CN102102566B - 汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法和系统，该方法包括：获取喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的稳态排放量，将该排放量确定为基本值；确定转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率；分别依据预设修正因子对上述获取到的值进行修正；将修正后的上述值的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。本发明通过对影响排放的关键因素进行修正，以修正结果对查MAP表得到的基本值进行补偿，从而减小了瞬态循环中计算的NOx浓度与实际浓度之间的误差，进而为后续提高排放控制和OBD监测精度提供了基础。

Description

汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法和系统

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，更具体地说，涉及一种汽车发动机氮氧物（NOx）排放的瞬态补偿方法和系统。

背景技术

汽车发动机一般分为汽油机和柴油机两种，与汽油机相比，柴油机在动力性、经济性和可靠性方面都具有明显的优势。但也存在着一个比较严重的问题：氮氧化物和颗粒排放比较严重。随着排放标准的日趋严格，需要进一步减少氮氧化物和颗粒排放量，但是由于国产柴油机性能和油品问题，光靠机内净化措施已然显得力不从心，因此机外后处理技术应运而生。

在各种机外后处理技术中，选择性催化（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术是比较突出的一种，其通过在排气管中喷入一定浓度的尿素溶液，经热解（反应1）和水解（反应2）后产生的氨气和氮氧化物在催化转化器中发生还原反应（反应3～反应5），将氮氧化物转化为水蒸气和氮气。其中反应1～反应5的反应式如下：

(NH₂)²CO->NH₃+HNCO                                (1)

NH₃+HNCO->NH₃+CO₂                                (2)

4NO+4NH₃+O₂->4N₂+6H₂O                            (3)

2NH₃+NO+NO₂->2N₂+3H₂O                            (4)

6NO₂+8NH₃->7N₂+12H₂O                             (5)

SCR技术可以有效改善柴油机氮氧化物的排放，并对柴油含硫量不敏感。

SCR后处理系统中，SCR催化转化器是一个重要的组成部分，其耐久性决定了SCR后处理系统的性能，因此，在研发和试验过程中，SCR催化转化器耐久性的评测是一个必经的环节。

但是，在实施本发明创造过程中，发明人发现，现有技术至少存在以下问题：

在SCR系统中，尿素的喷射量需要根据发动机的原始排放进行计算，NOx原始排放是根据稳态MAP图（根据发动机转速与喷油量）用线性插值的方法计算出来的，稳态如欧洲稳态循环（European Steady Cycle，ESC）线性插值所得数据可以满足稳态工况下的NOx排放计算，但瞬态如欧洲瞬态循环（European transient cycle，ETC）根据MAP图估计的NOx排放与实测的NOx排放之间则存在较大的误差，如图1所示，图中横坐标为时间，纵坐标为NOx浓度值，曲线11指的是实测结果，曲线12指的是估计结果。这将影响排放控制和车载诊断系统（On-Board Diagnostics,OBD）监测，存在不足和隐患。

发明内容

本发明实施例提供了一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法和系统，以提高NOx排放估计的精确度。

本发明提供的技术方案如下：

一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法，包括：

获取喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，将该排放量确定为基本值；

确定转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率；

分别依据基本值对应的修正因子、转速变化率对应的修正因子、喷油量变化率对应的修正因子、进气量变化率对应的修正因子、喷油提前角变化率对应的修正因子、喷油压力变化率对应的修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率进行修正；

将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

优选的，所述方法中，所述基本值对应的修正因子k1为-1.0~1.0。

优选的，所述方法中，所述转速变化率对应的修正因子k2为-0.1~0.1。

优选的，所述方法中，所述喷油量变化率对应的修正因子k3为-10~10。

优选的，所述方法中，所述进气量变化率对应的修正因子k4为-0.1~0.1。

优选的，所述方法中，所述喷油提前角变化率对应的修正因子k5为-0.1~0.1。

优选的，所述方法中，所述喷油压力变化率对应的修正因子k6为-0.1~0.1。

一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿系统，包括：

信息获取单元，用于获取喷油量、发动机转速、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率；

基本值确定单元，依据所述喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，将该排放量确定为基本值；

修正单元，分别依据基本值对应的修正因子、转速变化率对应的修正因子、喷油量变化率对应的修正因子、进气量变化率对应的修正因子、喷油提前角变化率对应的修正因子、喷油压力变化率对应的修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率进行修正；

排放量计算单元，将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

优选的，上述系统中，所述基本值对应的修正因子k1为-1.0~1.0；所述转速变化率对应的修正因子k2为-0.1~0.1；所述喷油量变化率对应的修正因子k3为-10~10；所述进气量变化率对应的修正因子k4为-0.1~0.1；所述喷油提前角变化率对应的修正因子k5为-0.1~0.1；所述喷油压力变化率对应的修正因子k6为-0.1~0.1。

