CN104121080A - NOx模型 - Google Patents

Abstract

提供用于估算由内燃机产生的废气中的NO_X的含量的方法。该方法包括测定一个或更多运行参数。该方法进一步包括将测定的运行参数应用到总NO_X模型。该总NO_X模型可以使用与局部NO_X排放模型相关的多个稳态数据点而得出。稳态数据点可以使用多个固定的和可变的运行参数而得出。总NO_X模型允许实时预测废气中引擎排出NO_X的含量，而不使用NO_X传感器，即便是引擎运行参数发生了改变。

Description

NOx模型

背景技术

选择性催化还原(SCR)通常用来从例如柴油机或其他贫燃(汽油)引擎的内燃机产生的废气中去除NO_X(例如氮的氧化物)。在这种系统中，通过在废气遇到SCR催化剂之前将还原剂注入废气中，能够实现高的NO_X转化率，从而将NO_X连续地从废气中去除。

根据某些系统，还原剂可以通过控制的注入引入到废气中，例如控制注入氨气，氨水，或含水尿素。投入废气流中的含水尿素可以水解成氨气。或者，氨气可以通过使用氨贮罐和输送系统投入废气流，利用高密度贮罐以固体形式容纳氨。利用不同类型的系统将还原剂投入到废气中，放置在废气流中的SCR催化剂促成废气中的NO_X与NO_X还原剂(例如氨)之间的反应，将NO_X转化成氮和水。

正确的操作SCR系统涉及精确地控制注入废气流中的氨(或其他还原剂)的量(即配量水平)。例如，注入太多的还原剂可导致氨泄漏，而注入太少的还原剂可导致达不到NO_X的最佳转化率。

SCR系统常利用NO_X传感器以确定合适的还原剂配量。例如，NO_X传感器可以设置在引擎和SCR催化剂之间的废气流中，用于估算或测定从引擎放出的废气中的NO_X含量，也称为引擎排出的NO_X的水平。这种NO_X传感器通常被称为引擎排出NO_X传感器或上游NO_X传感器。引擎控制单元能利用引擎排出NO_X传感器的输出值确定应该被注入废气流中的还原剂的量。

可购得的NO_X传感器昂贵并具有其他操作性的缺点。例如，NO_X传感器可具有精度为正负15％的100-1500ppm(parts per million)的量程。此外，NO_X传感器的精度会被环境和/或运行条件影响，例如露点，系统电压，和氧气浓度，以及其他缺点。在这点上，一些NO_X传感器只能在废气在极限温度以上的时候合适地工作，可能在大约125℃-130℃。其结果是，NO_X传感器可能不适合在特定的引擎运行条件下确定配量水平，例如在低空转条件下或引擎变热中。此外，除了车载自动诊断需要连接使用的其它传感器以外，NO_X传感器的列入可转化成额外的传感器设备成本。此外，通常需要努力避免NO_X传感器被设置在NO_X传感器的电子设备可能被暴露在高温废气中和露点暴露的位置，否则会转化成增加的保修和维护成本。

概述

本文所述的本技术的特征和实施方式涉及一种用于估算内燃机产生的废气中引擎排出NO_X的含量的方法。该方法包括测定引擎速度，引擎负荷，吸入的氧气水平，燃料压力，和燃料量。该方法进一步包括通过控制单元将测定的引擎速度，引擎负荷，吸入的氧气水平，燃料压力和燃料量应用到NO_X模型获得引擎排出的NO_X的含量的估计量。

此外本文所述的本技术的特征和实施方式涉及一种用于估算内燃机产生的废气中引擎排出NO_X的含量的方法。该方法包括确定多个局部NO_X排放模型和基于多个局部NO_X排放模型得出总NO_X排放模型。该方法进一步包括确定多个可变的运行参数和通过控制单元将多个可变的运行参数应用到总NO_X排放模型，以估算引擎排出的NO_X的含量。

