CN102400753A - 预测排气温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种用来预测内燃发动机(10)的排气线路(30)内的排气温度的方法，其中所述排气线路被提供有包括加热器(65)的NOx传感器(60)，且其中所述方法包括确定指示被所述NOx传感器的加热器(65)所释放的热量的参数的值的步骤，以及将所述排气的温度的值作为确定的所述参数的值计算出的步骤。

Description

预测排气温度的方法

技术领域

本发明涉及一种预测排气温度的方法，所述排气在内燃发动机的排气线路中流动，所述内燃发动机通常是机动车的内燃发动机。该温度可被用来控制所述车辆的排气的成分，并特别地用来降低所述排气中的氮氧化物的数量。

背景技术

内燃发动机传统地配置有排气线路，以将排气从发动机引导至环境中，且配置有多个位于排气线路中的后处理设备，以降解所述排气和/或从所述排气中移除污染物质。

更特别地，柴油发动机的后处理设备通常包括用来将碳氢化物(HC)以及一氧化碳(CO)氧化成二氧化碳(CO₂)以及水(H₂O)的柴油氧化催化器(DOC)，以及沿排气线路位于DOC下游、用来从排气中移除颗粒状物质或排烟的柴油颗粒过滤器(DPF)。

为了降低NO_x排放，大多数柴油发动机还包括位于DPF下游的排气线路中的SCR催化器，以促进包含在排气中的氮氧化物(NO_x)的选择性催化还原(SCR)。

事实上，SCR催化器是一种催化器设备，在其中包含在排气中的氮氧化物(NO_x)在通常为氨气(NH₃)且被存储在所述催化器中的气态还原剂的帮助下，被转化成双原子氮(N₂)以及水(H₂O)。

氨气是由柴油机排气处理液(DEF)的热水解获得的，所述柴油机排气处理液通常为尿素(CH₄N₂O)，其被通过位于DEF以及SCR催化器之间的专用注入器注入排气线路中。

DEF注入器被发动机控制单元(ECU)控制，其管理被注入的DEF的量，以在SCR催化器中获得满意的NO_x转化率。

事实上，ECU通过一个控制步骤确定被注入的DEF的量，所述步骤通常需要确定在排气线路中流动的排气的许多物理参数，所述参数示例性地诸如SCR催化器上游的排气温度，SCR催化器下游的排气温度，SCR催化器上游的NO_x浓度，以及SCR催化器下游的NO_x浓度。

传统地，这些参数被连接至ECU的专用传感器装置测得，所述传感器包括位于DPF和SCR催化器之间的排气线路中的第一温度传感器，位于SCR催化器下游的排气线路中的第二温度传感器，位于DPF和SCR催化器之间的排气线路中的第一NO_x传感器，以及位于SCR催化器下游的排气线路中的第二NO_x传感器。

该解决方案的一个缺点是这么多传感器的使用使得排气线路的结构复杂化，且增加了其成本。

考虑到上述问题，本发明的实施例的目标是降低内燃发动机中的传感器的数量，以由此解决，或至少积极地减少上述的缺点。

另一个相关的目标是降低SCR催化器的控制过程，以及任何其他需要确定排气的温度以及NO_x含量的过程中所涉及的传感器的数量。

发明内容

通过在本发明主要方面陈述的本发明的实施例的特征来实现这些和/或其他目的。本发明其它方面陈述了本发明的所述实施例的优选和/或特别具有优势的特征。

一实施例提供了一种预测内燃发动机的排气线路中的排气的温度的设备，其中所述排气线路装备有包括加热器的NO_x传感器。所述设备包括用来确定指示由NO_x传感器的加热器释放的热量的参数的值的装置，以及用来计算作为该参数的确定的值的函数的排气的温度的值的装置。

另一个实施例提供了一种用来预测内燃发动机的排气线路中的排气的温度的方法，其中所述排气线路装备有包括加热器的NO_x传感器。此为在上述的设备的运行时可实施的方法，且其包括以下步骤：

