CN102435440A - 一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法 - Google Patents

Abstract

一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法，利用柴油机进气总管的温度传感器和压力传感器，通过建立EGR率计算模型，仅在柴油机排气管上任意位置安装一个氧浓度传感器来实现。本发明的优点是：通过一种基于模型的计算方法，仅在排气管上安装一个氧浓度传感器来测试EGR率，降低了柴油机成本，提高了可靠性；同时，将EGR率参数实时反馈给电子控制单元，实现了柴油机燃烧的精确控制，有利于降低排放和提高热效率。

Description

一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法

技术领域

本发明涉及柴油机测试技术，特别是一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法。

背景技术

随着国内外排放法规日益严格，废气再循环(EGR)技术在柴油机领域得到了广泛运用。利用废气本身比热较大的特点，冷却后通入进气能推迟着火始点，为混合赢得时间；另外废气导入气缸必然导致缸内氧浓度的下降，抑制化学反应速度，降低缸内平均燃烧温度，对氮氧化物(NO_x)的降低有极大的帮助；除此之外，废气本身对进气有稀释作用，进一步抑制燃烧反应速率。

在传统柴油机稳态工况，废气再循环率率(EGR率)的定义，即进入柴油机进气管的废气质量(或者废气体积)与进入气缸的总气体质量(或者总体积)的比值。

由上述定义，EGR率一般采用双氧传感器或者双二氧化碳传感器测量并计算得到。双氧传感器测试EGR率的方法，即在柴油机进、排气管上各安装一个氧浓度传感器，实时得到进排气氧浓度。双二氧化碳测试EGR率的方法，即在柴油机进、排气管上各安装一个二氧化碳浓度传感器，实时得到进排气二氧化碳浓度。

上述EGR率的测试方法均需要在进排气各装一个传感器。若能减少一个氧传感器或者二氧化碳传感器就能测试出EGR率，能降低柴油机的成本，提高其可靠性。同时，EGR率作为柴油机一个重要控制参数，对柴油机燃烧状态的精确控制起了重大作用，将其反馈到电子控制单元实时保证对柴油机进气氧浓度的精确控制是实现低排放和高热效率的关键。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种使用单氧传感器测试EGR率的方法，该方法工艺简单、易于实施、成本低、可靠性高，将之实时反馈给柴油机原配电子控制单元，判断柴油机所处状态，通过读取电子控制单元早已存储的MAP数据，实现对柴油机燃烧的精确控制。

本发明的技术方案：

一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法，利用柴油机进气总管的温度传感器和压力传感器，通过建立EGR率计算模型，仅在柴油机排气管上任意位置安装一个氧浓度传感器来实现。

所述EGR率计算模型，通过柴油机无EGR率和有EGR率的两种状态联立求解计算EGR率，具体计算步骤如下：

1)根据进排气系统之间的质量守恒关系，由燃烧化学方程式：

(m，n由柴油生产企业油品测试报告给出)和排气管上氧浓度传感器测得氧浓度为[O₂]_-1，建立柴油机无EGR时进排气系统之间的质量守恒关系

$\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28+\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×18=m_{\mathrm{ex}},$ 同时确定排气各成分质量以及摩尔质量M_ex1，即

$\frac{\frac{44a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{9a_{1}n}{m+\frac{n}{4}}+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{a_{1}n}{2(m+\frac{n}{4})}+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}1},$ 联立求解出无EGR时每循环废气量m_ex和每循环燃油量m_fuel＝m_ex-m_in1；其中，

P_in1为进气总管测得压力；V_in1为进气总管体积，可以事先测量得到；T_in1为测得进气总管温度；R为气体常数；μ为空气摩尔数，此处取29g/mol；每循环消耗氧气摩尔数a₂。

2)由燃烧化学方程式：

和排气管上氧浓度传感器测得的氧浓度[O₂]_-2，建立柴油机有EGR时进排气系统之间的质量守恒关系 $\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.79\×28+(\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×18)(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})=m_{\mathrm{ex}},$

同时确定排气各成分质量以及摩尔质量

$\frac{\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{m+\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}2},$ 联立求解出有EGR时每循环进气量m_in2；其中，每循环消耗氧气摩尔数a₂

3)通过公式计算EGR率：

其中，m_in1为无EGR时每循环进气量；m_ex为每循环废气量；m_fuel为每循环燃油量；

$A=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1};$ $B=m_1-\frac{n_1}{M_{\mathrm{ex}2}};$ $m_1=\frac{m_{\mathrm{ex}}-\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)};$

$n_1=\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)}.$

本发明的优点是：通过一种基于模型的计算方法，仅在排气管上安装一个氧浓度传感器来测试EGR率，降低了柴油机成本，提高了可靠性；同时，将EGR率参数实时反馈给电子控制单元，实现了柴油机燃烧的精确控制，有利于降低排放和提高热效率。

