CN104641089A - 柴油发动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种柴油发动机控制装置，该柴油发动机控制装置构成为利用催化剂温度之外的方法高精度地评价SCR催化剂的活性状态，并且在SCR催化剂处于非活性的状态下控制发动机控制参数，以降低NOx排出量。发动机控制单元(60)和SCR催化剂(30)，发动机控制单元包括：设定发动机控制参数的参数设定部(60a)、基于发动机控制参数控制发动机的运转状态的运转控制部(60b)和判定SCR催化剂的NOx净化状态的净化状态判定部(60c)，参数设定部(60a)在利用净化状态判定部(60c)判定的SCR催化剂(30)的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，设定发动机控制参数，以使从发动机排出的排气的NOx排出量降低。

Description

柴油发动机控制装置
技术领域
本发明涉及柴油发动机控制装置，该柴油发动机控制装置具备净化排气中的NOx的SCR催化剂。
背景技术
在具备净化排气中的NOx的SCR催化剂的柴油发动机控制装置中，存在在发动机起动后和排气温度低的低负荷运转持续的情况下，催化剂不能到达活性温度，催化剂的NOx净化状态持续低下，不能充分进行NOx的净化的课题。
在专利文献1～4中，公开了以下技术：根据催化剂温度控制发动机的运转状态，尤其是在催化剂温度达到活性温度的情况下，为了提高燃油经济性，控制EGR率、燃料喷射压力及燃料喷射正时等各种发动机控制参数以进行发动机控制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2003-301737号公报
专利文献2：(日本)特开2006-37769号公报
专利文献3：(日本)特开2006-200473号公报
专利文献4：(日本)特许2011-241775号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在根据催化剂温度控制发动机的运转状态的情况下，如果催化剂温度的测定精度低，则存在不能准确评价催化剂的活性状态的问题。通常，催化剂的温度能够根据设置在催化剂附近的温度传感器所测定的排气温度等来掌握，因此在与实际的催化剂温度之间存在偏差。
本发明的至少一实施方式是鉴于上述现有技术问题而做出的，其目的在于提供一种柴油发动机控制装置，该柴油发动机控制装置构成为利用催化剂温度之外的方法高精度地评价SCR催化剂的活性状态，并且在SCR催化剂处于非活性状态的情况下，控制发动机控制参数以降低NOx排出量。
用于解决技术问题的技术方案
为了达成上述目的，本发明的至少一实施方式的柴油发动机控制装置具备：
柴油发动机；
控制所述柴油发动机的运转状态的发动机控制单元；
净化从所述柴油发动机排出的排气中的NOx的SCR催化剂，
该柴油发动机控制装置的特征在于，
所述发动机控制单元包括：
设定所述柴油发动机的发动机控制参数的参数设定部；
基于利用所述参数设定部设定的发动机控制参数来控制所述柴油发动机的运转状态运转控制部；
判定所述SCR催化剂的NOx净化状态的净化状态判定部，
所述参数设定部构成为在利用所述净化状态判定部判定的所述SCR催化剂的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，设定所述发动机控制参数，以降低从所述柴油发动机排出的排气的NOx排出量。
以这种方式构成的柴油发动机控制装置具备判定SCR催化剂的NOx净化状态的净化状态判定部，通过判定SCR催化剂的NOx净化状态来评价SCR催化剂的活性状态。然后，在SCR催化剂的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，通过利用参数设定部设定发动机控制参数，以降低从柴油发动机排出的排气的NOx排出量，从而预先防止在SCR催化剂处于非活性状态时大量的NOx排出到外部。
并且，在本发明一实施方式中，
所述发动机控制参数包括EGR率、燃料喷射压力或燃料喷射正时中的至少一个。
