CN102063561A - 基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法，包括步骤：确定12工况点对应的功率矩阵；确定12工况点的运行时间矩阵；确定12工况点的可靠性风险系数矩阵；确定12工况点NOx综合权重系数矩阵；确定以各工况点的比排放量计算总的比排放量时的加权系数矩阵；确定怠速点NOx排放贡献值和12工况点NOx总排放目标值；建立发动机NOx排放设计值模型；根据NOx排放设计值模型中12工况点NOx比排放设计值调整柴油机燃烧参数以平衡柴油机排放与油耗。按照本方法NOx排放设计值模型中12工况点NOx比排放设计值调整柴油机燃烧参数后，柴油机实际工作中的常用工况区油耗显著改善，总排放满足法规要求。

Description

基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法

技术领域

本发明涉及重型电控柴油发动机油耗与排放，具体涉及一种基于氮氧化物(NOx)排放设计值模型的柴油机排放与油耗平衡方法。

背景技术

国家法规对重型车用柴油发动机排放要求越来越严，而油耗问题是用户关注的永恒话题，如何平衡柴油机排放及油耗是业内难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法，能平衡柴油机排放与油耗。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法，包括如下步骤：

(1)选定柴油机机型，设定发动机的外特性曲线及调速特性曲线，进而计算13工况点的转速和功率，得到除怠速点外的12工况点的功率矩阵；

(2)以一定的采样频率采集发动机的实际转速和功率，根据采样频率统计除怠速点外的12工况点的的运行时间，得到12工况点的运行时间矩阵；

(3)根据发动机各工况点的涡前排气温度及增压器转速设置除怠速点外的12工况点的可靠性风险系数，得到12工况点的可靠性风险系数矩阵；

(4)根据12工况点的功率矩阵、12工况点的运行时间矩阵、以及12工况点的可靠性风险系数矩阵确定12工况点氮氧化物综合权重系数矩阵；

(5)确定以各工况点的比排放量计算总的氮氧化物比排放量时各工况点的加权系数，进而确定各工况点的加权系数矩阵；

(6)确定怠速点氮氧化物排放贡献值和12工况点总氮氧化物排放目标值；

(7)根据氮氧化物综合权重系数矩阵、加权计算系数矩阵、12工况点总氮氧化物排放设计目标值建立发动机的氮氧化物排放设计值模型，该氮氧化物排放设计值模型包含12工况点氮氧化物的比排放设计值；

(8)调整柴油机的喷油正时、轨压、预喷油量、预喷时间、后喷油量、后喷时间、循环喷油量参数，直到柴油机12工况点的排放实际值等于所述氮氧化物排放设计值模型中12工况点氮氧化物的比排放设计值。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：

(9)对所述氮氧化物排放设计值模型进行线性插值，得到氮氧化物排放设计扩展模型，该氮氧化物排放设计扩展模型包含排放控制区内各工况点氮氧化物的比排放设计值。

由上可知，本发明基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法先通过确定发动机ESC各工况点的NOx综合权重系数，建立NOx排放设计值模型，然后按照该NOx排放设计值模型中12工况点氮氧化物的比排放设计值调整柴油机燃烧参数，最终实现柴油机的排放满足国家法规要求，同时实际工作过程中常用工况区能够获得良好的燃油经济性。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法的流程图。

图2为图1所述方法中确定12工况点的运行时间矩阵涉及的实车运行实测发动机运行工况图。

图3为图1所述方法中确定12工况点NOx综合权重系数矩阵的NOx权重系数示意图。

图4为图1所述方法得到的12工况NOx排放设计值模型示意图。

图5为图1所述方法得到的NOx排放设计扩展模型。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

在说明本发明基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法的具体步骤之前，先说明本方法的理论原理。

GB17691-2005排放法规中ESC排放中NOx计算式如下：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NOx}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{mass}}\×{\mathrm{WF}}_i}{\mathrm{\ΣP}{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}\≤5.0g/\left(\mathrm{kWh}\right)---\left(1\right)$

式中：

为总的NOx比排放量，应该满足ESC试验NOx限值5g/(kWh)，i为工况的序号，取值为1至13；WF_i为法规给定的第i工况的加权系数；P(n)_i为第i工况的功率，单位为kW；NOx_mass为NOx质量流量，由稀释排气中的NOx的平均浓度计算得到，单位为(g/h)。

