CN105484841A - 用于估计发动机排出的氮氧化物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于估计发动机排出的氮氧化物的方法和设备。提供了一种系统，所述系统包括基于发动机的曲轴角产生表明在汽缸中已燃燃料的量或已燃燃料的量的变化的值的燃料模块。放热模块基于该值确定在汽缸的燃烧事件期间被释放的热的量。压力模块基于被释放的热的量而估计汽缸中的压力。温度模块基于压力而估计汽缸中的温度。浓度模块基于压力或温度而估计汽缸中的氮氧化物浓度水平。输出模块基于氮氧化物浓度水平而估计氮氧化物的量。控制模块基于汽缸排出的氮氧化物的量而控制发动机或排气系统的运行。

Description

用于估计发动机排出的氮氧化物的方法和设备
技术领域
本发明涉及发动机控制系统和排气系统，并且更具体地，涉及估计发动机排出的氮氧化物（NOx）的量。
背景技术
本文提供的背景技术的描述用于总体地呈现本公开的背景的目的。当前署名发明人的工作，在本背景技术部分中所描述的程度上，以及本描述中可能不能另外足以作为申请时现有技术的各方面，既不确切地也非默示地被承认为与本公开相抵触的现有技术。
内燃发动机（ICE）在汽缸内燃烧空气/燃料混合物以便驱动产生驱动转矩的活塞。ICE的运行，例如火花正时、空气进气流速以及燃料喷射量和正时，基于各种被监测的参数而被控制。参数可以包括发动机转速、发动机温度、质量空气流量、歧管绝对压力、发动机排出的NOx量等。传感器通常被用于测量参数。
ICE的运行可以基于确定从ICE排出的NOx量而被控制。NOx排出的量可以经由NOx传感器被测量。作为替代方案，NOx排出的量可以基于测得的ICE的一个或多个汽缸内的压力而被估计。然而这需要在ICE的一个或多个汽缸中的一个或多个压力传感器。尽管这两种技术提供了对NOx排出的快速和准确的估计，但两种技术都需要至少一个传感器（NOx传感器或一个或多个压力传感器）以便测量NOx和/或ICE的缸内压力。
发明内容
提供了一种系统，所述系统包括燃料模块，该燃料模块基于发动机的曲轴角产生表明（i）发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化的值。放热模块基于所述值确定在汽缸的燃烧事件期间被释放的热的量。压力模块基于被释放的热的量估计汽缸中的压力。温度模块基于压力估计汽缸中的温度。浓度模块基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平。排出模块基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量。控制模块基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
在其它特征中，提供了一种方法，所述方法包括：基于发动机的曲轴角产生表明（i）发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化的值；基于所述值确定在汽缸的燃烧事件期间被释放的热的量；以及基于被释放的热的量估计汽缸中的压力。所述方法还包括：基于所述压力估计汽缸中的温度；基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平；基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量；以及基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
本申请还提供了以下技术方案。
方案1.一种系统，所述系统包括：
燃料模块，所述燃料模块被设置为基于发动机的曲轴角产生第一值，所述第一值表明（i）在发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化；
放热模块，所述放热模块被设置为基于第一值确定在汽缸的燃烧事件期间被释放的热的量；
压力模块，所述压力模块被设置为基于被释放的热的量估计汽缸中的压力；
温度模块，所述温度模块被设置为基于压力估计汽缸中的温度；
浓度模块，所述浓度模块被设置为基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平；
输出模块，所述输出模块被设置为基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量；以及
控制模块，所述控制模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
方案2.根据方案1所述的系统，其中：
燃料模块被设置为基于Wiebe函数和被供给至汽缸以用于汽缸的燃烧循环的燃料的量和多个预先校准的变量而确定在汽缸中已燃燃料的量；以及
燃料模块被设置为基于发动机的类型和发动机的运行条件而确定所述多个预先校准的变量。