优选的，上述系统中，k1=0.9046，k2=0.0587，k3=8.1183，K4=0.01478，K5=0.02145，K6=0.01583。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本文提供的汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法，通过对影响排放的关键因素进行修正，以修正结果对查MAP表得到的基本值进行补偿，从而减小了瞬态循环中计算的NOx浓度与实际浓度之间的误差，进而为后续提高排放控制和OBD监测精度提供了基础。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为现有技术估计结果跟实测结果的对比图；

图2为本发明实施例提供的一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的另一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿系统的又一种结构示意图；

图5为本发明实施例在0-300s期间的NOx排放量估计结果示意图；

图6为本发明实施例在300s-600s期间的NOx排放量估计结果示意图；

图7为本发明实施例在300s-600s期间的NOx排放量估计结果示意图。

具体实施方式

下面首先对本文出现的一些英文缩写或技术术语做简单的解释：

SCR，Selective Catalytic Reduction，即选择性还原；

ESC，European Steady Cycle，即欧洲稳态循环，其试验的基本过程为：在规定顺序的工况期间，从经预热的发动机的原始排气中取样，连续检测排气排放物。试验循环包括13个不同转速和功率的工况，覆盖了柴油机的典型运转范围。在每个工况期间，测定每种气态污染物的浓度、排气流量和输出功率，并对测得值进行加权。在整个试验过程中，取出一份经处理的环境空气稀释的微粒样气，收集到滤纸上。按规定的方法计算每种污染物每kW·h排出的克数。

ETC，European transient cycle，即欧洲瞬态循环，其基本过程为：当经预热的发动机运行在规定的瞬态循环时(此运行接近于重型发动机的道路行驶模式)，检测稀释排气中的污染物。利用发动机测功机上的发动机扭矩和转速反馈信号，对循环时间内发动机的输出功进行积分求得功率。整个循环NO_X和HC的浓度，通过积分分析仪的信号求得。CO、CO2和NMHC(非甲烷碳氢化合物)的浓度，通过积分分析仪的信号或袋取样确定。在适当的滤纸上取得按比例的微粒样品。测定整个循环稀释排气的流量，计算出污染物的质量排放值。质量排放值与发动机的功相关联，求得每种污染物每/kW·h排出的克数。

OBD，On-Board Diagnostics，即车载诊断系统，起源于1982年美国加州大气资源局(California Air Resources Board,CARB)制定的一项用于监控排放系统的法规。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不以一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术所述，根据MAP图估计的NOx排放适合稳态循环，但应用于瞬态循环NOx排放估计时，估计的结果与实测的NOx排放之间存在较大的误差。

对此，本发明提供了一种解决方案，通过对影响排放的关键因素（如转速、喷油量和进气量等）进行修正，以修正结果对查MAP表得到的基本值进行补偿。

下面通过几个实施例详细说明：

实施例一

本实施例提供了一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法，其基本流程如图2所示，包括以下步骤：

步骤S21、获取喷油量、发动机转速、进气量、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率。

首先，获取发动机转速n、喷油量g、进气量m、phi为提前角，p为轨压；

然后，计算单位时间的n、g、m、phi、p，得到转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率分别如下：

$\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{dphi}}{\mathrm{dt}},\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}.$

步骤S22、根据喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，并确定为基本值。

根据喷油量和发动机转速查询稳态MAP图的具体方式属于现有技术，在此不进行赘述。

步骤S23、分别依据预设修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率进行修正。

具体的：

基本值对应的修正因子为k₁；

转速变化率对应的修正因子为k₂；

喷油量变化率对应的修正因子为k₃；

进气量变化率对应的修正因子为k₄；

喷油提前角变化率对应的修正因子为k₅；

喷油压力变化率对应的修正因子为k₆。

依据上述修正因子对基本值、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率进行修正，修正后得到的基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率分别如下：

$k_{1}f(n,g),k_2\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}},k_3\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}},k_4\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}},K_5\frac{\mathrm{dphi}}{\mathrm{dt}},K6\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}.$

步骤S24、将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

具体的，按照以下公式计算得到NOx浓度（即NOx排放浓度）：

$C_{\mathrm{NOx}}=K_{1}f(n,g)+K_2\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}+K_3\frac{\mathrm{dg}}{\mathrm{dt}}+K_4\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}}+K_5\frac{\mathrm{dphi}}{\mathrm{dt}}+K_6\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}.$