以各工况点的比排放量计算总的NOx比排放量

的公式为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NOx}}=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{mass}}\×{\mathrm{WF}}_i}{\mathrm{\ΣP}{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}$

$=\frac{\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{mass}}}{P{\left(n\right)}_i}\×\mathrm{WFi}\×P{\left(n\right)}_i}{\mathrm{\ΣP}{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}$

$=\mathrm{\Σ}{\mathrm{BSNOx}}_i\×{\mathrm{WFr}}_i$

式中，

表示第i个工况点的NOx比排放量，

表示以各工况点的比排放量计算总的NOx比排放量时第i个工况点的加权系数。

由于第i工况的功率P(n)_i可以采集得到，而WF_i为定值，故第i个工况点的加权系数WFr_i可以计算得到。为了使13工况点总排放量满足ESC试验NOx限值5g/(kWh)，因此只需要对各个工况点的NOx比排放量BSNOx_i进行设计。

在加权计算结果满足ESC试验NOx限值5g/(kWh)的前提下，设计各个工况点的NOx比排放量BSNOx_i时，可以结合油耗的因素，使得各个工况点的NOx比排放量BSNOx_i既满足排放标准，又能满足用户对油耗的要求，实现经济性和排放的平衡。

得到最佳组合方式的13工况点的NOx比排放设计值后，根据该最佳组合方式的13工况点的NOx比排放设计值来调整柴油机燃烧参数(循环喷油量、喷油正时、轨压、预喷油量、预喷正时、后喷油量、后喷正时等)，可实现柴油机工作过程的排放与油耗平衡。

式(2)是某个工况点的油耗计算公式：

工况点油耗A＝p·t·ge    (2)

式中，A是该工况点的油耗，t为发动机在该工况点的运行时间，单位为h；p为该工况点的负荷即功率，单位为kW；ge是该工况的比油耗，单位为g/(kWh)。

由(2)式可知，在发动机的比油耗ge一定时，功率p与运行时间t的乘积越大，油耗A越高。即功率p和运行时间t是表征油耗权重的因子，而油耗与NOx直接相关，所以pt为表征NOx权重的因子，pt越大，NOx权重越高。

对于指定工况，降低NOx排放值会导致涡前排温和增压器转速上升，当NOx降低到一定程度时，会导致增压器转速和排温超过可靠性设计限值，增加发动机的零件失效风险。因此，在设定NOx排放设计值时应考虑该工况点的增压器转速和排温超过设计限值的风险，风险系数越大，NOx权重越高。

根据以上分析，得到指定工况点在某种特定运行工况下的NOx综合权重系数计算公式：

f_i＝p·t·r    (3)

式中：f_i为NOx权重系数，r为可靠性风险系数。

基于上述NOx排放值设计需考虑的因素，下面具体说明本方法。如图1，所述基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法包括如下步骤：

步骤S1，对以指定机型的柴油机，首先综合客户需求及产品特点设定发动机的外特性曲线和调速特性曲线，并根据发动机的外特性曲线及调速特性曲线依据法规GB17691-2005计算ESC13工况点的转速、功率，由转速及功率确定工况点，进而得到该发动机除怠速点外的12工况点所对应的功率矩阵，如下式所示：

$P=\left[\begin{array}{ccc}{p}_{a1}& p_{b1}& p_{c1}\\ p_{a2}& p_{b2}& p_{c2}\\ p_{a3}& p_{b3}& p_{c3}\\ p_{a4}& p_{b4}& p_{c4}\end{array}\right]$

其中，P为12工况点所对应的功率矩阵，p_a1、p_a2、p_a3、p_a4分别表示A转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的功率，p_b1、p_b2、p_b3、p_b4分别表示B转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的功率，p_c1、p_c2、p_c3、p_c4分别表示C转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的功率

步骤S2，使用测试工具以一定的采样频率采集所述柴油机发动机在实际工况下的转速、扭矩(负荷)，由转速及功率确定工况点，根据采样频率统计ESC12工况点(除怠速外)的的运行时间，进而确定该发动机除怠速点外的12工况点所对应的运行时间矩阵，如下式所示：