-确定指示由NO_x传感器的加热器释放的热量的参数的值，和

-计算作为该参数的确定的值的函数的排气的温度的值。

这些实施例基于以下的考量。

大多数NO_x传感器包括传感元件，其仅在被加热至目标运行温度(约800℃)，且所述运行温度保持不变时，能够确保准确且平稳的输出信号。

传感元件被流经排气线路的排气部分地加热，但所述排气的温度，特别是柴油发动机中的排气的温度，总体地是不足以将传感元件的温度提升至目标运行温度的。

此外，排气的温度通常会发生强烈的波动，这不允许将该传感元件的运行温度保持不变。

出于这些原因，这些NO_x传感器还包括专用的加热器(电阻器)，其将传感元件加热，以弥补不足的排气温度，且解决排气温度波动的问题。

该加热器提供有脉冲宽度调制(PWM)电信号，其幅度取决于由连接至加热器的电池产生的电压。

加热器被ECU控制，其使用来自NO_x传感器的反馈数据来确定传感元件的目标运行温度和实际温度之间的差异，并随后控制FWM电信号的负载循环(duty cycle)，以使得加热器产生足以补偿确定的差异并将传感器元件保持于目标运行温度的热量。

由于该热量的量通常取决于已被排气实现的加热，在靠近NO_x传感器的区域内，使用代表由NO_x传感器的加热器所释放的热量的参数来可靠地确定排气温度是可行的。

排气温度可随后被用来控制发动机的运行，特别是控制进入如上所述的排气线路中、诸如氨气的气态还原剂的注入，以降低排气中的氮氧化物的数量。在后一种状况中，氨气注入可在不使用上述的专用温度传感器的情况下实施。

上述的实施例允许使用单个设备，即NO_x传感器，来确定排气中的NO_x含量以及温度两者，由此简化了排气线路的构造，并降低了其制造成本。

根据本发明的一个方面，上述的参数可为提供至NO_x传感器的加热器的电功率。

事实上，提供至加热器的电功率和同一个加热器所释放的热量严格地相关，且其也具有为控制NO_x的ECU直接可用的优势。

根据本发明的另一个方面，提供至NO_x传感器的加热器的电功率的值可根据下列公式计算出：

$P_{\mathrm{el}}=\mathrm{dc}\·\frac{{V_{\mathrm{batt}}}^2}{R_H}$

其中

P_el是提供至NO_x传感器的加热器的电功率的值，

V_batt是由连接至NO_x传感器的加热器的电池所提供的电压的值，

dc是由该电池装置产生、且被提供至NO_x传感器的加热器的PWM电信号的加载循环，而

R_H是NO_x传感器的加热器的电阻的值。

上述的值总体地为控制NO_x传感器的ECU可用，其因此优势地能够以非常简单的方法计算出提供至加热器的电功率。

根据本发明的又一方面，排气温度的值可使用下列公式计算出：

T_exh＝T_s-R_s·P_el

其中

T_exh是排气温度的值

P_el是提供至NO_x传感器的加热器的电功率的值，

T_s是NO_x传感器的目标运行温度的值，且

R_s是将提供的电功率和NO_x传感器的温度进行关联的转换参数：其大致地为等价的热电阻。

该解决方法的优势是以低计算成本计算排气温度。

根据该解决方案，转换参数R_s的值可基于排气线路中的排气流速的值被确定。

事实上，排气的流速越高，排气冷却NO_x传感器的传感元件的能力就越高，且为了实现排气的相同温度而提供至加热器的电功率就越高。

因此，将转换参数R_s的值作为排气流速的值的函数确定时，计算排气路线的更可靠的的值是优势地可行的。

根据本发明的另一方面，该方法包括对排气温度的计算值进行动态校正。

动态校正被总体地定义为适于用来消除，或至少积极地降低测量系统总体地产生的动态误差的数学化校正步骤。

测量系统的动态误差是测量系统的输入和输出之间的系统化差异，其由测量系统对输入的变动的反应所造成的时滞引起。

在当前情形中，动态校正优势地允许对由排气加热NO_x传感器的传感元件时的时滞所造成的动态误差进行补救，所述时滞是由于传感元件的热容所造成的。

事实上，排气的变动总体地被具有一定时滞的NO_x传感器感知，所述时滞是由于穿过传感器壁的传热函数造成的。

用于实施该方法的设备可为控制内燃发动机的运行的电子控制单元。该设备包括确定装置以及计算装置，所述计算装置可能是微处理器，其和随机存取存储器(RAM)以及计算机可读介质一起工作，所述介质特别地是闪存，以用来存储计算机程序，所述电子构件可被整合成单个单元，诸如微处理器，或所谓的“片上系统”(SoC)。

在制造出该设备的硬件后，诸如，ECU，计算机程序将被从外部计算机传输至其中，该工作通常由编程机器人完成。外部计算机可从CD或DVD读取计算机程序，并将所述数据传输至所述装置，该过程通常被称作系统内编程。至所述系统的数据转移可通过线缆或，当所述装置具有相关的接收机时，通过被调制以承载代表计算机程序的数据字节的电磁波，以无线的方式实现。