附图说明

图1图解说明了内燃机和用于还原来自引擎运行产生的废气的NO_X的SCR系统的示例性示意图。

图2提供了用于说明缸内NO_X的形成与可得到的入口氧气浓度成正比的示图。

图3图解说明了应用实验方法设计提供的稳态数据点，以产生作为引擎速度和负荷/扭矩的函数的局部NO_X排放响应表面模型。

图4图解说明了总NO_X排放模型在选定的稳态数据点的二阶多项式。

图5图解说明了NO_X水平的实际的试验台试验数据与使用总NO_X排放模型的二阶多项式预测的NO_X水平的对比。

图6图解说明了NO_X水平的实际的试验台试验数据与使用总NO_X排放模型的三阶多项式预测的NO_X水平的对比。

详细描述

图1图解说明了内燃机10和用于还原来自引擎10运行产生的废气的NO_X的SCR系统12的示例性示意图。引擎10可以被用来，例如，为车辆例如长途运输的车辆(未示出)提供动力。引擎10可以是压缩点火引擎，例如柴油机引擎，包括轻型和重型柴油引擎，等等，从燃料供应系统14接收燃料。SCR系统12包括催化剂20，还原剂供应设备22和还原剂喷射器24。

控制单元26或其他控制模块(共同地称为ECU)被配置成控制还原剂的输送，例如氨，从还原剂供应设备22通过还原剂喷射器24进入废气中。根据某些实施方式，还原剂供应设备22可包括一个或多个罐，以固体，液体或气体的形式储存氨。此外，根据某些系统，一个或多个罐可以在其中容纳的氨损耗后被其他罐替换，和/或再装载以补充至少一部分之前消耗的氨。在这种系统中，还原剂供应设备22也可包括设置在罐周围的加热夹套，配置成将罐中的固体氨的温度提高到升华温度。此外，根据这种系统，还原剂供应设备22中的氨，例如罐中的已经转化成气体状态的氨，可被从还原剂供应设备22引导到还原剂喷射器24。

还原剂喷射器24被设置在废气系统中或其附近，催化剂20的上游，并被配置成从还原剂供应设备22喷射还原剂到废气流中。随着氨被注入废气系统中，氨与废气混合，以提供流过催化剂20的柴油机废气流体。催化剂20被配置成促成废气中的NO_X与NO_X还原剂(如氨)之间的反应，以将NO_X还原/转化成氮和水，然后通过排气管30排出进入环境。根据特定的实施方式，废气也可在被通过排气管30释放到环境中之前流过柴油机微粒过滤器(DPF)28。

除了控制氨的配量或计量以外，ECU26也能够储存信息，例如被输送到废气中的氨的量，提供氨的罐，罐中可交付使用的氨的开始体积，和其他这种与确定每个罐中的可交付使用的氨的量有关的数据。该信息可被在周期的或连续的基础上监控。当ECU26确定可交付使用的氨的量低于预定水平的时候，与ECU26电连接的状态指示器(未示出)被激活。

虽然SCR系统12已经被以固体氨的上下文环境描述，可以理解SCR系统12可以选择性的使用，例如，纯的无水氨，氨水，或尿素之类的还原剂。

ECU26控制SCR系统12的运行，包括还原剂喷射器24的运行，在多个运行参数的基础上。如更详细的解释，引擎排出的NO_X水平被ECU26或其他控制模块测定或预测，使用总NO_X排放模型，利用一个或更多引擎运行参数。例如，在示例性实施方式中，总NO_X排放模型采用数学公式利用一个或更多以下运行参数：燃料压力(FuP)，引擎速度(N)(例如转速)，引擎负荷或转矩(L)，注入时间的开始(SOI)，注入所包括的燃料量(m_f)，和氧气浓度，以及其他可能的参数。燃料压力(FuP)可通过可操作地设置以感知引擎入口歧管中的压力并产生响应输出信号的压力传感器52来确定。引擎速度(N)可使用传感器54探测引擎的转速来确定，例如每分钟机轴的旋转(rpm)。根据特定的实施方式，引擎负荷或转矩(L)可基于加速踏板或节流阀57的位置，例如，由传感器58测量或燃料定值，。此外，由于燃料注射器60的操作通常由ECU26控制，SOI和燃料量可由ECU26基于燃料注射器60被操作的计时和/或持续时间来确定。

控制NO_X形成的主要机能可以由下面的方程表达。

 (方程1)

 (方程2)

 (方程3)

