}}$

其中，是进气歧管内的空气质量预测，

是进气歧管内的空气分数预测，

是排气歧管内的空气分数预测。

方程(4)描述了进气歧管内的空气质量守恒，并且方程(5)描述了在进气歧管内预测的空气分数。

表示排气歧管内的空气分数预测的量

由排气歧管模型200提供。

燃烧室模型200在图3B中示出。燃烧室是泵抽(pumping)设备，用于通过其内产生的燃烧导致质量流量。有效的模型输入确定为喷射的燃料质量流量

燃烧室模型200也采用与进气歧管相关的热输入、与进气歧管和排气歧管相关联的压力以及描述进气和排气端口质量流量的燃烧正时。

下面的模型方程描述燃烧室：

$\left(6\right)---m_o=\frac{P_{\mathrm{im}}}{R_{\mathrm{im}}\·T_{\mathrm{im}}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{vol}}\frac{V_{\mathrm{eng}}}{N_{\mathrm{cyl}}}$

$\left(7\right)---{\stackrel{\·}{m}}_o=m_o\·\frac{N_{\mathrm{eng}}}{120/N_{\mathrm{cyl}}}$

$\left(8\right)---{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ex}}=({\stackrel{\·}{m}}_o-{\stackrel{\·}{m}}_f)\·(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{comb}})$

其中，m_o是通过进气阀进入汽缸的质量，

η_vol是汽缸的容积效率，

P_im是进气歧管内的预测压力，

T_im是进气歧管内的预测温度，

V_eng是发动机排量，

N_cyl是汽缸的数量，

N_eng是以rpm为单位的发动机速度，

是来自燃烧室的排气质量流量，

是喷射到燃烧室内的燃料质量流量，

t是时间，

τ_comb是是燃烧循环延迟。

燃料流量由ECM根据发动机控制程序而提供。容积效率η_vol由ECM使用以经验确定的数据集或图而确定，该数据集或图将容积效率与多个发动机运行参数相关联。

应注意，用于排气质量流量

的模型方程另外地说明在模型方程(8)中通过时间段(t-τ_comb)来表示的燃烧传送或循环延迟，其中该时间段由ECM提供。

排气歧管模型400在图3C中示出。主要的质量流量确定为从燃烧室进入排气歧管的质量流量

和离开排气歧管的包括EGR流量

和排放到大气的剩余质量流量的那些质量流量。在该例子中，排放到大气的剩余质量流量是用于驱动涡轮增压器的涡轮增压器涡轮质量流量

该模型也采用描述与排气歧管气体质量相关联的压力和温度的热输入。

下面的代数和微分模型方程描述排气歧管：

$\left(9\right)---\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{em}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ex}}-{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}-{\stackrel{\·}{m}}_t$

$\left(10\right)---\frac{{\mathrm{dP}}_{\mathrm{em}}}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{\mathrm{em}}}{c_{v_{\mathrm{em}}}{V}_{\mathrm{em}}}[{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ex}}{T}_{\mathrm{ex}}{c}_{p_{\mathrm{ex}}}-({\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}+{\stackrel{\·}{m}}_t)T_{\mathrm{em}}{c}_{p_{\mathrm{em}}}-Q_{\mathrm{em}}^{*}]$

$\left(11\right)---Q_{\mathrm{em}}^{*}=h_{\mathrm{tem}}{A}_{\mathrm{em}}(T_{\mathrm{em}}-T_{\mathrm{amb}})$

$\left(12\right)---T_{\mathrm{em}}=\frac{P_{\mathrm{em}}{V}_{\mathrm{em}}}{R_{\mathrm{em}}{m}_{\mathrm{em}}}$