方案3.根据方案1所述的系统，其中：
第一值是在汽缸中已燃燃料的量的变化相对于发动机的曲轴角的变化；以及
第一值大于0并且小于或等于1。
方案4.根据方案1所述的系统，其中输出模块被设置为在没有在先产生来自汽缸的缸内压力传感器或缸内温度传感器的信号的情况下确定氮氧化物的量。
方案5.根据方案1所述的系统，其中放热模块被设置为基于在汽缸中已燃燃料的量的变化相对于发动机的曲轴角的变化而确定被释放的热的量。
方案6.根据方案1所述的系统，其中放热模块被设置为基于在汽缸中已燃燃料的量和燃料热值的乘积而确定被释放的热的量。
方案7.根据方案1所述的系统，其中压力模块被设置为基于被释放的热的量、汽缸中的体积、比热比和曲轴角而估计压力。
方案8.根据方案1所述的系统，其中温度模块被设置为基于汽缸中的压力和体积而估计温度。
方案9.根据方案1所述的系统，其中浓度模块被设置为基于温度和将多个温度关联至多个氮氧化物浓度水平的预定的表而估计氮氧化物浓度水平。
方案10.根据方案1所述的系统，其中输出模块被设置为基于以下各项估计发动机排出的氮氧化物的量：
（i）汽缸中的并且不是在平衡状态中的氮氧化物的浓度水平和（ii）汽缸中的并且是在平衡状态中的氮氧化物的浓度水平之比；以及
多个反应速率。
方案11.根据方案1所述的系统，还包括积分模块，所述积分模块被设置为将多个估计的发动机排出的氮氧化物的量求和，其中：
输出模块被设置为针对多个时间步长提供多个估计的氮氧化物的量；以及
控制模块被设置为基于多个估计的发动机排出的氮氧化物的量之和而控制发动机或发动机的排气系统的运行。
方案12.根据方案1所述的系统，还包括：
致动模块，所述致动模块被设置为产生多个请求信号；
空气控制模块，所述空气控制模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量而控制流向发动机的空气流；
火花模块，所述火花模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量而控制发动机的点火正时；
燃料控制模块，所述燃料控制模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量而控制发动机的燃料喷射；以及
排气系统模块，所述排气系统模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量而控制排气系统。
方案13.一种方法，所述方法包括：
基于发动机的曲轴角产生第一值，所述第一值表明（i）在发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化；
基于第一值确定在发动机的燃烧事件期间被释放的热的量；
基于被释放的热的量估计汽缸中的压力；
基于压力估计汽缸中的温度；
基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平；
基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量；以及
基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
方案14.根据方案13所述的方法，包括
基于Wiebe函数和被供给至汽缸以用于汽缸的燃烧循环的燃料的量和多个预先校准的变量而确定在汽缸中已燃燃料的量；以及
基于发动机的类型和发动机的运行条件而确定所述多个预先校准的变量，
其中第一值是在汽缸中已燃燃料的量的变化相对于发动机的曲轴角的变化，并且
其中第一值大于0并且小于或等于1。
方案15.根据方案13所述的方法，其中氮氧化物的量在没有在先产生来自汽缸的缸内压力传感器或缸内温度传感器的信号的情况下被确定。
方案16.根据方案13所述的方法，其中被释放的热的量基于在汽缸中已燃燃料的量和燃料热值的乘积而被确定。
方案17.根据方案13所述的方法，其中：
压力基于被释放的热的量、汽缸中的体积、比热比和曲轴角而被估计；以及
温度基于汽缸中的压力和体积而被估计。
方案18.根据方案13所述的方法，其中氮氧化物浓度水平基于温度和将多个温度关联至多个氮氧化物浓度水平的预定的表而被估计。
方案19.根据方案13所述的方法，其中发动机排出的氮氧化物的量基于以下各项被估计：
（i）汽缸中的并且不是在平衡状态中的氮氧化物的浓度水平和（ii）汽缸中的并且是在平衡状态中的氮氧化物的浓度水平之比；以及
多个反应速率。
方案20.根据方案13所述的方法，还包括：
将多个估计的发动机排出的氮氧化物的量求和，其中所述多个估计的氮氧化物的量针对多个时间步长被提供；以及
基于多个估计的发动机排出的氮氧化物的量之和来控制发动机或发动机的排气系统的运行。
本公开的其它适用领域将从下文提供的详细描述中变得显而易见。应当理解的是详细的描述和具体的示例仅旨在说明的目的并且不意图限制本公开的范围。