$T=\left[\begin{array}{ccc}{t}_{a1}& t_{b1}& t_{c1}\\ t_{a2}& t_{b2}& t_{c2}\\ t_{a3}& t_{b3}& t_{c3}\\ t_{a4}& t_{b4}& t_{c4}\end{array}\right]$

其中T表示运行时间矩阵，t_a1、t_a2、t_a3、t_a4表示A转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的运行时间，t_b1、t_b2、t_b3、t_b4表示B转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的运行时间，t_c1、t_c2、t_c3、t_c4表示C转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的运行时间。

其中，采样频率一般为1Hz。图2是实车运行实测的一种运行工况图，底面即由转速和负荷决定的发动机工况面，纵坐标即为该工况运行时间。

步骤S3，根据发动机ESC各工况点的涡前排气温度及增压器转速设置ESC12工况点(除怠速外)的可靠性风险系数，进而确定该发动机除怠速点外的12工况点的可靠性风险系数矩阵。

对于ESC试验工况点B及C转速的高负荷工况，如果NOx排放设计值过小会导致增压器转速与涡前排温超过可靠性设计限值，影响发动机的可靠性，故应适当加大这些点的NOx权重。

$R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{a1}& r_{b1}& r_{c1}\\ r_{a2}& r_{b2}& r_{c2}\\ r_{a3}& r_{b3}& r_{c3}\\ r_{a4}& r_{b4}& r_{c4}\end{array}\right]$

其中，R表示可靠性风险系数矩阵，r_a1、r_a2、r_a3、r_a4表示A转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的可靠性风险系数，r_b1、r_b2、r_b3、r_b4表示B转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的可靠性风险系数，r_c1、r_c2、r_c3、r_c4表示C转速100％负荷、75％负荷、50％负荷，25％负荷对应的可靠性风险系数。

一般r_c1最大，r_b1、r_a1次之，其余可取1。

步骤S4，步骤S1确定的对应12工况点的功率矩阵、步骤S2确定的12工况点的运行时间矩阵、以及步骤S3确定的12工况点的可靠性风险系数矩阵确定12工况点的NOx综合权重系数矩阵，如下式：

$f=\left[\begin{array}{ccc}{f}_{a1}& f_{b1}& f_{c1}\\ f_{a2}& f_{b2}& f_{c2}\\ f_{a3}& f_{b3}& f_{c3}\\ f_{a4}& f_{b4}& f_{c4}\end{array}\right]$

式中：f为NOx综合权重系数矩阵，f_a1＝p_a1×t_a1×r_a1，f_a2＝p_a2×t_a2×r_a2，f_a3＝p_a3×t_a3×r_a3，f_a4＝p_a4×t_a4×r_a4，表示A转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷对应的NOx综合权重系数；f_b1＝p_b1×t_b1×r_b1，f_b2＝p_b2×t_b2×r_b2，f_b3＝p_b3×t_b3×r_b3，f_b4＝p_b4×t_b4×r_b4，表示B转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷对应的NOx综合权重系数；f_c1＝p_c1×t_c1×r_c1，f_c2＝p_c2×t_c2×r_c2，f_c3＝p_c3×t_c3×r_c3，f_c4＝p_c4×t_c4×r_c4，表示C转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷对应的NOx综合权重系数。

根据上式，得到如图3所示的发动机NOx综合权重系数图。

步骤S5，计算以各工况点的比排放量计算总的NOx比排放量时各工况点的加权系数，进而确定各工况点的加权系数矩阵。

其中，各工况点的加权系数的计算公式为：

${\mathrm{WFr}}_i=\frac{P{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}{\mathrm{\ΣP}{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}$

其中，P(n)_i为第i工况的功率，可以采集得到，WF_i为法规给定的第i工况的加权系数，为定值，故以各工况点的比排放量BSNOx_i计算总的NOx比排放量

时各工况点的加权系数WFri可以计算得到，其加权系数矩阵如下式：

${\mathrm{WFr}}_i=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{WFr}}_{a1}& {\mathrm{WFr}}_{b1}& {\mathrm{WFr}}_{c1}\\ {\mathrm{WFr}}_{a2}& {\mathrm{WFr}}_{b2}& {\mathrm{WFr}}_{c2}\\ {\mathrm{WFr}}_{a3}& {\mathrm{WFr}}_{b3}& {\mathrm{WFr}}_{c3}\\ {\mathrm{WFr}}_{a4}& {\mathrm{WFr}}_{b4}& {\mathrm{WFr}}_{c4}\end{array}\right]$