在以这种方式构成的情况下，在SCR催化剂的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，通过提高EGR率(通过使排气的再循环量增加)能够使燃烧温度降低、NOx排出量降低。并且，通过降低燃料喷射压力而使燃烧效率降低，能够使燃烧温度降低、NOx排出量降低。并且，通过使燃料喷射正时延迟而降低燃烧压力，能够使燃烧温度降低、NOx排出量降低。
并且，在本发明一实施方式中，
所述净化状态判定部构成为基于所述SCR催化剂的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
在以这种方式构成的情况下，能够以NOx净化率定量地掌握SCR催化剂的NOx净化状态，因此能够在精度良好地评价NOx净化状态的基础上设定发动机控制参数。
并且，在本发明一实施方式中，
所述净化状态判定部构成为根据利用NOx传感器测定的所述SCR催化剂的上游及下游的排气的NOx浓度，计算出所述SCR催化剂的NOx净化率，基于该计算出的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
在以这种方式构成的情况下，能够准确地掌握SCR催化剂的NOx净化率，因此能够精度良好地评价NOx净化状态。
并且，在本发明一实施方式中，
所述发动机控制单元包括基于所述柴油发动机的发动机转速及燃料喷射量，推定从所述柴油发动机排出的排气的NOx浓度的NOx浓度推定部，
所述净化状态判定部构成为根据利用所述NOx浓度推定部推定的NOx浓度和利用NOx传感器测定的所述SCR催化剂的下游的排气中的NOx浓度，计算出所述SCR催化剂的NOx净化率，基于该计算出的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
在以这种方式构成的情况下，不需要在SCR催化剂的上游侧安装NOx传感器，因此能够实现成本的降低。
并且，在本发明一实施方式中，
所述柴油发动机控制装置具备向所述SCR催化剂的上游的排气中喷射尿素水的尿素水喷射装置，
所述净化状态判定部构成为基于是否从所述尿素水喷射装置喷射尿素水来判定所述NOx净化状态。
在以这种方式构成的情况下，利用是否从尿素水喷射装置喷出尿素水这一极为简单的判定基准，能够判定NOx净化状态。
并且，在本发明一实施方式中，
所述发动机控制单元包括对从发动机起动开始的经过时间进行计时的经过时间计时部，
所述净化状态判定部构成为基于从所述发动机起动开始的经过时间，判定所述NOx净化状态。
在以这种方式构成的情况下，利用从发动机起动开始的经过时间这一极为简单的判定要素，能够判定NOx净化状态。
发明的效果
根据本发明的至少一实施方式，能够提供一种柴油发动机控制装置，该柴油发动机控制装置构成为通过判定SCR催化剂的NOx净化状态，能够高精度地评价SCR催化剂的活性状态，并且在SCR催化剂处于非活性的状态下，控制发动机控制参数以降低NOx排出量。
附图说明
图1是表示本发明一实施方式的柴油发动机控制装置的系统构成的框图。
图2是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。
图3是表示各种发动机控制参数与NOx排出量的关系的说明图。
图4是关于各种发动机控制参数的控制脉谱图。
图5是表示本发明一实施方式的柴油发动机控制装置的系统构成的框图。
图6是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。
图7是表示本发明一实施方式的NOx排出量脉谱的图。
图8是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。
图9是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
其中，本发明的范围不限于以下实施方式。以下实施方式所记载的构件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不是用于限定本发明，只不过是说明例。
＜第一实施方式＞
图1是表示本发明一实施方式的柴油发动机控制装置的系统构成的框图。首先，参照图1，对本实施方式的柴油发动机控制装置1的整体构成进行说明。