此外，基于化学动力学，NO_X的形成速率({D[NO]/DT})可由以下方程得出：

{D[NO]/DT}＝{k_4f[O]_e[N₂]_e+k_5f[N]_e[O₂]_e+k_6f[N]_e[OH]_e}-{k_4b[NO]_e[N]_e+k_5b[NO]_e[O]_e+k_6b[NO]_e[H]_e} (方程式4)

其中，k_4f和k_4b分别是上面的方程(1)的前和后反应速率；k_5f和k_5b分别是上面的方程(2)的前和后反应速率；k_6f和k_6b分别是上面的方程(3)的前和后反应速率；[O]_e是平衡物质浓度；[O₂]_e是平衡氧物质浓度；[N]_e是物质浓度；[N₂]_e是物质浓度；[NO]_e是物质浓度；[H]_e是物质浓度；[OH]_e是物质浓度。

使用稳定状态近似值和平衡假定，上面的方程(4)陈述的NO_X的形成可被简化成：

$d\frac{\left[{\mathrm{NO}}_X\right]}{\mathrm{dt}}=\frac{6*{10}^{16}}{T^{0.5}}*e^{(-69000/T)}*{{\left[O_2\right]}_e}^{0.5}\left[N_2\right]$  (方程5)

其中是氧化氮(NO)的形成速率，T是引擎缸62内的温度，第一情况中的e(声明关于e^{（-69000/T）})是缸62中用于形成NO_X的激活能量。

如上述方程5所示，缸内NO_X的形成与可获得的入口氧气(O₂)浓度成正比。更明确地，方程5表明对于特定的引擎运行参数，引擎排出的NO_X与入口氧气浓度之间存在线性的对数关系。这种线性关系在图2中演示，其中在三种不同情况中，燃料压力(FuP)，开始注入/注入计时(SOI)，和燃料量(m_f)已经被锁定，是不变的。此外，图2的图中的三条线反映了使用了来自三个不同常数的数据，FuP，SOI和m_f值。因此，知道了三个常数FuP，SOI和m_f值中的哪一个被应用到了特定的情形，通过知道入口氧气浓度，引擎排出的NO_X浓度就可被确定。另外，根据特定的实施方式，对于恒定的燃料压力(FuP)，开始注入/注入计时(SOI)，和燃料量(m_f)，引擎排出的NO_X浓度可基于入口氧气浓度而被预测。

然而，在至少特定的引擎中，在运行过程中，至少引擎缸62内的一些运行参数，例如燃料压力，开始注入，和燃料量，以及其他，经常不是不变的。因此，本技术的特定实施方式被提供用来预测或测定由内燃机产生的NO_X水平，而无需使用NO_X传感器，使用变化的引擎运行参数。例如，根据特定的实施方式，由内燃机产生的NO_X水平可使用变化的参数来确定，所述参数可以包括但不限于一个或更多下面的：引擎速度(N)；引擎负荷(L)；被引入缸62用于燃烧事件的氧气浓度，也称为入口氧气浓度(O₂)；燃料压力(FuP)；开始注入/注入计时(SOI)；和燃料量(m_f)。通过使用这些变量，本技术提供的NO_X排放模型不被束缚于作为校准固定点表使用的输入因数。此外，通过使用实际的变化参数，而不是假设这些变量是固定的，本技术的模型提供用来实时确定NO_X排放水平。

参考附图3，试验设计(DOE)方法可被应用来绘制作为引擎速度和负荷/扭矩的函数的排放响应表面模型，在控制方案中校准参数也被作为固定点表使用。绘制在图3中的稳态数据点反映了局部NO_X排放模型的不同结果。此外，局部NO_X排放模型使用特别的固定运行参数产生，在这种情形下引擎速度和负荷/扭矩以及其他相关的数值，变化的引擎运行参数被用来获得固定运行参数。例如，为了获得特定类型的引擎的特定引擎速度和负荷/扭矩，可能需要确定其他变化参数的组合范围或数值，称为测定运行参数。这种其他测定运行参数可能包括，但不限于：被引入缸62用于燃烧事件的氧气浓度，也称为入口氧气浓度(O₂)；燃料压力(FuP)；开始注入/注入计时(SOI)；和燃料量(m_f)。图3中反映的稳态数据点基于经核准为2010排放的MaxxForce15引擎完成，所述MaxxForce15引擎具有15.2L的排量，直列式6缸配置，气缸直径和行程为5.6英寸乘6.75英寸，具有中冷和后冷空气系统的双级涡轮增压器，博施（Bosch)普通共轨直喷燃烧系统，和550HP的额定马力。