附图说明
本公开将从详细的描述和附图中更加全面地被理解，其中：
图1是结合了包括根据本公开的NOx估计模块的控制系统的动力系系统的原理框图；
图2是包括根据本公开的NOx估计模块的控制系统的原理框图；以及
图3示出了根据本公开的NOx估计方法；
图4是示出了已燃燃料的量（已燃燃料的质量）的变化相对于曲轴角的变化的曲线图。
具体实施方式
作为基于来自NOx传感器和/或一个或多个缸内压力传感器的信号确定发动机的NOx排出的量的替代方案，NOx排出的量可以基于发动机的复杂模型而被估计。许多的发动机参数（除NOx排出和缸内压力之外）可以被监测。燃烧和热力学方程可以被用于估计NOx排出的量。尽管这种基于模型的方法不需要NOx传感器和/或缸内压力传感器，但使用这种基于模型的方法估计NOx排出的量是缓慢的并且可能提供不准确的结果。该方法是缓慢的，原因在于许多被监测的参数和需要被求解的方程以便计算NOx排出的量。
示例在下文被公开，包括快速和准确的估计发动机的NOx排出的量而不需要NOx传感器和/或缸内压力传感器。与上文所述的基于模型的方法相比，所述示例包括减少的参数和/或方程的数量。与使用曲线拟合方法不同，所述示例包括具有真实物理意义的数学函数。
而且，如本文所使用的，术语燃烧循环指的是发动机燃烧过程的重复出现的阶段。例如，在4冲程内燃发动机中，单一燃烧循环可以指的是并且包括进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程。四冲程在发动机运行期间被重复。
图1示出了包括控制系统101的动力系系统100。控制系统101包括带有NOx估计模块103的发动机控制模块（ECM）102。NOx估计模块103估计内燃发动机（ICE）104排出的NOx的量。ICE104可以是柴油发动机、火花点火直接喷射（SIDI）发动机、均质充量压缩点火（HCCI）发动机、火花点火发动机、分层火花点火发动机、火花辅助压缩点火发动机或其它内燃发动机。ECM102基于估计的ICE104的NOx排出的量来控制动力系系统100的运行。
尽管动力系系统100以混合动力系系统被示出，本文公开的实施方式也可以被应用于非混合动力系系统。动力系系统100可以为混合动力电动车辆和/或非混合动力车辆而设置。动力系系统100包括基于驾驶员输入模块105来燃烧空气/燃料混合物从而为车辆产生驱动转矩的ICE104。空气经过节气门112被吸入进气歧管110。ECM102命令节气门致动器模块116调节节气门112的开度以便控制被吸入进气歧管110中的空气的量。来自进气歧管110的空气被吸入ICE104的汽缸中。ICE104可以包括任何数目的汽缸（单一汽缸118被示出）。
ECM102包括致动模块119，所述致动模块控制燃料喷射系统（或燃料致动器模块）124、点火系统125，以及下文所述的其它模块和装置。ECM102控制由燃料致动器模块124喷射入汽缸118中的燃料的量。燃料致动器模块124可以经由一个或多个燃料喷射器126将燃料直接喷射入汽缸118中，如图所示。点火系统125可以被包括并且具有一个或多个火花塞（或电热塞）128。
动力系系统100在不同的燃料喷射脉冲模式中运行。第一燃料喷射脉冲模式，被称为单脉冲模式（SPM），包括在燃烧循环期间将单脉冲的燃料喷射入燃烧室（即汽缸118）中。燃烧循环可以，例如在4冲程发动机中，涉及经过4冲程（进气、压缩、点火和排气）的单一顺序。SPM包括单一燃料喷射脉冲每燃烧循环。单一燃料喷射脉冲可以先于进气冲程（即在排气冲程期间）或在进气冲程期间被提供。例如，单一燃料喷射脉冲可以在喷射开始（SOI）之内（例如，在250°-380°处活塞处于最顶端位置或上止点（TDC）之前）被提供。SOI指的是燃料喷射脉冲开始的时间。单一燃料喷射脉冲的正时可以被称为“正常”正时并且可以在曲轴的第一预定角位置处被执行。
第二燃料喷射脉冲模式和第三燃料喷射脉冲模式，被称为多脉冲模式（MPM），包括在燃烧循环期间将燃料的两个或更多个脉冲喷射入汽缸118中。在MPM期间，燃料的第一脉冲可以在燃烧循环期间被喷射入汽缸中，继之以在相同燃烧循环中燃料的一个或多个其它脉冲的喷射。在第二燃料喷射脉冲（或双脉冲）模式期间，除第一喷射之外，第二喷射可以在压缩冲程中被早期提供。举例来说，第二燃料喷射脉冲可以设有在TDC之前140°-220°处的喷射结束（EOI）。EOI是指燃料喷射脉冲结束的时间。在第三燃料喷射脉冲（或三重脉冲）模式期间，除第一喷射和第二喷射之外，第三喷射可以在压缩冲程中被晚期提供。例如，第三喷射脉冲可以设有在TDC之前0°-140°处的EOI。举另一例来说，柴油发动机可以在MPM模式中运行并且每燃烧循环在柴油发动机的每个汽缸中喷射两个燃料脉冲。