如图1所示，本实施方式的柴油发动机控制装置1具备：柴油发动机10；控制柴油发动机10的运转状态的发动机控制单元(以下称为“ECU”)60；向柴油发动机10送给进气(空气)的进气通路12；从柴油发动机10排出的排气所通过的排气通路14。图中的箭头i、e、c分别表示进气、排气及再循环的排气的流动方向。
在柴油发动机10中，加压存储在共轨喷射系统26中的高压燃料从燃料喷射装置24朝向燃烧室10a喷射。在共轨喷射系统26中从供给泵28供给有高压燃料。ECU60通过相对于这些燃料喷射装置24及供给泵28发送控制信号，来控制喷射到燃烧室10a的燃料的喷射正时、喷射压力及喷射量。并且，在柴油发动机10配置有转速传感器61，利用转速传感器61检测出的发动机转速发送到ECU60。
在进气通路12与排气通路14之间设有增压器20。增压器20具有配置在排气通路14的排气涡轮20b和配置在进气通路12的压缩机20a，压缩机20a和排气涡轮20b被同轴驱动。而且，排气涡轮20b构成为利用排气旋转，从而使压缩机20a旋转，压缩进气。
在进气通路12配置有空气冷却器16及节气门18。而且，利用上述增压器20的压缩机20a压缩的空气在空气冷却器16被冷却后，其流量被节气门18控制，流入柴油发动机10的燃烧室10a。
并且，在进气通路12的上游侧配置有测量吸入空气量的空气流量计17。利用空气流量计17测量的吸入空气量被发送到ECU60。并且，在节气门18的下游配置有温度传感器66及压力传感器68。利用这些温度传感器66及压力传感器68分别测定的温度及压力被发送到ECU60。
在排气通路14配置有净化所通过的排气中的NOx的SCR催化剂30。并且，在SCR催化剂30的上游配置有尿素水喷射装置30a。尿素水喷射装置30a基于来自ECU60的控制信号，朝向排气通路14喷射贮存在未图示的尿素水箱中的尿素水。喷射到排气通路14的尿素水被排气的热加水分解而生成氨(NH3)，该生成的氨(NH3)成为还原剂，在SCR催化剂30进行对排气所包含的NOx的还原。
并且，在SCR催化剂30的上下游分别配置有测量排气的NOx浓度的NOx传感器40a、40b。利用这些NOx传感器40a、40b所测量的NOx浓度被发送到ECU60。
并且，在排气通路14，在SCR催化剂30的上游且增压器20的排气涡轮20b的下游，配置有DOC催化剂32及DPF装置34。DOC催化剂32具有氧化除去排气中的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)，氧化排气中的一氧化氮(NO)而生成二氧化氮(NO2)的功能。DPF装置34是设置在DOC装置32的下游，利用过滤器捕集排气中所包含的烟尘等排气微粒(PM)，将其从排气中除去的装置。
在这些DOC催化剂32及DPF装置34的上下游，配置有测定所通过的排气的温度的排气温度传感器62a、62b、62c。并且，也配置有检测出DPF装置34的上下游的压差的压差传感器64。这些排气温度传感器62a、62b、62c的测量值及压差传感器64的测量值被发送到ECU60。
并且，EGR管22从排气通路14的排气涡轮20b的上游侧分支，在节气门18的下游与进气通路12连接。并且，在EGR管22配置有对通过的排气进行冷却的EGR冷却器23和开闭EGR管22的EGR阀25。而且，通过对EGR阀25进行开闭控制，从发动机1排出的排气的一部分通过EGR管22而再循环到柴油发动机1。并且此时从ECU60相对于节气门18及EGR阀25发送控制信号，通过控制节气门18及EGR阀25的开度，来控制排气的再循环量与包括该再循环量的进气量的比率(EGR率)。
接着，参照图2，对本实施方式的ECU60的构成进行说明。图2是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。
如图2所示，本实施方式的ECU60至少具备：设定柴油发动机10的发动机控制参数的参数设定部60a、基于利用参数设定部60a所设定的各种发动机控制参数控制柴油发动机10的运转状态的运转控制部60b、判定SCR催化剂30的NOx净化状态的净化状态判定部60c。