其中，m_em是排气歧管内的质量预测，

是涡轮增压器涡轮质量流量，

是EGR内的空气质量流量，

是来自燃烧室的排气质量流量，

P_em是排气歧管内预测的压力，

R_em是排气歧管内的气体常数，

是排气歧管内的定容比热，

V_em是排气歧管容积，

是在排放端口处预测的温度，

T_em是排气歧管内预测的温度，

是在排放端口处的定压比热，

是在排气歧管内的定压比热，

是排放歧管热损失率，

h_tem是排气歧管的传热系数，

A_em是排气歧管的传热面积，

T_amb是环境温度，

T_ex是排气端口处的温度。

方程(10)描述了排气歧管内的空气质量守恒，方程(11)描述了排气歧管内的能量守恒，方程(12)描述了排气歧管热损失率，并且方程(13)描述了理想气体定律。

环境温度T_amb优选地由传统的温度传感设备提供，该温度传感设备适合于提供外部空气温度的测量，并且连接ECM。在本实施例中，表示来自排气歧管的EGR内的空气质量流量的量

由EGR设备模型800提供。表示涡轮增压器涡轮质量流量的量

由涡轮增压设备模型500提供。在排气端口处的温度T_ex优选地设置在发动机控制器内存储的数据集或图中，该数据集或图将排气端口处的温度与多个发动机运行参数相关联。

根据下面的模型方程中描述的废气质量分数，排气歧管被更加具体地描述：

$\left(13\right)---f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{em}}}=\frac{m_o\·f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{im}}}-{(A/F)}_{\mathrm{st}}\·m_f}{m_o+m_f}$

其中，

是排气歧管内的空气分数预测，

m_o是通过进气阀进入到燃烧室的质量，

是进气歧管内的空气分数预测，

(A/F)_st是空气对燃料的化学计量比，

m_f是喷射到燃烧室内的燃料质量。

空气对燃料的化学计量比(A/F)_st由ECM提供。喷射的燃料质量m_f由ECM根据发动机控制程序而提供。

EGR设备模型800在图3D中示出。EGR阀81是可控的限制性设备，用于影响质量流量，并且冷却器80是传热设备，用于从质量流量中去除热。在描述与EGR相关联的进入进气歧管的气体以及进入进气歧管内的EGR质量流量中，EGR设备模型800使用与进气歧管和排气歧管相关联的压力、与排气歧管气体相关联的热输入。下面的模型方程描述EGR和冷却器：

$\left(14\right)---{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}=C_d\·A_{\mathrm{egr}}\left(x_{\mathrm{egr}}\right)\·\frac{P_{\mathrm{em}}}{\sqrt{R_{\mathrm{egr},\mathrm{up}}{T}_{\mathrm{egr},\mathrm{up}}}}\·\mathrm{\φ}(\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{em}}},{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{egr},\mathrm{up}})$

$\left(15\right)---T_{\mathrm{egr},\mathrm{down}}=F_{\mathrm{egr}}(T_{\mathrm{egr},\mathrm{up}},\frac{P_{\mathrm{im}}}{P_{\mathrm{em}}})$

其中，

是通过EGR阀的质量流量，

C_d是EGR阀流量系数(discharge coefficient)，

A_egr是EGR阀几何打开面积，

x_egr是EGR阀的位置，

P_em是排气歧管内的预测压力，

P_em是该排气歧管内的预测压力，

R_egr，up是EGR阀上游的气体常数，

T_er，up是冷却器出口处或EGR阀上游的温度，

φ是可压缩流方程中的压力比效应，

γ_egr，up是EGR流上游的比热比，

T_egr，down是EGR阀下游的温度，

F_egr是模拟EGR下游的温度的函数。

函数F_egr在ECM中执行，而T_egr，up由ECM确定，作为发动机冷却剂温度、EGR冷却剂效率和排气歧管内的预测温度T_em的函数。EGR阀的位置x_egr由传感器测量，该传感器与ECM相关联。