固定运行参数和测定运行参数可以被使用，例如在局部试验设计(DOE)中，以测定或预测那些参数下的NO_X排放水平，也称为局部NO_X排放模型。例如，固定和测定运行参数可能被用在DOE测试矩阵中用于数据收集。测量的NO_X排放响应然后可被用于创建局部NO_X排放模型。

用于形成局部NO_X模型的DOE可被限制在落在相应引擎的运行和/或排放约束内的数据中。例如，制动比燃油消耗(BSFC)模型，是轴往复式引擎内的燃料效率的量度，压力和温度模型可被采用来管理，无论特定的固定和测定运行参数是否用来获得局部NO_X排放模型，和/或局部NO_X排放模型本身，在引擎10的运行限制之内。

对于不同的固定运行参数和与这些固定参数相关的测定运行参数，DOE方法可以重复多次，以绘制多个不同的局部NO_X排放模型。图3图解说明了包括多个局部NO_X排放模型在固定的引擎速度和负荷/扭矩的稳态点的图。至少一些，如果不是全部，多个局部NO_X排放模型随后可被用于形成总NO_X排放模型。为了准确的目的，需要不同局部NO_X排放模型的最少的稳态点以形成总NO_X排放模型。例如，根据特定的实施方式，与局部NO_X排放模型相关的一个或更多稳态点可被用于形成总NO_X排放模型。

可以采用多种方法以选择，如果不是全部，绘制的局部NO_X排放模型用于形成总NO_X排放模型。例如，根据特定的实施方式，用于形成总NO_X排放模型的局部NO_X排放模型可至少部分基于凸起曲线，斜坡模式周期(例如使用13模式测试周期)，和/或可被用于排放测试的联邦测试程序瞬时周期而被选择。此外，根据特定的实施方式，特别的局部NO_X排放模型可被选择以捕获特殊的引擎运行条件，例如，与在不同负荷/扭矩下的高或低引擎空转，不超过(NTE)排放，以及不同的驱动周期，包括城市，严酷工况，和高速公路路况以及其他相关的运行条件。

从图3中选定的稳态数据点可被表现在用于在许多固定和测定运行参数下确定NO_X形成的总数学公式中。例如，图4图解说明了在选定的稳态数据点(如图3所示)的总NO_X排放模型，使用数值计算程序形成，例如Mathworks公司的。如图所示，从图3中所示的局部NO_X排放模型中选定的稳态数据已被转换成代表总NO_X排放模型的二阶多项式。更特殊地，在这个特别的例子中，从选定的绘制在图3中的稳态数据点形成的二阶多项式数学模型可以用方程表示：

引擎排出的NO_X水平＝X₁+X₁ ²+X₁X₂+X₁X₃+X₁X₄+X₁X₅+X₁X₆+X₂+X₂ ²+X₂X₃+X₂X₄+X₂X₅+X₂X₆+X₃+X₃ ²+X₃X₄+X₃X₅+X₃X₆+X₄+X₄ ²+X₄X₅+X₄X₆+X₅+X₅ ²+X₅X₆+X₆+X₆ ² (方程6)

其中，X₁是引擎速度，X₂是引擎负荷，X₃是燃料压力，X₄是注入计时，X₅是入口氧气浓度，X₆是燃料量。

然而，可被用来表示总NO_X排放模型的特别的公式可基于多种不同的因素而变化，包括引擎10的尺寸和配置，其运行参数是，或不是，通常不变的。例如，上面的模型利用5个不同的可变运行参数。然而，这5个参数中的一个或更多可能在引擎10运行的至少一些周期内是相对不变的。在这种情形中，那些相对不变的运行参数可能不被用于获得局部NO_X排放模型，因此通过总NO_X排放模型预测引擎排出的NO_X排放。