参数设定部60a在利用净化状态判定部60c所判定的SCR催化剂30的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，设定EGR率、燃料喷射压力、喷射正时等发动机控制参数，以降低从柴油发动机10排出的排气的NOx排出量。另一方面，在SCR催化剂30的NOx净化状态超过规定的NOx净化状态的情况下，设定各种发动机控制参数，以实现从柴油发动机10排出的颗粒物(PM)的降低和燃油经济性的提高。
在这里，各种发动机控制参数与NOx排出量的关系如图3所示。如图3所示，通过提高EGR率(使排气的再循环量增加)、降低燃料喷射压力及使燃料喷射正时延迟，来降低NOx排出量。这是由于如果燃烧温度降低，则NOx排出量处于降低的倾向，如果提高EGR率则燃烧室10a内的氧气量降低，由此燃烧温度降低。并且，如果降低燃料喷射压力，则在喷雾油滴变大的同时喷雾速度也变慢，因此燃烧效率降低，由此燃烧温度降低。并且，如果使燃料喷射正时延迟，则燃烧压力降低，由此燃烧温度降低。
另一方面，通过提高燃料喷射压力或使燃料喷射正时提前，根据与上述相反的理由，燃烧效率提高，能够实现PM排出量的降低或燃油经济性的提高。
因此，参数设定部60a在SCR催化剂30低于规定的NOx净化状态的情况下，设定发动机控制参数，以提高EGR率，并且使燃料喷射压力降低，使燃料喷射正时延迟。另一方面，在SCR催化剂30超过规定的NOx净化状态的情况下，设定发动机控制参数，以使EGR率降低，并且提高燃料喷射压力，使燃料喷射正时提前。
并且，在参数设定部60a中预先存储有关于各种发动机控制参数的控制脉谱。这些控制脉谱以发动机转速及燃料喷射量为输入变量，输出目标EGR率、燃料喷射压力、燃料喷射正时等各种发动机控制参数。并且，根据SCR催化剂30的NOx净化状态准备多个它们的控制脉谱。在本实施方式中，如图4所示，例如根据各个发动机控制参数分别准备低NOx净化状态用和高NOx净化状态用的两个控制脉谱。然后，参数设定部60a在与SCR催化剂30的NOx净化状态对应的控制脉谱中输入发动机转速及燃料喷射量，输出发动机控制参数而将其发送到运转控制部60b。
运转控制部60b相对于节气门18、EGR阀25、供给泵28及燃料喷射装置24发送控制信号，以实现从参数设定部60a发送的发动机控制参数。然后，通过控制节气门18及EGR阀25的开度，来实现从参数设定部60a发送的目标EGR率。并且，通过控制供给泵28的供给压力及燃料喷射装置24的喷射正时，来实现从参数设定部60a发送的燃料喷射压力及燃料喷射正时。
净化状态判定部60c对SCR催化剂30的NOx净化率和预先设定的阈值进行比较，来判定SCR催化剂30的NOx净化状态。SCR催化剂30的NOx净化率，例如，能够根据从NOx传感器40a、40b发送的SCR催化剂30的上下游的NOx浓度来计算。并且，作为NOx净化率的阈值，预先设定阈值A和比阈值A高的净化率即阈值B，在根据NOx传感器40a、40b的测量值计算出的NOx净化率在阈值A以下的情况下，判定处于低NOx净化状态。相反，在NOx净化率在阈值B以上的情况下，判定处于高NOx净化状态。
上述参数设定部60a在利用净化状态判定部60c判定处于低NOx净化状态的情况下，基于低NOx状态用的控制脉谱设定发动机控制参数。相反，在判定处于高NOx净化状态的情况下，基于高NOx状态用的控制脉谱设定发动机控制参数。并且，在计算出的NOx净化率处于阈值A与阈值B之间的情况下，补充两个控制脉谱，利用比例计算计算出发动机控制参数。
以这种方式构成的本实施方式的柴油发动机控制装置1具备判定SCR催化剂30的NOx净化状态的净化状态判定部60c，通过判定SCR催化剂30的NOx净化状态来评价SCR催化剂30的活性状态。然后，在SCR催化剂30的NOx净化状态处于低NOx净化状态的情况下，利用参数设定部60a设定发动机控制参数，以降低从柴油发动机10排出的排气的NOx排出量，防止在SCR催化剂30处于非活性状态时大量的NOx排出到外部。
并且，在SCR催化剂30的NOx净化状态处于高NOx净化状态的情况下，利用参数设定部60a设定发动机控制参数，以实现PM排出量的降低和燃油经济性的提高。根据这样的本实施方式的柴油发动机控制装置1，能够同时实现NOx排出量的抑制、PM排出量的降低及燃油经济性的提高。
并且，在上述实施方式中，净化状态判定部60c基于NOx净化率判定SCR催化剂30的NOx净化状态。根据这样的构成，能够以NOx净化率定量地掌握SCR催化剂30的NOx净化状态，因此能够精度良好地评价NOx净化状态并且设定发动机控制参数。