涡轮增压器设备模型500在图3E中示出。涡轮增压器是泵抽设备，用于借助于废气强制质量流量作用于涡轮/压缩机结合，并且中间冷却器被认为是用于将热从质量流量中去除的传热设备。涡轮增压器29适合于根据公知的可变叶片几何形状或可变的喷嘴几何形状，为给定废气流提供可变的增加压力，其中该可变叶片几何形状或可变的喷嘴几何形状通常分别地称为可变几何形状涡轮增压器(VGT)和可变喷嘴涡轮增压器(VNT)。进一步参考与VNT和本发明的特定实施例相一致的涡轮增压器，该特定实施例采用了可变喷嘴涡轮增压器。其它升压技术可以用于实施本发明。下面的模型方程描述了涡轮增压器设备：

$\left(16\right)---{\stackrel{\·}{m}}_t=F_{\mathrm{turbflow}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{shaft}},\frac{P_{\mathrm{em}}}{P_{\mathrm{amb}}},{\mathrm{VNT}}_{\mathrm{pos}})$

其中，

是涡轮增压器涡轮质量流量，

F_turbflow是是模拟涡轮质量流量的三维图，

ω_shaft是涡轮增压器轴速度，

P_em是预测的排气歧管压力，

P_amb是环境压力，

VNT_pos是VNT阀位置。

环境压力P_amb由与ECM连接的气压传感器(BARO)提供。模拟涡轮质量流量的三维图F_turbflow优选地设置在发动机控制器内的已存储的数据集中，并且使用来自涡轮增压器的流量测试分支的以经验确定的数据进行构建。涡轮增压器轴速度ω_shaft和VNT阀位置VNT_pos通过与ECM相关联的相应传感器测量。

柴油氧化催化转换器模型600在图3F中示出。柴油氧化催化转换器模型600的特征在于进出催化转换器的有效质量流量。有效模型输入确定为排气歧管内的空气分数预测

以及来自燃烧室的未燃烧燃料质量流量，包括过后喷射的燃料质量流量

和在燃烧室中没有燃烧的一部分后喷射燃料质量流量

该模型也利用排放到大气的剩余物，在本例子中是经过涡轮增压器的涡轮的质量流量

下面的代数模型方程描述柴油氧化催化转换器模型600：

$\left(17\right)---f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{DPF}}}=f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{em}}}-\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{oxi}}}{{\stackrel{\·}{m}}_t}$

$\left(18\right)---{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{oxi}}=({\stackrel{\·}{m}}_P+{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ANotTorqFormDOC}})\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{DOC}}\·{(A/F)}_{\mathrm{st}}$

其中，

是DOC下游和DPF上游的空气分数预测，

是排气歧管内的空气分数预测，

是通过柴油氧化催化转换器中的氧化处理转化的碳氢化合物质量流量的预测，

是经过涡轮增压器的涡轮的质量流量，

是进入到燃烧室的过后喷射燃料质量流量，

是在燃烧室中没有燃烧且在DOC中被氧化的后喷射燃料质量流量部分，

(A/F)_st是空气对燃料化学计量比，

η_DOC是DOC效率。

使用方程(13)能够预测排气歧管内的空气分数

$f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{em}}}=\frac{m_o\·f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{im}}}-{(A/F)}_{\mathrm{st}}\·m_f}{m_o+m_f}$

该方程描述了排气歧管内的废气质量分数。

使用根据方程(16)的模拟涡轮质量流量的三维图F_turbflow，能够确定经过涡轮增压器的涡轮的质量流量

${\stackrel{\·}{m}}_t=F_{\mathrm{turbflow}}({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{shaft}},\frac{P_{\mathrm{em}}}{P_{\mathrm{amb}}},{\mathrm{VNT}}_{\mathrm{pos}}).$

替换地，使用方程(9)可以预测涡轮增压器涡轮质量流量

其中该方程描述了排气歧管内的空气质量守恒：

$\frac{{\mathrm{dm}}_{\mathrm{em}}}{\mathrm{dt}}={\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{ex}}-{\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{egr}}-{\stackrel{\·}{m}}_t$