通过增加模型公式的多项式次数或阶数，总NO_X排放模型的精度可以被改善。例如，图5图解说明了实际的试验数据与预测的NO_X水平的对比。试验台测试包括使用具有0-100PPM+/-15PPM和100-1500PPM+/-15％精度范围的NO_X传感器。预测的NO_X水平，在图5中用直线表示，使用方程6表示的模型的二阶多项式得出。如图所示，试验台测试数据的大部分与预测的NO_X水平成一条直线，或紧密的接近。此外，忽略一些外层测试数据显示出方程6表示的总NO_X排放模型的二阶多项式具有9.5的均方根误差，相关性精度为0.957。

图6提供了如图5所示的类似的对比，但是用于三阶多项式。如图所示，忽略一些外层测试数据显示出总NO_X排放模型的三阶多项式具有9.9的均方根误差，相关性精度为0.988。

如前所述，ECU26可使用总NO_X排放模型测定或预测引擎排出的NO_X水平。虽然增加总NO_X排放模型使用的公式的多项式的阶数可以改善模型的精度，增加的阶数可能增加多项式系数的数量。这种多项式系数的增加可能延迟ECU26能够测定的引擎排出的NO_X的速度，因此妨碍总NO_X排放模型的实时性能。

本技术的总NO_X排放模型提供了实时预测引擎排出的NO_X排放变化的能力，即便当特定引擎10的运行参数变化的时候。例如，废气再循环率的变化可能改变氧气的浓度，通常改变NO_X排放水平。然而，由于总NO_X排放模型可包括入口氧气作为用来测定NO_X排放水平的可变的运行参数的至少其中之一，废气再循环率或系统的改变或故障的影响已经被总NO_X排放模型计算在内。因此，在这方面的能力，总NO_X排放模型有能力预测或估测NO_X排放值，即便引擎燃烧事件有问题或故障。

Claims (14)

1.一种估算由内燃机产生的废气中引擎排出NO_X的含量的方法，该方法包括：

测定引擎速度；

测定引擎负荷；

测定吸入的氧气水平；

测定燃料压力；

测定燃料量；和

通过控制单元将测定的引擎速度，引擎负荷，吸入的氧气水平，燃料压力和燃料量应用到NO_X模型获得引擎排出NO_X的含量的估计量。

2.根据权利要求1的方法，其中引擎排出NO_X的含量不用来自NO_X传感器的数据进行估算。

3.根据权利要求1的方法，其中控制单元应用的所述NO_X模型至少部分基于作为引擎速度和引擎扭矩的函数的绘制的排放响应表面模型。

4.根据权利要求1的方法，其中控制单元应用的所述NO_X模型基于多个使用一个或多个固定的运行参数和一个或多个可变的运行参数产生的局部NO_X模型。

5.根据权利要求4的方法，其中所述一个或多个可变的运行参数包括以下中的至少一个：局部的吸入的氧气水平，局部的燃料压力和局部的燃料量。

6.根据权利要求5的方法，其中所述一个或多个固定的运行参数包括不变的引擎速度和/或不变的引擎扭矩。

7.根据权利要求6的方法，其中多个局部NO_X模型使用实验方法设计得出。

8.一种估算由内燃机产生的废气中引擎排出NO_X的含量的方法，该方法包括：

确定多个局部NO_X排放模型；

基于多个局部NO_X排放模型得出总NO_X排放模型；

确定多个可变的运行参数；和

通过控制单元将多个可变的运行参数应用到总NO_X排放模型，以估算引擎排出NO_X的含量。

9.根据权利要求8的方法，其中所述多个可变的运行参数包括以下中的至少一个：引擎速度，引擎负荷，吸入的氧气水平，燃料压力和燃料量。

10.根据权利要求9的方法，其中得出多个局部NO_X排放模型的步骤包括产生多个稳态数据点，每个稳态数据点反映在特定的固定运行参数下的估算的NO_X排放水平。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述多个稳态数据点使用多个固定的运行参数和多个可变的运行参数产生。

12.根据权利要求11的方法，进一步包括基于内燃机的一个或多个约束限制多个固定的和可变的运行参数的步骤。

13.根据权利要求12的方法，其中得出总NO_X排放模型的步骤包括将局部NO_X排放模型转变为数学模型。

14.根据权利要求13的方法，其中所述数学模型是至少二阶多项式的数学模型。