步骤S6，确定怠速点的NOx排放贡献值Δ1及ESC12工况点(不包括怠速点)的总氮氧化物排放设计目标值。怠速工况点对排放的影响也不能忽略，由NOx排放计算公式(1)可以看出，怠速工况点在排放计算中对分子NOx排放有贡献，对分母加权功率无贡献。在怠速工况点NOx_massidle，由于负荷与排气流量都较低，但怠速工况点的权重系数0.15在13工况中为最高，所以怠速工况点的排放对最终计算值NOx已接近A25％等低负荷点，需要给怠速工况点NOx排放目标值赋值。

${\mathrm{BSNOx}}_{\mathrm{idle}}\×{\mathrm{WFr}}_{\mathrm{idle}}=\frac{{\mathrm{NOx}}_{\mathrm{massidle}}\×{\mathrm{WF}}_{\mathrm{idle}}}{\mathrm{\ΣP}{\left(n\right)}_i\×{\mathrm{WF}}_i}={\mathrm{\Δ}}_1---\left(6\right)$

从上式看出：给怠速点赋值设为Δ1，一般怠速点贡献Δ1取0.15g/(kWh)。

ESC12工况点(不包括怠速点)的总氮氧化物排放设计目标值可以根据发动机型号规定的NOx比排放限值及设计的余量Δ计算得到，满足以下公式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{NOx}}=\mathrm{\Δ}+{\mathrm{\Δ}}_1+\stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_1}---\left(7\right)$

例如，发动机型号为国III时，ESC NOx比排放限值为5g/(kWh)，如取设计余量Δ＝0.15g/(kWh)，则实际国III ESC NOx比排放的目标限值在4.85g/(kWh)(含怠速点贡献Δ1)，一般怠速点贡献Δ1取0.15g/(kWh)，则根据以上公式(7)，得到ESC12工况点(不包括怠速点)的总氮氧化物排放设计目标值

为4.7g/(kWh)。

再如，发动机型号为国IV时，ESC NOx排放限值

为3.5g/(kWh)，如取设计余量Δ＝0.15g/(kWh)，则国IV ESC NOx比排放的目标限值在3.35g/(kWh)(含怠速点贡献Δ1)，一般怠速点贡献Δ1取0.15，则根据以上公式(7)，得到ESC12工况点(不包括怠速点)的总氮氧化物排放设计目标值

为3.2g/(kWh)。

步骤S7，根据步骤S4确定的NOx综合权重系数矩阵、步骤S5确定的BSNOx加权计算系数矩阵，步骤S6确定的12工况点Nox总排放设计目标值建立发动机的NOx排放设计值模型(不考虑怠速点)，进而得到12工况点氮氧化物的比排放设计值。如图4为一种电控柴油发动机的ESC 12工况NOx排放设计值模型。

$k\left|(f_{a1},...f_{a4},f_{b1},...f_{b4},f_{c1},...f_{c4}){({\mathrm{WFr}}_{a1},...{\mathrm{WFr}}_{a4},{\mathrm{WFr}}_{b1},...{\mathrm{WFr}}_{b4},{\mathrm{WFr}}_{c1},...{\mathrm{WFr}}_{c4})}^T\right|=\stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_1}$

其中，NOx综合权重系数矩阵(f_a1，...f_a4，f_b1，...f_b4，f_c1，...f_c4)已经通过步骤S4得到，BSNOx加权计算系数矩阵(WF_ra1，...WFr_a4，WFr_b1，...WFr_b4，WFr_c1，...WFr_c4)已经通过步骤S5得到，12工况点NOx排放设计目标值

已经通过步骤S6得到，因此上式只有k为未知量，所以可以计算出常数k，进而可以确定发动机的NOx排放设计值模型如下：

$\mathrm{NOx}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{kf}}_{a1}& {\mathrm{kf}}_{b1}& {\mathrm{kf}}_{c1}\\ {\mathrm{kf}}_{a2}& {\mathrm{kf}}_{b2}& {\mathrm{kf}}_{c2}\\ {\mathrm{kf}}_{a3}& {\mathrm{kf}}_{b3}& {\mathrm{kf}}_{c3}\\ {\mathrm{kf}}_{a4}& {\mathrm{kf}}_{b4}& {\mathrm{kf}}_{c4}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{a1}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{b1}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{c1}}\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{a2}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{b2}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{c2}}\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{a3}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{b3}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{c3}}\\ \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{a4}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{b4}}& \stackrel{\‾}{{\mathrm{NOx}}_{c4}}\end{array}\right]$