其中假设排气歧管内的质量m_em能够以其它方式预测或测量。

空气对燃料化学计量比(A/F)_st由ECM提供。DOC效率η_DOC由ECM使用以经验确定的数据集或图来确定，该数据集或图使得DOC效率与多个发动机运行参数相关联。

过后喷射燃料质量流量

由ECM使用发动机控制器内的以经验确定的数据集或图来确定，该数据集或图使得过后喷射燃料质量流量与多个发动机运行参数相关联。

在燃烧室中没有燃烧的后喷射燃料质量流量部分由ECM根据发动机控制程序确定。

事实上，ECM通常设置有以经验确定数据集，该数据集使得在燃烧室中没有燃烧的后喷射燃料质量流量的百分数与多个发动机运行参数相关联。

DOC下游和DPF上游的氧气浓度可以简单地确定为空气质量分数的函数，在此方面根据下面的方程：

$\left(19\right)---{\left[O_2\right]}_{\mathrm{DPF}}=\frac{(M_{N_2}/M_{O_2})\·(0.233\·f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{DPF}}})}{1+(M_{N_2}/M_{O_2}-1)\·(0.233\·f_{{\mathrm{air}}_{\mathrm{DPF}}})}$

其中，[O₂]是氧气容积浓度，

M_N2是氮气分子量，

M_O2是氮气分子量。

实验测试已经证实根据方程(17)和(19)的预测方法使得能够容易且精确地预测DOC下游的氧气，即使在DPF再生处理期间，因为过后喷射燃料和后喷射燃料的“未燃烧”部分都被考虑。

DOC下游的氧气浓度在控制DPF内的温度梯度中是重要的参数，特别是在再生处理期间。

事实上，氧气的量影响在DPF内燃烧的颗粒(烟灰)的量。

因此，控制DOC下游的氧气量对于烟灰燃烧期间避免DPF内较高的温度梯度是有用的，特别是在再生处理的开始时，当DPF内的温度由于颗粒燃烧产生的热而快速增加时。

为此原因，本发明提供了一种用于柴油内燃机的控制系统，包括存储在ECM的永久性存储器内的计算机指令编码，用于根据方程(17)和(19)实施用于预测DOC下游的氧气浓度的方法，以及至少一个致动器，响应于柴油氧化催化转换器下游的所述预测的氧气浓度，该至少一个致动器由ECM控制。

更具体地，ECM将发动机运行参数以及所包括的所有其它量应用于计算机编码，用于预测DOC下游的氧气浓度，特别是在DPF再生处理期间，然后响应于该氧气预测控制该致动器。

优选地，致动器适合于调节影响柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的发动机运行参数，以使得在再生处理期间，控制系统能够控制烟灰颗粒在DPF内的燃烧。

例如，致动器可以是适合于调节进气质量流量的节流阀致动器，或适合于调节经过EGR阀的质量流量的EGR阀致动器。

替换地，这样的致动器可以适合于调节过后喷射的喷射开始或过后喷射的燃料量，或可以适合于调节后喷射的喷射开始或后喷射的燃料量。

根据本发明的控制系统已经被证实对于烟灰燃烧期间避免DPF内的高温梯度是有用的。

虽然相对于一些优选的实施例和特定应用描述了本发明，但是应理解，上文中提出的描述通过例子而被采用，并且不是限制。本领域技术人员将认识到对特定实施例的各种修改都在所附权利要求的范围内。因此，本发明打算不限于公开的实施例，而是本发明具有由所附权利要求的语言许可的全部范围。

Claims (15)

1.一种用于预测柴油发动机系统(1)内的柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的方法，所述柴油发动机系统至少包括：进气歧管(4)、燃烧室、排气歧管(3)、用于将废气从排气歧管(4)引导到大气的排气管路(40)、以及位于柴油颗粒过滤器(7)上游的所述排气管路(40)中的柴油氧化催化转换器(6)，所述方法包括：