在MPM期间，进入汽缸118的燃料的第一燃料喷射脉冲可以提供用于单一燃烧（或发动机）循环的总燃料充量的20-90％。燃料的第二脉冲或燃料的第二和第三脉冲可以各提供用于单一燃烧循环的总燃料充量的10-80％。举例来说，在双脉冲模式期间，燃料的第一脉冲可以提供用于燃烧循环的总燃料充量的60％并且先于进气冲程或在进气冲程期间被引发。燃料的第二脉冲可以提供总燃料充量的40％并且可以在压缩冲程期间被喷射。
举另一例来说，在三重脉冲模式期间，燃料的第一脉冲可以提供用于燃料循环的总燃料充量的60％并且先于进气冲程或在进气冲程期间被引发。燃料的第二脉冲和燃料的第三脉冲可以各提供总燃料充量的20％。在一个或多个燃烧循环期间，被提供给汽缸的相同的燃料总量和/或汽缸内相同的总空气/燃料比可以被提供而与动力系系统100是否以SPM或MPM之一运行无关。
尽管SPM和MPM可以各在每个汽缸118中提供稀化学计量比和/或浓的总空气/燃料比，但是在MPM期间，第二和第三燃料喷射脉冲在汽缸118中火花塞128附近提供浓和/或更浓的空气/燃料比（小于14.7:1的空气/燃料比）。燃料的第二和第三燃料喷射脉冲增加了汽缸118中空气/燃料颗粒的缸内运动并且在火花塞128周围提供了增加燃烧稳定性的小浓云。火花塞128附近的这种浓空气/燃料混合物可以提供产生更完全的燃烧的强点火。
在运行中，来自进气歧管110的空气通过进气门122被吸入汽缸118中。由燃料致动器模块124喷射的燃料与空气混合并且在汽缸118中产生空气/燃料混合物。汽缸118内的活塞（未示出）压缩空气/燃料混合物。基于来自ECM114的信号，火花致动器模块127可以给汽缸118中的火花塞128供能，这将点燃空气/燃料混合物。点火正时在本文中可以被称为火花正时。燃料喷射和火花正时可以相对于ICE104的曲轴的角位置和相对于活塞在TDC处的时间被指定。在TDC处空气/燃料混合物处于最大压缩状态。
空气/燃料混合物的燃烧驱动活塞下降，从而旋转曲轴。活塞接着开始再次向上移动并且通过排气门130排出包括NOx的燃烧副产物。燃烧副产物的至少一些经由排气系统134从车辆排出。排气经过催化剂135。
进气门122可以由进气凸轮轴140控制，而排气门130可以被排气凸轮轴142控制。ECM102可以调节进气门122和/或排气门130的位置以便调节汽缸118中被吸收的空气和保留的惰性残余气体的量。ECM102也可以调整燃料喷射器126的运行，例如开启（ON）时间和/或喷射器开口的尺寸，以便增加被喷射入汽缸118中的燃料的量。ECM102也可以相应于空气/燃料混合物的变化调整排气凸轮轴的正时。
进气门122被开启所处的曲轴角可以由进气凸轮相位器148相对于活塞TDC而变化。排气门130被开启所处的曲轴角可以由排气凸轮相位器150相对于活塞TDC而变化。相位器致动器模块158基于来自ECM102的信号控制进气凸轮相位器148和排气凸轮相位器150。
动力系系统100可以包括向进气歧管110提供加压空气的升压装置。例如，图1示出了涡轮增压器160。涡轮增压器160由流经排气系统134的排气气体提供动力，并且向进气歧管110提供压缩空气充量。涡轮增压器160可以在空气到达进气歧管110之前压缩空气。
废气门164可以允许排气气体绕开涡轮增压器160，从而减少涡轮增压器的输出（或升压）。ECM102经由升压致动器162控制涡轮增压器160。升压致动器模块162可以通过控制废气门164的位置调整涡轮增压器160的升压。压缩空气充量由涡轮增压器160提供至进气歧管110。中间冷却器（未示出）可以耗散压缩空气充量的一些热量，所述热量在空气被压缩时生成，并且也可以通过接近排气系统134而增加。作为在动力系系统100中并入涡轮增压器160的替代方案和/或此外的方案，动力系系统100可以包括机械增压器（未示出）。机械增压器可以向进气歧管110提供压缩空气并且可以由曲轴驱动。
动力系系统100可以包括排气气体再循环（EGR）阀170，该阀选择地将排气气体重新导回至进气歧管110。在各种实施方案中，EGR阀170可以位于涡轮增压器160的后方。动力系系统100可以使用发动机转速传感器180以每分钟转数（RPM）测量曲轴的转速。发动机冷却剂的温度可以使用发动机冷却剂温度（ECT）传感器182来测量。ECT传感器182可以位于ICE104内或在冷却剂被循环的其它位置处，例如散热器（未示出）。
进气歧管110内的压力可以使用歧管绝对压力（MAP）传感器184测量。在多种实施方案中，发动机真空度可以被测量，其中发动机真空度是环境空气压力和进气歧管110内的压力之间的差。流入进气歧管110中的空气的质量可以使用质量空气流量（MAF）传感器186测量。MAF传感器186可以位于包括节气门112的壳体中。
节气门致动器模块116可以使用一个或多个节气门位置传感器（TPS）190来监测节气门112的位置。被吸入动力系系统100中的空气的环境温度可以使用进气空气温度（IAT）传感器192测量。