式中：

表示A转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷工况对应的NOx排放设计值；

表示B转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷工况对应的NOx排放设计值，

表示C转速100％负荷，75％负荷，50％负荷，25％负荷工况对应的NOx排放设计值。

步骤S8，在排放试验台架上反复调整柴油机燃烧参数(循环喷油量、喷油正时、轨压、预喷油量、预喷正时、后喷油量和后喷正时)，直到各工况点的NOx实际比排放量等于步骤S7中NOx排放设计值模型的各工况点NOx比排放设计值，使NOx排放值既满足国家法规要求，又能在常用工况区获得良好的燃油经济性，实现柴油机排放与油耗的平衡。

由上可知，本发明基于NOx排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法首先通过确定发动机ESC各工况点NOx综合权重系数，建立NOx排放设计值模型，然后按照该NOx排放设计值模型中12工况点NOx比排放设计值调整柴油机燃烧参数，使柴油机排放能够满足国家法规要求，同时实际工作过程中又能在常用工况区获得好的燃油经济性，实现最终排放与经济性的平衡。

需要说明的是，由步骤S7确定的12工况点排放设计值在确保NOx比排放量按照公式(1)计算的结果满足设计值要求，可以根据实际进行微调。

另外，本方法还包括：

基于步骤S7建立的NOx排放设计值模型按照线性插值建立排放区的NOx排放设计扩展模型，得到整个排放控制区内各工况点的NOx比排放设计值(扩展后的整个排放控制区的NOx排放设计值称为发动机NOx排放设计扩展模型，如图5所示)。此时整个排放控制区内各工况点的NOx比排放设计值在排放试验台架上反复调整柴油机燃烧参数(循环喷油量、喷油正时、轨压、预喷油量、预喷正时、后喷油量、后喷正时)，使整个排放控制区内各工况点的NOx比排放量等于该NOx比排放设计值，能同时获得要求的燃油经济性，实现柴油机排放与油耗的平衡。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (2)

1.一种基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法，包括如下步骤：

(1)选定柴油机机型，设定发动机的外特性曲线及调速特性曲线，进而计算13工况点的转速和功率，得到除怠速点外的12工况点的功率矩阵；

(2)以一定的采样频率采集发动机的实际转速和功率，根据采样频率统计除怠速点外的12工况点的的运行时间，得到12工况点的运行时间矩阵；

(3)根据发动机各工况点的涡前排气温度及增压器转速设置除怠速点外的12工况点的可靠性风险系数，得到12工况点的可靠性风险系数矩阵；

(4)根据12工况点的功率矩阵、12工况点的运行时间矩阵、以及12工况点的可靠性风险系数矩阵确定12工况点氮氧化物综合权重系数矩阵；

(5)确定以各工况点的比排放量计算总的氮氧化物比排放量时各工况点的加权系数，进而确定各工况点的加权系数矩阵；

(6)确定怠速点氮氧化物排放贡献值和12工况点总氮氧化物排放目标值；

(7)根据氮氧化物综合权重系数矩阵、加权计算系数矩阵、12工况点总氮氧化物排放设计目标值建立发动机的氮氧化物排放设计值模型，该氮氧化物排放设计值模型包含12工况点氮氧化物的比排放设计值；

(8)调整柴油机的喷油正时、轨压、预喷油量、预喷时间、后喷油量、后喷时间、循环喷油量参数，直到柴油机12工况点的排放实际值等于所述氮氧化物排放设计值模型中12工况点氮氧化物的比排放设计值。

2.如权利要求1所述的基于氮氧化物排放设计值模型的柴油机排放油耗平衡方法，其特征在于，还包括：

(9)对所述氮氧化物排放设计值模型进行线性插值，得到氮氧化物排放设计扩展模型，该氮氧化物排放设计扩展模型包含排放控制区内各工况点氮氧化物的比排放设计值。

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