该设备在收纳内燃发动机的相关的车辆启动时被打开。在运行中，计算机程序被读入RAM中，且微处理器执行由计算机程序的机器编码给出的指令。作为结果，设备执行上述的方法的所有步骤，其中所述方法的每一个步骤都对应着由所述计算机程序的相关的机器编码给出的指令的顺序。

附图说明

将通过示例的方式，参照附图，对本发明进行描述。

图1是内燃发动机的示意图。

图2示意性地示出了传统NO_x传感器的纵向剖面。

图3是用来根据本发明的实施例预测排气温度的方法的流程图。

图4示出了具有内燃发动机的车辆。

附图标记

10    内燃发动机

20    进气线路

30    排气线路

31    DOC

32    DPF

33    SCR催化器

34    DEF注入器

35    混合器

36    消音器

50    ECU

51    数据载体

60    NO_x传感器

61    支撑体部

62    传感元件

63    盖

64    孔

65    加热器

66    电线

67    电线

68    绝缘材料

70    电池

100   第一计算模块

101   第二计算模块

102   第三计算模块

103   校正模块

200   机动车

210   内燃发动机

220   电子控制单元

230   数据线

240   微处理器

245   随机存取存储器

250   计算机可读介质

260   编程机器人

270   天线

280   电磁波

285   天线

290    计算机可读介质

292    确定指示由NO_x传感器的加热器释放的热量的参数的值的装置

294    计算排气温度的值的装置，所述值为确定的参数的值的函数

dc     PWM信号的加载循环

V_batt  由电池提供的电压的值

R_H     加热器的电阻的值

P_el    提供至加热器的电功率的值

T_s     目标运行温度的值

R_s     将提供的电功率和温度相关联的转换参数的值

FR_exh  排气线路流速的值

T_exh   排气温度的值

T_exh ^*  排气温度的校正值

具体实施方式

图4示出了机动车200，其包括内燃发动机210以及电子控制单元(ECU)220。ECU220经由数据线230控制所述内燃发动机210的运行。ECU包括微处理器240，随机存取存储器245以及用来存储计算机程序的计算机可读取介质250。计算机程序被存储在计算机可读取介质290，CD或DVD上，其被以众所周知的方式输入至具有天线270的编程机器人260中。编程机器人260随后经由电磁波280将该计算机程序传输至ECU 220，所述电磁波作为被调制以承载计算机程序的数据字节的载体。ECU 220包括由天线285指示的接收单元。

现在回到图1，参照机动车的内燃发动机10对本发明的实施例进行描述，所述内燃发动机在本示例中为柴油发动机。

内燃发动机10装备有用来将新鲜空气提供至发动机气缸的进气线路20，用来将排气从发动机气缸排放至环境中的排气线路30，以及位于排气线路30中的多个后处理设备，以降解所述排气和/从所述排气中移除污染物质。

更详尽地，排气线路装备有柴油氧化催化器(DOC)31，以将碳氢化合物(HC)以及一氧化碳(CO)氧化成二氧化碳(CO₂)和水(H₂O)；柴油颗粒过滤器(DPF)32，其位于DOC31的下游，以从所述排气中移除柴油颗粒状物质或排烟；以及SCR催化器33，其位于DPF32下游，以促进将排气中包含的氮氧化物(NOx)还原成双原子氮(N₂)以及水(H₂O)的选择性催化还原(SCR)。

SCR催化器33和DEF注入器34相关联，所述注入器位于DPF 32和SCR催化器33之间的排气线路30中，以在排气气流中注入通常为尿素(CH₄N₂O)的柴油机排气处理液(DEF)。

由于发生在排气线路30内的热水解反应，DEF被转换成通常为氨气(NH₃)的气态还原剂，其被存储在SCR催化器33内，以促进NO_x转换反应。

混合器35位于DEF注射器23和SCR还原器33之间的排气线路中，以改进排气内DEF的混合，而传统的消声器36位于SCR还原器33的下游。

内燃发动机10还装备有发动机控制单元(ECU)50，其被总体地用来通过存储在数据载体51中的专用计算机程序控制发动机10以及后处理设备31-33的运行。

示例性地，ECU 50被配置为用来控制进入排气线路30中的DEF的注入。

为了控制DEF的注入，ECU 50被连接至两个NO_x传感器60，这包括位于DPF 32和SCR催化器33之间的排气线路中的第一NO_x传感器60以及位于SCR催化器33下游的排气线路中的第二NO_x传感器60。