ECM102和/或NOx估计模块可以使用来自传感器180、182、186、190、192和来自本文中公开的其它传感器的信号估计NOx排出的量并且为动力系系统100做出控制决定。致动模块119可以使用来自传感器180、182、186、190、192和来自本文中公开的其它传感器的信号确定是否转变进入或离开SPM和MPM。
ECM102可以与变速器控制模块194通信以便协调变速器（未示出）中的调档。例如在换档期间ECM102可以减少转矩。ECM102可以与混合动力控制模块196通信以便协调ICE104和电动马达198的运行。电动马达198也可以起发电机的作用，并且可以被用于产生供车辆电气系统使用和/或用于在电池中储存的电能。在各种实施方式中，ICE104、变速器控制模块194和混合动力控制模块196可以被整合成一个或多个模块。
为了概括地提及ICE104的各种控制机构，改变发动机参数的每个系统都可以被称为致动器。例如，节气门致动器模块116可以改变节气门112的叶片位置，并且因此改变节气门112的开口面积。节气门致动器模块116可以因此被称为致动器，并且节气门开口面积可以被称为致动器位置。
相似地，火花致动器模块126可以被称为致动器，而相应的致动器位置是火花提前量。其它致动器包括升压致动器模块162、EGR阀17、相位器致动器模块158、燃料致动器模块124和汽缸致动器模块120。关于这些致动器的术语致动器位置可以分别对应于升压压力、EGR阀开度、进气和排气凸轮相位角、空气/燃料比以及启用的汽缸的数目。
虽然电动马达198可以以与ICE104的转矩输出串联和/或并联的方式提供转矩，但是应当理解其它设置也是被预期为在本说明书的范围之内的。例如，电动马达198可以被实施为一个或多个直接向车轮200提供转矩而不是经过变速器202的电动马达。
ICE104和电动马达198的组合转矩被应用于变速器202的输入。变速器202可以是根据来自ECM102的齿轮改变命令变换齿轮的自动变速器。变速器202的输出轴被联接至差速齿轮204的输入。差速齿轮204驱动车轴和车轮200。车轮转速传感器206产生表明其各自车轮200的旋转速度的信号。
ECM102基于接收到的传感器信号和本文描述的其它参数来估计待提供的发动机输出转矩。ECM102可以调整节气门的位置、空气-燃料比、气门正时、燃料喷射等以便提供估计的发动机输出转矩。基于目标发动机输出转矩，ECM102控制发动机装置从而实现理想的空气流、理想的燃料喷射和/或理想的火花正时。目标发动机输出转矩可以基于车辆操作者（驾驶员）请求和/或可以基于控制器而定，例如来自巡航控制系统的转矩输出请求。
由ECM102接收的传感器信号可以包括来自以下传感器的传感器信号：MAP传感器184、MAF传感器186、节气门位置传感器190、IAT传感器192、加速器踏板位置传感器195或其它传感器，例如发动机冷却剂温度传感器182、发动机转速传感器180、环境温度传感器197、油温传感器198和车辆速度传感器201。
ECM102与节气门致动器模块116通信。ECM102从节气门位置传感器190接收节气门位置信号并且基于节气门位置信号调整节气门位置。ECM102可以基于加速器踏板193的位置使用节气门致动器来控制节气门112。节气门致动器模块116可以包括提供对节气门位置的有限和/或粗略控制的马达或步进马达。
ECM102可以基于目标MAP和目标MAF确定节流面积，并且可以产生控制信号以便基于节流面积来控制节气门。目标MAP和MAF可以基于发动机转速和转矩请求信号被确定。
动力系系统100还可以包括大气压力传感器208。大气压力传感器208可以被用于确定环境条件，所述环境条件还可以被用于确定理想节流面积。理想节流面积可以对应于具体的节气门位置。
动力系系统100也可以包括各种可以由致动模块119、NOx估计模块103和/或动力系系统100的其它模块使用的表210。表210可以包括SPM表212、MPM表214、热力学表216和组分浓度（speciesconcentration）表218。表210可以各自与关于图3的方法所描述的任务中的一个或多个任务相关。NOx估计模块103可以基于本文公开的任何和/或全部传感器信号来估计ICE104的每个汽缸118排出的NOx的量和/或ICE104排出的NOx的总量。NOx估计模块103的示例模块关于图2和3被示出和描述。
现在也参考图2，图2示出了包括ECM102和NOx估计模块103的控制系统101。NOx估计模块103包括已燃燃料模块230、放热模块232、压力模块234、温度模块238、浓度模块240、NOx输出模块242和积分模块244。NOx估计模块103和/或ECM102也可以包括发动机载荷模块246、EGR模块248、排气水浓度模块250、排气二氧化碳（CO2）模块252和进气浓度模块254。在一实施例中，模块102、103不包括模块246、248、250、252、254。