并且此时根据配置在SCR催化剂30的上下游的NOx传感器40a、40b所测量的NOx浓度计算出SCR催化剂30的NOx净化率，能够准确地掌握SCR催化剂30的NOx净化率。因此，与后述实施方式相比，能够精度良好地评价NOx净化状态。
＜第二实施方式＞
图5是表示本发明一实施方式的柴油发动机控制装置的系统构成的框图。图6是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。本实施方式的柴油发动机控制装置1具有与上述实施方式基本上相同的构成，对同一构件标注同一附图标记，并且省略其详细说明。
在本实施方式的柴油发动机控制装置1中，如图5所示，在SCR催化剂30的上游没有配置NOx传感器40a。并且作为其替代，如图6所示，ECU60具备NOx浓度推定部60d，在这一点，本实施方式与上述实施方式不同。
NOx浓度推定部60d预先存储图7所示的NOx排出量脉谱。向该NOx排出量脉谱输入发动机转速及燃料喷射量，能够计算出从柴油发动机10排出的NOx排出量。NOx浓度推定部60d根据由该NOx排出量脉谱计算出的NOx排出量和供给到燃烧室10的进气流量，推定从柴油发动机10排出的排气的NOx浓度。
利用NOx浓度推定部60d推定的NOx浓度被发送到上述净化状态判定部60c。在本实施方式中，基于利用该NOx浓度推定部60d推定的NOx浓度和利用SCR催化剂30下游的NOx传感器40b测量的NOx浓度，利用净化状态判定部60c判定NOx净化状态。
根据这样的本实施方式，与上述实施方式相同，能够以NOx净化率定量地掌握SCR催化剂30的NOx净化状态，因此能够在精度良好地评价NOx净化状态的基础上设定发动机控制参数。并且，不需要在SCR催化剂30的上游侧安装NOx传感器40a，因此能够实现成本的降低。
＜第三实施方式＞
图8是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。本实施方式的柴油发动机控制装置1具有与上述实施方式基本上相同的构成，因此对同一构件标注同一附图标记，并且省略其详细说明。
在本实施方式中，从ECU60相对于尿素水喷射装置30a发送的尿素水喷射ON/OFF信号也被发送到净化状态判定部60c。然后，净化状态判定部60c基于是否从尿素水喷射装置30a喷射尿素水来判定NOx净化状态，在这一点，本实施方式与上述实施方式不同。
即，本实施方式的净化状态判定部60c在从尿素水喷射装置30a喷射尿素水的状态下，判定SCR催化剂30处于高NOx的净化状态。另一方面，在不从尿素水喷射装置30a喷射尿素水的状态下，判定SCR催化剂30处于低NOx的净化状态。参数设定部60a基于与利用净化状态判定部60c判定的高低两个阶段的NOx净化状态对应的控制脉谱，设定发动机控制参数。
根据这样的本实施方式，利用是否从尿素水喷射装置30a喷射尿素水这一极为简单的判定基准来判定SCR催化剂的NOx净化状态，因此利用NOx传感器40a、40b和ECU60不需要NOx浓度推定部60d的简单的系统构成就能够判定NOx净化状态。
＜第四实施方式＞
图9是表示本发明一实施方式的ECU的构成的框图。本实施方式的柴油发动机控制装置1具有与上述实施方式基本上相同的构成，对同一构件标注同一附图标记，并省略其详细说明。
在本实施方式中，ECU60具备对从发动机起动开始的经过时间进行计时的经过时间计时部60e。利用该经过时间计时部进行计时的从发动机起动开始的经过时间被发送到上述净化状态判定部60c。然后，净化状态判定部60c基于从发动机起动开始的经过时间判定NOx净化状态，在这一点，本实施方式与上述实施方式不同。
在直到发动机起动后的规定时间，排出的排气的温度低，因此认为SCR催化剂30没有达到活性温度。相对于此，在发动机起动后经过规定时间后，认为排气的温度升高，SCR催化剂30达到活性温度。因此，根据柴油发动机10的种类及用途，预先设定SCR催化剂30达到活性温度的规定时间，通过以该预先设定的规定时间为阈值来判定NOx净化状态，利用从发动机起动开始的经过时间这一极为简单的判定要素，能够判定NOx净化状态。