这些NO_x传感器60主要是被各自用来在SCR催化器30的上游和下游测量流入排气线路30中的排气中的氮氧化物(NO_x)的浓度。

如图2所示，每一个NO_x传感器60都包括支撑体部61以及连接至该支撑体部61的传感元件62(用来测量NO_x浓度)。

支撑体部61被螺丝拧入排气线路30的处理过的孔中，这样所述传感元件62的一部分凸起进入排气线路30中，并由此被直接地曝露于排气气流中。

传感元件62的该凸起部分被罩63所保护，所述罩被固定至支撑体部61且设置有多个允许排气到达传感元件62的孔64。

如前文所述，传感元件62仅在其被加热至目标运行温度(约800℃)，且所述运行温度在NO_x传感器60的运行中保持不变时，确保准确且稳定的输出信号。出于这一原因，NO_x传感器60还包括专用电加热器65，其被用来加热传感元件62。

更详尽地，加热器65是电阻器，其被提供有脉冲宽度调制(PWM)电信号，且被用来将所述PWM电信号转换成相应数量的热量。

PWM电信号的幅度取决于由经由ECU 50连接至NO_x传感器的电池70所提供的电压。

在另一方面，PWM电信号的加载循环被ECU 50合适地控制。

更准确地，ECU 50被配置为使用来自NO_x传感器60的数据来确定传感元件62的目标运行温度和实际温度之间的差异；确定用于补偿该差异并将传感元件62保持在目标运行温度所需的热量的量；且将PWM电信号的加载循环作为确定的、被提供的热量的数量的函数进行调整。

传感元件62和加热器65被经由相应的电线连接至ECU 50，所述电线被绝缘材料68隔开。

为了控制DEF的注入，ECU 50总体地需要两个温度数据，即，在DPF32和SCR催化器33之间的排气线路内的排气的温度，以及在SCR催化器33的下游的排气线路内的排气的温度。

根据本发明的当前实施例，所述温度被ECU 50使用上述的NO_x传感器60所预测出。

更准确地，每一个NO_x传感器60都被ECU 50用来预测在和传感元件62接近的排气线路30的区域内的排气的温度，这是根据图3中示出的步骤完成的。

该步骤基于NO_x传感器60的传感元件62被流经排气线路30的排气部分地加热这一考量，此时由加热器65提供的热量的数量仅用来补充对传感元件62的加热，以将其温度提升至目标运行温度。

由于ECU 50被配置为保持运行温度不变，由此在NO_x传感器60的运行中由加热器65提供的热量的量大约和排气温度成反比。

因此，通过确定由加热器65提供的热量的量这一方法，来预测传感元件62附近的排气的温度是可行的。

根据这一考量，图3中示出的预测方法首先确定指示由NO_x传感器60的加热器65所释放的热量的参数的值，在此例中，其为由ECU 50提供至加热器65的电功率P_el的值。