ECM102包括NOx估计模块103、致动模块119、空气控制模块256、火花控制模块258、汽缸控制模块259、燃料控制模块260、排气系统模块262、升压调度模块264和相位调度模块266。排气系统模块262被连接至排气系统致动器模块268并且基于积分模块244的输出来控制排气系统致动器模块268。排气系统致动器模块268可以致动排气系统134的一个或多个气门。排气系统致动器模块268也可以控制排气系统134的再生，这可以包括控制排气系统134中一个或多个线圈（或电气元件）的电加热。排气系统致动器模块268可以控制进入排气系统134中的尿素喷射。模块256、258、259、260、262、264和266分别控制致动器模块116、127、120、124、268、162、158。模块256、258、259、260、262、264和266可以产生目标面积信号TA、火花提前信号SA、汽缸停用信号＃Cyls、燃料速率信号FR、排气信号EXH、升压压力信号BP、进气角信号IA和排气角信号EA，以上信号可以被提供给模块116、127、120、124、268、162、158，并且被用于控制模块116、127、120、124、268、162、158。
动力系系统100和NOx估计系统101可以使用许多方法运行。NOx估计方法的示例在图3中示出。尽管下述任务主要地关于图1-2的实施方式被描述，所述任务可以容易地被改变以便应用于本公开的其它实施方式。任务可以被反复执行。
方法可以在300处开始。在302处，上文描述的参数传感器信号被生成并且其它发动机参数被确定。这可以包括产生传感器信号RPM、TPS、MAF、IMT、IAT、AMB、OIL、ECT、VEH、MAP和FUEL。EGR模块248确定EGR率（例如，总排气流速率的一定百分比）RATE271。EGR率由信号271提供。燃料控制模块260可以确定：空气/燃料比（以千克（kg）计的空气量除以以kg计的燃料量）；可以基于发动机的各个曲轴角φ来表明的汽缸118的燃料喷射起始时间；以及，各个发动机循环的燃料的总喷射量（kg每循环每汽缸）。曲轴角φ可以经由曲轴传感器267表明。ECM102可以从存储器确定和/或获得以下参数：ICE104的进气门的进气门关闭时间；ICE104的排气门的排气门关闭时间、汽缸118的体积、汽缸118中活塞的直径和/或其它参数。
发动机载荷模块246可以基于参数传感器信号确定ICE104上的载荷或ICE104的输出转矩并且产生发动机载荷信号LOAD（信号285）。在一实施例中，发动机载荷模块246未被包括和/或发动机载荷模块的输出未被用于NOx估计。发动机载荷可以替代地在312处确定，如下文所述。发动机载荷模块246可以基于各种参数确定发动机载荷。参数可以基于来自上文所述的图1的传感器的参数传感器信号而被确定。例如，发动机载荷模块246可以基于以下信号来确定发动机载荷：发动机转速信号RPM（273）、节气门位置信号TPS（274）、质量空气流量信号MAF（275）、进气空气温度信号IAT（276）、环境温度信号AMB（278）、油温信号OIL（279）、发动机冷却剂温度ECT（280）、车俩速度信号VEH（281）、歧管绝对压力信号MAP（282）和/或其它传感器信号和/或来自ECM102的模块的信号。来自ECM102的模块之一的信号的例子是燃料喷射控制信号FUEL（283），该信号可以由燃料控制模块260和/或燃料致动器模块124提供。发动机载荷模块246基于传感器信号产生表明发动机载荷的发动机载荷信号LOAD（285）。
排气水浓度模块250可以估计在ICE104的排气中水浓度H2O的量（信号287）。排气CO2模块可以估计在ICE104的排气中CO2的量（信号289）。这可以基于上文所述的参数和/或来自排气系统134的CO2传感器的CO2信号。进气浓度模块254可以估计在ICE104的进气歧管110中的空气和水A/W的量（信号291）。
在304处，已燃燃料模块230可以为ICE104的每个汽缸确定在每个曲轴角φ（信号295）处的已燃燃料的总量x（信号294）和/或共同地作为全部汽缸118的总和来确定已燃燃料的总量x（信号294）。举例来说，已燃燃料的总量x可以使用一个或多个数学函数确定，例如一个或多个Wiebe函数。例如，已燃燃料的总量x可以由方程1代表，其中φ是曲轴角，是的反自然对数，其中m、φ 1、φ 2是校准的预定值并且x1max和x2max是针对双脉冲循环的每个燃料喷射的燃料量（或燃料质量值）。方程1是以积分形式示出的Wiebe函数的示例。举例来说，m可以等于-0.5。已燃燃料模块230可以基于以下各项确定值m、φ 1和φ 2：ICE104的特定的类型、尺寸、式样、汽缸数目等；发动机的运行条件；和/或本文公开的并且由ECM102的模块中的一个或多个模块确定的传感器信号和/或参数中的一个或多个。值m、φ 1和φ 2可以基于传感器信号、运行条件和/或ECM102的模块中的一个或多个模块的参数而变化和/或在表210中的一个或多个表中被查出。