附图说明

图1为氧浓度传感器在柴油机气路安装示意图。

图中：1.进气总管温度传感器    2.进气总管压力传感器

3.排气氧传感器    4.进气总管    5.排气管

具体实施方式

实施例：

本发明的样机选用的是潍柴动力股份有限公司的蓝擎WP12.480重型柴油机。

本发明仅需要在柴油机排气管5任意位置上安装一个氧浓度传感3，本实施例中用BOSCH公司生产的型号为LSU4.2的氧传感器，配合进气总管4原机已有的进气压力传感器2和进气温度传感器1，原机上的传感器亦为bosch公司生产的型号为612630120004的传感器。试验测试工况1300r/min-1000Nm，进气管体积0.0011596m³。

首先建立EGR率计算模型，模型作如下假设：

1)喷入柴油机缸内燃料完全燃烧；

2)新鲜充量中二氧化碳以及其它惰性气体所占体积比例不到1％，模型取氧气占21％，氮气占79％；

3)在柴油机喷油策略不变的情况下，EGR率变化，不导致废气流量的变化。

EGR率计算模型分为两部分：

1)无EGR时，假设每循环进气量为m_in1，每循环废气量为m_ex，每循环燃油量为m_fuel，由于新鲜充量中，二氧化碳以及其它惰性气体所占比例不到1％，这里取氧气占21％，氮气占79％，则

循环氧气质量： $m_{\mathrm{in}-o_2-1}=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21\×32---\left(1\right)$

循环氮气质量： $m_{\mathrm{in}-N_2-1}=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28---\left(2\right)$

假设废气摩尔质量为M_ex1，排气管测得氧浓度为[O₂]_-1

则燃烧消耗的氧气摩尔数 $a_1=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}---\left(3\right)$

由于每循环燃烧生成的Soot、CO其它HC化合物、氮氧化物以及未燃燃油量与CO₂和H₂O生成量至少差2个数量级，这里将燃料生成物做完全燃烧处理，其燃烧化学方程式(m，n由柴油生产企业油品测试报告给出)如下：

此时，排气中每循环各成分质量如下：

循环氧气质量： $m_{\mathrm{ex}-O_2-1}=\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}\×32---\left(5\right)$

循环氮气质量： $M_{\mathrm{ex}-N_2-1}=m_{\mathrm{in}-N_2-1}=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28---\left(6\right)$

循环二氧化碳质量： $m_{\mathrm{ex}-{\mathrm{CO}}_2-1}=\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×44---\left(7\right)$

循环水蒸气质量： $m_{\mathrm{ex}-H_{2}O-1}=\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×18---\left(8\right)$

其中， $m_{\mathrm{in}1}=\frac{P_{\mathrm{in}1}{V}_{\mathrm{in}1}\mathrm{\μ}}{{\mathrm{RT}}_{\mathrm{in}1}}---\left(9\right)$

P_in1为进气总管测得压力；V_in1为进气总管体积，可以事先测量得到；T_in1为测得进气总管温度；(进气总管压力传感器2和温度传感器1是每个柴油机原机都有配置的，仅需要将信号引入即可)；R为气体常数；μ为空气摩尔数，此处取29g/mol

m_ex＝m_in1+m_fuel                                          (10)

由上述(5)(6)(7)(8)联立得到：

$\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28+\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×18=m_{\mathrm{ex}}---\left(11\right)$

$\frac{\frac{44a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{9a_{1}n}{m+\frac{n}{4}}+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{a_{1}n}{2(m+\frac{n}{4})}+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}1}---\left(12\right)$

由(10)(11)(12)求解得到M_ex1，m_fuel，m_ex

2)有EGR时，进气部分，每循环新鲜充量各成分质量如下：

循环氧气质量： $m_{\mathrm{in}-o_2-2}=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.21\×32---\left(13\right)$

循环氮气质量： $m_{\mathrm{in}-N_2-2}=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.79\×28---\left(14\right)$

假设废气摩尔质量为M_ex2，排气管测得氧浓度为[O₂]_-2

EGR回路每循环氧气质量： $m_{\mathrm{EGR}-O_2-2}=\frac{m_{\mathrm{EGR}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32---\left(15\right)$

每循环进入气缸的氧气质量： $m_{\mathrm{ex}-O_2-2}=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.21\×32+\frac{m_{\mathrm{EGR}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32---\left(16\right)$

每循环燃烧消耗氧气摩尔数： $a_2=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.21+\frac{m_{\mathrm{EGR}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}---\left(17\right)$

此时，排气中每循环各成分质量如下：

循环氧气质量： $m_{\mathrm{ex}-O_2-2}=\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32---\left(18\right)$

循环氮气质量： $M_{\mathrm{ex}-N_2-2}=m_{\mathrm{in}-N_2-2}=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.79\×28---\left(19\right)$

循环二氧化碳质量： $m_{\mathrm{ex}-{\mathrm{CO}}_2-2}=(\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×44)(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})---\left(20\right)$

循环水蒸气质量： $m_{\mathrm{ex}-H_{2}O-2}=(\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×18)(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})---\left(21\right)$

由上述(18)(19)(20)(21)联立得到：

$\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.79\×28+(\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×18)(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})=m_{\mathrm{ex}}---\left(22\right)$

$\frac{\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{m+\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}2}---\left(23\right)$