需要说明的是，上述各修正因子是经验值，具体可以根据实际情况进行调整，本文提供的实施例中：

k1的取值范围为-1.0~1.0，优选值为0.9046；

k2的取值范围为-0.1~0.1，优选值为0.0587；

k3的取值范围为-10~10，优选值为8.1183；

K4的取值范围为-0.1~0.1，优选值为0.01478；

K5的取值范围为-0.1~0.1，优选值为0.02145；

K6的取值范围为-0.1~0.1，优选值为0.01583。

本实施例通过对影响排放的关键因素进行修正，以修正结果对查MAP表得到的基本值进行补偿，从而减小了瞬态循环中计算的NOx浓度与实际浓度之间的误差，进而为后续提高排放控制和OBD监测精度提供了基础。

本发明还提供了一种实施上述方法的汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿系统，该系统的结构如图3所示，包括信息获取单元31、基本值确定单元32、修正单元33和排放量计算单元34，其中：

信息获取单元31，用于获取喷油量、发动机转速、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率；

基本值确定单元32，依据所述信息获取单元31获取的所述喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，将该排放量确定为基本值；

修正单元33，分别依据预设修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率进行修正；

排放量计算单元34，将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

具体工作过程可参照前文方法部分的内容，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。例如，本文所述方案可以通过加法器、乘法器这些器件实现，如图4所示。

又例如：本文所述瞬态补偿系统可以是一台计算机，所述信息获取单元31具体为键盘或者鼠标或者触摸屏，所述基本值确定单元32、修正单元33和原始排放量计算单元34可以是一块集补偿算法的处理芯片，于是，在用户通过键盘、鼠标或触摸屏输入喷油量、发动机转速、转速变化率、喷油量变化率和进气量变化率等信息后，这些信息会被提供至所述处理芯片。所述处理芯片根据其内置的补偿算法（参考前文公式1）得到最终氮氧物排放量。

另外，为了更方便、形象地把结果呈现，还可以进一步包括结果提供单元，该结果提供单元通过声音、图形、或者其他形式提供给用户。

请参考图5-图7，为实测结果、根据MAP估计结果及根据本发明提供的补偿算法后的结果的对比图，图5是0-300s期间的对比示意图，图6是300s-600s期间的对比示意图，图7是0-600s期间的对比示意图，图中：

曲线51、曲线61和曲线71是实测结果，曲线52、曲线62和曲线72是补偿算法后的结果，曲线53、曲线63和曲线73是MAP估计结果。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿方法，其特征在于，包括：

获取喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，将该排放量确定为基本值；

确定转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率；

分别依据基本值对应的修正因子、转速变化率对应的修正因子、喷油量变化率对应的修正因子、进气量变化率对应的修正因子、喷油提前角变化率对应的修正因子、喷油压力变化率对应的修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率进行修正；

将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

2.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述基本值对应的修正因子k1为-1.0~1.0。

3.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述转速变化率对应的修正因子k2为-0.1~0.1。

4.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述喷油量变化率对应的修正因子k3为-10~10。

5.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述进气量变化率对应的修正因子k4为-0.1~0.1。

6.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述喷油提前角变化率对应的修正因子k5为-0.1~0.1。

7.根据权利要求1所述的瞬态补偿方法，其特征在于，所述喷油压力变化率对应的修正因子k6为-0.1~0.1。

8.一种汽车发动机氮氧物排放的瞬态补偿系统，其特征在于，包括：

信息获取单元，用于获取喷油量、发动机转速、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率；

基本值确定单元，依据所述喷油量和发动机转速，查询稳态MAP图以获取氮氧物的排放量，将该排放量确定为基本值；

修正单元，分别依据基本值对应的修正因子、转速变化率对应的修正因子、喷油量变化率对应的修正因子、进气量变化率对应的修正因子、喷油提前角变化率对应的修正因子、喷油压力变化率对应的修正因子对所述基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率进行修正；

排放量计算单元，将修正后的基本值、转速变化率、喷油量变化率、进气量变化率、喷油提前角变化率、喷油压力变化率的和作为所述汽车发动机的氮氧物原始排放量。

9.根据权利要求8所述的瞬态补偿系统，其特征在于，所述基本值对应的修正因子k1为-1.0~1.0；所述转速变化率对应的修正因子k2为-0.1~0.1；所述喷油量变化率对应的修正因子k3为-10~10；所述进气量变化率对应的修正因子k4为-0.1~0.1；所述喷油提前角变化率对应的修正因子k5为-0.1~0.1；所述喷油压力变化率对应的修正因子k6为-0.1~0.1。

10.根据权利要求9所述的瞬态补偿系统，其特征在于，k1=0.9046，k2=0.0587，k3=8.1183，K4=0.01478，K5=0.02145，K6=0.01583。

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