[1]
方程1的导数（或）的曲线图在图4中作为曲线293示出。方程1以积分形式代表曲线293下方的面积。曲线图是关于已燃燃料的总量x相对于曲轴角的微分值。换言之，已燃燃料的总量x的变化相对于曲轴角φ的变化被示出。曲线293具有两个峰，并且可以被用于以MPM运行的柴油发动机，其中汽缸的每个发动机循环具有引燃燃料喷射脉冲和主燃料喷射脉冲。
作为任务304的替代方案或除任务304之外，任务306可以被执行以便计算已燃燃料的量x。在306处，导数（信号296）被确定。例如导数可以由方程2代表。
[2]
方程2是方程1的Wiebe函数以导数（或微分）形式示出的示例。导数提供了大于或等于0和小于或等于1的单位区间值.。导数通常大于0。
在308处，放热模块232基于已燃燃料的量x和/或单位区间值来为当前时间步长和汽缸118确定释放的热的量QNET（信号297）。当前时间步长可以是预定的时间量并且可以基于具有预定频率的时钟信号而定。释放的热的量QNET可以被设为等于已燃燃料的量x乘以燃料热值。燃料热值是预定的常数值。
如果任务304被执行，则释放的热的量QNET可以基于当前曲轴角φ c和先前曲轴角φ c－1之间的差来估计。针对当前时间步长的释放的热的量可以被设为等于：针对当前曲轴角φ c确定的释放的热的量减去针对先前曲轴角φ c－1释放的和/或确定的热的量。如果任务306被执行，直到先前曲轴角φ c－1为止已燃燃料的总量加上当前曲轴角φ c和先前曲轴角φ c－1的已燃燃料的量之差可以提供更新的已燃燃料的总量。更新的已燃燃料的总量可以接着被用于估计直到当前曲轴角φ c为止释放的热的量（或释放的热的总量）。
在310处，压力模块234基于在各个汽缸118中的当前时间步长释放的热QNET来估计缸内压力P的量（信号298）。缸内压力的量可以针对各个汽缸118来确定。缸内压力可以基于例如方程3来确定。
[3]
在312处，发动机载荷模块246可以基于本文公开并且由ECM102的模块中的一个或多个模块确定的传感器信号和/或参数中的一个或多个来确定ICE104上的载荷。任务312可以在任务304-310的一个或多个期间被执行。
在314处，浓度模块240基于以下各项针对当前时间步长估计各个汽缸118中的温度T（信号299）：各个汽缸118的缸内压力P；以及，本文公开并且由ECM102的模块中的一个或多个模块确定的传感器信号和/或参数中的一个或多个。温度T可以基于理想气体定律（PV＝nrT）来确定，其中P是缸内压力，V是对应汽缸内的体积，n是汽缸中的物质（空气/燃料混合物）的量，r是理想或通用气体常数，以及T是汽缸中的温度。体积V取决于活塞位移。
在一实施例中，各个汽缸118的各个温度T基于以下参数来确定：对应体积V、对应活塞直径、发动机转速RPM、排气气体再循环率RATE（或总排气流速率的百分比）、空气/燃料比AFR（以千克计的空气量与以千克计的燃料量之比）（信号307）、燃料喷射的起始时间SOI（信号309）、喷射燃料的总量FT（以千克每循环每汽缸计）（信号311）、进气歧管压力IMP（以千帕计）（信号313）、进气歧管温度（以绝对温度计）（信号315）、进气门关闭时间IVC（以曲轴角度计）（信号317）、和排气门开启时间EVO（以曲轴角度计）（信号319）。温度T可以基于信号287、289、291中的一个或多个来确定。温度T可以基于将这些参数关联到例如ICE104的估计压力的预定表来确定。
在316处，浓度模块240为各个汽缸118估计当前时间步长的非平衡状态中的反应气体和平衡状态中的反应气体的组分浓度量（或水平）。例如，在非平衡状态中的氮氧化物的浓度水平（标记为[NO]）和在平衡状态中的氮氧化物的浓度水平（标记为[NO]e）被确定。组分浓度水平[NO]和[NO]e由信号301、303表明。组分浓度可以基于在310处确定的压力P、在314处确定的温度T、表216、218中的一个或多个表、和/或定义ICE104的条件和/或状态的热力学方程而被确定。表218可以将压力P和/或温度T关联到组分浓度水平（例如，[NO]、[NO]e）。浓度水平可以基于信号271、287、289、291、298、307、309、311、313、315、317、319中的一个或多个而被确定。
在318处，NOx输出模块242基于组分浓度水平[NO]、[NO]e来估计ICE104排出的NOx的量（信号305）。这可以经由方程4被确定，其中R1、R2、R3是可以从Zeldovich动力学方程推导出的反应速率。
[4]
每一个时间步长（或为任务318每一次被执行而确定）的NOx的量可以存储在ECM102的存储器中并且随后在任务320处获取。
在319处，NOx估计模块103确定是否为另一个（或下一个）时间步长再次执行任务302-318中的一个或多个。如果任务302-318中的一个或多个被重复，则下一时间步长成为当前时间步长。如果任务302-318中的一个或多个将不被重复，则任务320被执行。