本实施方式优选适用于在发动机起动后的规定时间，在一定的负荷范围运转控制的进行惯性运转的发动机，例如发电用发动机等。
以上，对本发明优选的形态进行了说明，但本发明不限于上述形态，在不脱离本发明的目的的范围内能够实施各种变更。
工业实用性
本发明的至少一实施方式适用于在建筑机械、叉车等工程车辆或发电机中所使用的柴油发动机控制装置。
附图标记说明
1    柴油发动机控制装置
10   柴油发动机
10a  燃烧室
12   进气通路
14   排气通路
16   空气冷却器
17   空气流量计
18   节气门
20   增压器
20a  压缩机
20b  排气涡轮
22   EGR管
23   EGR冷却器
24   燃料喷射装置
25   EGR阀
26   共轨喷射系统
28   供给泵
30   SCR催化剂
30a  尿素水喷射装置
32   DOC催化剂
34   DPF装置
40a、40b  NOX传感器
60   ECU
60a  参数设定部(60a)
60b  运转控制部
60c  净化状态判定部
60d  NOX浓度推定部
60e  经过时间计时部
61   转速传感器
62a  排气温度传感器
64   压差传感器
66   温度传感器
68   压力传感器

Claims (7)

1.一种柴油发动机控制装置，具备：
柴油发动机；
发动机控制单元，其控制所述柴油发动机的运转状态；
SCR催化剂，其净化从所述柴油发动机排出的排气中的NOx，
该柴油发动机控制装置的特征在于，
所述发动机控制单元包括：
参数设定部，其设定所述柴油发动机的发动机控制参数；
运转控制部，其基于利用所述参数设定部设定的发动机控制参数控制所述柴油发动机的运转状态；
净化状态判定部，其判定所述SCR催化剂的NOx净化状态，
所述参数设定部构成为在利用所述净化状态判定部判定的所述SCR催化剂的NOx净化状态低于规定的NOx净化状态的情况下，设定所述发动机控制参数，以降低从所述柴油发动机排出的排气的NOx排出量。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述发动机控制参数包括EGR率、燃料喷射压力或燃料喷射正时中的至少一个。
3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述净化状态判定部构成为基于所述SCR催化剂的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
4.根据权利要求3所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述净化状态判定部构成为根据利用NOx传感器测定的所述SCR催化剂的上游及下游的排气的NOx浓度，计算出所述SCR催化剂的NOx净化率，基于该计算出的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
5.根据权利要求3所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述发动机控制单元包括基于所述柴油发动机的发动机转速及燃料喷射量，推定从所述柴油发动机排出的排气的NOx浓度的NOx浓度推定部，
所述净化状态判定部构成为根据利用所述NOx浓度推定部推定的NOx浓度和利用NOx传感器测定的所述SCR催化剂的下游的排气中的NOx浓度，计算出所述SCR催化剂的NOx净化率，基于该计算出的NOx净化率判定所述NOx净化状态。
6.根据权利要求1或2所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述柴油发动机控制装置具备向所述SCR催化剂的上游的排气中喷射尿素水的尿素水喷射装置，
所述净化状态判定部构成为基于是否从所述尿素水喷射装置喷射尿素水来判定所述NOx净化状态。
7.根据权利要求1或2所述的柴油发动机控制装置，其特征在于，
所述发动机控制单元包括对从发动机起动开始的经过时间进行计时的经过时间计时部，
所述净化状态判定部构成为基于从所述发动机起动开始的经过时间，判定所述NOx净化状态。
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