特别地，该值P_el被第一计算模块100根据下列公式计算出：

$P_{\mathrm{el}}=\mathrm{dc}\·\frac{{V_{\mathrm{batt}}}^2}{R_H}$

其中

dc是提供至NO_x传感器60的加热器65的FWM电信号的加载循环，

V_batt是由连接至NO_x传感器60的加热器65的电池70所提供的电压的值，且

R_H是NO_x传感器的加热器65的电阻的值。

如上文所解释的，PWM电信号的加载循环dc被ECU 50所确定，且其被根据下列公式传统地定义：

$\mathrm{dc}=\frac{t}{\mathrm{\τ}}$

其中

τ是PWM电信号的周期，且

t是周期中PWM电信号的幅度最大的周期部分。

由电池70所提供的电压的值V_batt为ECU 50直接地可用。

加热器65的电阻R_H的值是常数，其可被实验性地确定，且被存储在和ECU 50相关的数据载体51中。

计算出的值P_el随后被传输至第二计算模块101，其根据下列公式计算出排气温度的值T_exh：

T_exh＝T_s-R_s·P_el

其中

T_s是NO_x传感器60的传感元件62的目标运行温度的值，且

R_s是转换参数，其将供给的电功率和NO_x传感器60的传感元件62的温度相关联。

目标运行温度的值T_s是存储在和ECU 50相关的数据存储器51中的常数。

如前文中所解释的，转换参数R_s的值总体地取决于排气线路30中的排气流速。

因此，值R_s被第三计算模块102所确定，所述模块将值R_s作为排气流速FR_exh的值的函数计算出。

排气流速的值FR_exh可基于发动机速度以及其他发动机运行参数，被ECU 50传统地确定。

尽管此处公开的预测方法中使用了三个计算模块100、101以及102，任意一个所述计算模块都可最终被存储在数据载体51中的预先确定的图所取代。

计算出的值T_exh最终被传输至校正模块103，所述模块对计算出的值T_exh进行动态校正，以获得排气温度的校正后的值T_exh ^*，其被视作预测的最终值。

动态校正被用来补偿由于排气加热NO_x传感器60的传感元件62的时滞所造成的动态误差，所述时滞是由传感元件60的热容所造成的。

更详细地，动态校正可通过对计算出的值T_exh使用预期过滤器来进行，所述过滤器示例性地为零极点过滤器。

事实上，零极点预期过滤器可被表达成以下的等式：

$H=\frac{1+\frac{s}{T}}{1+\frac{s}{T_0}}$

其中，

s是表达成拉普拉斯变换形式的独立变量

T是所述过滤器的“零值”的脉冲，

T₀是所述过滤器的“极点”的脉冲，且

T＜T₀。

考虑到以上的描述，可容易地推导出用来确定指示由NO_x传感器60的加热器65所释放的热量的参数的值的装置292，以及用来将排气的温度的值作为该参数的确定的值的函数进行计算的装置294，可被选为处理器240，其和随机存取存储器245以及计算机可读介质250一起工作。

如上所述，本发明的另一个方面涉及计算机程序，通过该程序上述方法可被实施。该计算机程序包括用来实施该方法的所有步骤的程序编码，其被存储在和ECU 50相关的数据载体51中。

通过这样的方式，当ECU 50执行计算机程序时，上述的方法的所有步骤被执行。

尽管已在此前的概述以及详细的描述中公开了至少一个示例性实施例，应被理解的是存在有大量的变换。应被理解的是一个或多个示例性实施例仅为示例，而不意图以任何方式限定范围、用途或配置。实际上，前述的概述以及详细的描述将为本领域技术人员提供方便的路线图，以实施至少一个示例性实施例，被理解的是在示例性实施例中描述的元件的功能以及布置可产生多种变换，而不背离在所附的权利要求书及其法律意义上的等同物中设定的范围。

Claims (10)

1.一种用来预测内燃发动机(10)的排气线路(30)内的排气温度的方法，其中所述排气线路(30)被提供有包括加热器(65)的NOx传感器(60)，且其中所述方法包括以下步骤

-确定指示由所述NOx传感器(60)的加热器(65)所释放的热量的参数的值，以及

-将所述排气的温度的值作为该参数的确定的值的函数计算出。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述参数为提供至所述所述NOx传感器(60)的加热器(65)的电功率。

3.如权利要求2所述的方法，其中提供至所述NOx传感器(60)的加热器(65)的所述电功率的值被根据下列公式计算出：

$P_{\mathrm{el}}=\mathrm{dc}\·\frac{{V_{\mathrm{batt}}}^2}{R_H}$

其中

P_el是提供至所述NO_x传感器(60)的加热器(65)的电功率的值

V_batt是由连接至所述NO_x传感器(60)的加热器(65)的电池(70)所提供的电压的值，

dc是由所述电池装置(70)产生且被提供至所述NO_x传感器(60)的加热器(65)的PWM电信号的加载循环，且

R_H是所述NO_x传感器(60)的加热器(65)的电阻的值。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述排气温度的值被根据下列公式计算出：

T_exh＝T_s-R_s·P_el

其中

T_exh是所述排气温度的值

P_el是提供至所述NO_x传感器(60)的加热器(65)的电功率的值，

T_s是所述NO_x传感器(60)的目标运行温度的值，而

R_s是将所述提供的电功率和所述NO_x传感器(60)的温度进行关联的转换参数。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述转换参数的值R_s被基于所述排气线路(30)中的排气流速的值所确定。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其包括对所述排气温度的计算值进行动态校正的步骤。

7.一种计算机程序，其由电子控制单元(220)执行，且被用来控制机动车(200)的内燃发动机(1)的运行，其包括用来实施如前述任意一项权利要求所述的方法的计算机编码。

8.一种计算机可读介质，其中存储有如权利要求7所述的计算机程序。

9.一种用来预测内燃发动机(10)的排气线路(30)中的排气的温度的设备，其中所述排气线路(3)被提供有包括加热器(65)的NO_x传感器(60)，且其中所述设备包括：

-用来确定指示由所述NO_x传感器(60)的加热器(65)所释放的热量的参数的值的装置(292)，和

-用来将所述排气温度的值作为该参数的确定的值的函数进行计算的装置(292)。

10.一种电磁信号，其被调制为代表了如权利要求7所述的计算机程序的数据字节的序列的载体。

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