-确定从所述燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量

-确定所述排气歧管(4)中的空气质量分数

-预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质量分数

所述空气质量分数是所述未燃烧燃料质量流量

和所述排气歧管(4)中的所述空气质量分数

的函数，

-预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度，所述氧气浓度是所述柴油氧化催化转换器(6)下游的预测的空气质量分数

的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述未燃烧燃料质量流量包括：确定在所述柴油颗粒过滤器(7)再生期间喷射到所述燃烧室的过后喷射燃料质量流量

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述过后喷射燃料质量流量

从以经验确定的数据集中确定，所述数据集使得所述过后喷射燃料质量流量

与多个发动机运行参数相关联。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定所述排气歧管内的所述未燃烧燃料质量流量包括：确定在所述柴油颗粒过滤器(7)再生期间，喷射到所述燃烧室内但在所述燃烧室内未燃烧的一部分后喷射燃料质量流量

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述未燃烧部分的后喷射燃料质量流量

从以经验确定的数据集中确定，所述数据集使得所述未燃烧部分的后喷射燃料质量流量

与多个发动机运行参数相关联。

6.根据权利要求1所述的方法，其中预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质量分数包括：预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中通过其中的所述未燃烧燃料质量流量

的氧化处理而转化的碳氢化合物质量流量

7.根据权利要求6所述的方法，其中预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中转化的所述碳氢化合物质量流量

包括：

-确定柴油氧化催化转换器效率(η_DOC)，

-确定空气对燃料的化学计量比，

-预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中转化的所述碳氢化合物质量流量

所述碳氢化合物质量流量是所述未燃烧燃料质量流量

所述柴油氧化催化转换器效率(η_DOC)和所述空气对燃料的化学计量比的函数。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述柴油氧化催化转换器效率(η_DOC)和所述空气对燃料的化学计量比从相应的以经验确定的数据集中确定，所述数据集使得所述柴油氧化催化转换器效率(η_DOC)和所述空气对燃料的化学计量比分别与多个发动机运行参数相关联。

9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述排气歧管(4)内的空气质量分数

包括：

-确定经过进气阀进入所述燃烧室的质量(m_o)，

-确定所述进气歧管(3)内的空气分数

-确定喷射到所述燃烧室的燃料质量(m_f)，

-确定空气对燃料的化学计量比，

-预测所述排气歧管(4)内的空气质量分数

所述空气质量分数

是经过所述进气阀进入所述燃烧室的所述确定的质量(m_o)、所述进气歧管(3)内的空气分数

喷射到所述燃烧室的燃料质量(m_f)以及所述空气对燃料的化学计量比的函数。

10.一种用于柴油发动机系统(1)的控制系统，所述柴油发动机系统至少包括：进气歧管(3)、燃烧室、排气歧管(4)、用于将废气从排气歧管(4)引导到大气的排气管路(40)、以及位于柴油颗粒过滤器(7)上游的所述排气管路(40)中的柴油氧化催化转换器(6)，所述控制系统包括：

-用于提供多个发动机运行参数的分别测量的装置，

-包括计算机编码的基于控制器(9)的微处理器，用于使用所述发动机运行参数测量值作为输入，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，

-响应于所述柴油氧化催化转换器(6)下游的所述预测的氧气浓度而受控的至少一个致动器。

11.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器包括用于调节影响所述柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的发动机运行参数的致动器。

12.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器包括节流阀(33)致动器。

13.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述内燃机还包括废气再循环设备(8，80，81)，所述废气再循环设备用于从所述排气歧管(4)到所述进气歧管(3)的废气的可变再循环，并且其中所述至少一个致动器包括废气再循环阀(81)致动器。

14.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器适合于调节过后喷射的喷射开始或过后喷射的燃料量。

15.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器适合于调节后喷射的喷射开始或后喷射的燃料量。

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