若保持喷油策略不变，在有EGR和无EGR两种状态，每循环燃油量为m_fuel相同，前面假设过燃料完全燃烧，故每循环消耗氧气摩尔数相同，即a₁＝a₂。(24)

由此得到

$\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}=\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.21+\frac{m_{\mathrm{EGR}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}---\left(25\right)$

由(10)(22)(23)(24)(25)求得：

$M_{\mathrm{ex}2}=\frac{y_1}{z_1}---\left(26\right)$

其中， $y_1=\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)m_1+0.7627m_{\mathrm{in}1}+\left(\frac{m+\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\right)n_1-m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2};$

$z_1=\left(\frac{m+\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\right)m_1+0.0272m_{\mathrm{in}1};$ $m_1=\frac{m_{\mathrm{ex}}-\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)};$ $n_1=\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)}$

令 $\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}=A---\left(27\right)$

$B=m_1-\frac{n_1}{M_{\mathrm{ex}2}}---\left(28\right)$

到 $m_{\mathrm{in}2}=m_{\mathrm{ex}}(2-\frac{B}{A})-m_{\mathrm{fuel}}---\left(29\right)$

$\mathrm{EGR}\%=\frac{m_{\mathrm{in}1}-m_{\mathrm{ex}}(2-\frac{B}{A})+m_{\mathrm{fuel}}}{m_{\mathrm{in}1}}---\left(30\right)$

测试结果如下表：

序号	进气压力(bar)	进气温度(K)	排气氧浓度	EGR率(％)
					1	2.28	325	0.1386	4.39E-13
2	2.28	325	0.1301	11.23739
					3	2.28	325	0.1271	15.20584
4	2.28	325	0.1246	18.51382
					5	2.28	325	0.1231	20.49901
6	2.28	325	0.119	25.92673

由上表可以看出，在排气管任意位置安装一个氧浓度传感器，通过基于模型的EGR率算法，能精确、快速求出柴油机在任意工况下的EGR率。实现电子控制单元对柴油机的精确控制，降低了柴油机成本，提高了可靠性。

Claims (2)

1.一种用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法，其特征在于：利用柴油机进气总管的温度传感器和压力传感器，通过建立EGR率计算模型，仅在柴油机排气管上任意位置安装一个氧浓度传感器来实现。

2.根据权利要求1所述用单氧浓度传感器测试柴油机废气再循环率的方法，其特征在于：所述EGR率计算模型，通过柴油机无EGR率和有EGR率的两种状态联立求解计算EGR率，具体计算步骤如下：

1)根据进排气系统之间的质量守恒关系，由燃烧化学方程式：

(m，n由柴油生产企业油品测试报告给出)和排气管上氧浓度传感器测得氧浓度为[O₂]_-1，建立柴油机无EGR时进排气系统之间的质量守恒关系

$\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28+\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_1\×18=m_{\mathrm{ex}},$ 同时确定排气各成分质量以及摩尔质量M_ex1，即

$\frac{\frac{44a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{9a_{1}n}{m+\frac{n}{4}}+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{a_{1}m}{m+\frac{n}{4}}+\frac{a_{1}n}{2(m+\frac{n}{4})}+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-1}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}1},$ 联立求解出无EGR时每循环废气量m_ex和每循环燃油量m_fuel＝m_ex-m_in1；其中，

P_in1为进气总管测得压力；V_in1为进气总管体积，可以事先测量得到；T_in1为测得进气总管温度；R为气体常数；μ为空气摩尔数，此处取29g/mol；每循环消耗氧气摩尔数a₂。

2)由燃烧化学方程式：

和排气管上氧浓度传感器测得的氧浓度[O₂]_-2，建立柴油机有EGR时进排气系统之间的质量守恒关系 $\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}2}}\×{\left[O_2\right]}_{-2}\×32+\frac{m_{\mathrm{in}2}}{29}\×0.79\×28+(\frac{m}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×44+\frac{\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}\×a_2\×18)(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})=m_{\mathrm{ex}},$

同时确定排气各成分质量以及摩尔质量

$\frac{\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\frac{m+\frac{n}{2}}{m+\frac{n}{4}}{a}_2(2-\frac{m_{\mathrm{fuel}}+m_{\mathrm{in}2}}{m_{\mathrm{ex}}})+\frac{m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{M_{\mathrm{ex}1}}+\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79}=M_{\mathrm{ex}2},$ 联立求解出有EGR时

每循环进气量m_in2；其中，每循环消耗氧气摩尔数a₂

3)通过公式计算EGR率：

其中，m_in1为无EGR时每循环进气量；m_ex为每循环废气量；m_fuel为每循环燃油量；

$A=\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.21-\frac{m_{\mathrm{ex}}}{M_{\mathrm{ex}1}}\×{\left[O_2\right]}_{-1};$ $B=m_1-\frac{n_1}{M_{\mathrm{ex}2}};$ $m_1=\frac{m_{\mathrm{ex}}-\frac{m_{\mathrm{in}1}}{29}\×0.79\×28}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)};$

$n_1=\frac{32m_{\mathrm{ex}}{\left[O_2\right]}_{-2}}{\left(\frac{44m+9n}{m+\frac{n}{4}}\right)}.$

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