在320处，积分模块244对各个时间步长确定的NOx的量求积分（或求和）以便确定ICE104排出的NOx的总量TOTNOx（信号321）。
在322处，致动模块可以基于积分模块244的输出（或ICE104排出的NOx的总量TOTNOx）产生请求信号。请求信号可以包括空气转矩请求信号323、火花请求信号325、汽缸关闭请求信号327、燃料转矩请求信号329和排气系统请求信号331。这些信号可以被用于控制流入ICE104的空气流、ICE104的火花正时、ICE104的汽缸停用、ICE104的燃料喷射量和正时以及排气系统134。
空气控制模块256可以基于空气转矩请求信号323产生目标歧管绝对压力（MAP）信号和每缸空气（APC，airpercylinder）信号。升压调度模块264和相位器调度模块266可以基于目标MAP和APC信号控制升压致动器模块162和节气门致动器模块116。火花控制模块258可以基于火花转矩请求信号325产生火花提前信号SA。汽缸控制模块259可以基于汽缸关闭请求信号327产生汽缸停用信号＃Cyls。燃料控制模块260基于燃料转矩请求信号329产生燃料速率信号FR。排气系统模块262基于排气系统请求331产生排气系统信号EXH。升压调度模块264基于目标MAP信号产生升压压力信号BP。空气控制模块256基于空气转矩请求产生目标面积信号TA。相位器调度模块266基于目标APC信号产生进气角和排气角信号IA、EA。方法可以在324处结束。
上文所述的任务旨在作为示意性的示例；任务可以在重叠的时间段期间顺序地、同步地、同时地、连续地被执行，或根据应用以不同的次序被执行。而且，任何任务可以根据实施方式和/或事件的顺序不被执行或被略过。
上文所述的方法包括使用可以基于发动机运行条件得到的（或改变的）数学方程（或函数）。所述方法允许在对应的预定校准范围之外的确定的和/或监测的参数的良好趋势预测。
前述的描述在本质上是仅示例性的并且不以任何方式试图限制本公开、其应用或使用。本公开的广义教导可以以多种形式被实施。因此虽然本公开包括特定示例，但本公开的真实范围不应当是这样有限的，原因在于其它改型将从附图、说明书以及所附权利要求的学习中变得显而易见。如本文中使用的，短语A、B和C中的至少一个应当被解释为意思是使用非排他性逻辑“或”（OR）的逻辑（A或B或C），并且不应当被解释为意思是“至少A的一个、至少B的一个和至少C的一个”。应当理解的是方法内的一个或多个步骤可以以不同次序（或并行地）被执行而不改变本公开的原理。
在本应用中，包括下文的定义在内，术语“模块”或术语“控制器”可以由术语“电路”取代。术语“模块”可以指以下器件、或是以下器件的一部分、或包括以下器件：专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合式模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合式模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器电路（共享、专用或群）；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路（共享、专用或群）；其它提供所述的功能的合适的硬件部件；或上述器件的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括被连接至局域网（LAN）、因特网、广域网（WAN）或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给出的模块的功能可以在经由接口电路连接的多个模块之间分配。例如，多模块可以允许负载平衡。在进一步的示例中，服务器（也被称为远程或云）模块可以代表客户模块完成一些功能。
术语代码，如上文使用的，可以包括软件、固件和/或微码，并且可以指程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享的处理器电路包含执行来自多模块的一些或全部代码的单处理器电路。术语群处理器电路包含与额外的处理器电路组合、执行来自一个或多个模块的一些或全部代码的处理器电路。提及的多处理器电路包括在离散芯片上的多处理器电路、在单一芯片上的多处理器电路、单处理器电路的多核、单处理器电路的多线程，或上述的组合。术语共享的存储器电路包含存储来自多模块的一些或全部代码的单存储器电路。术语群存储器电路包含与额外的存储器组合、存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器电路。
术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。术语计算机可读介质，如本文使用的，不包含通过介质（例如在载波上）传播的暂时性电气或电磁信号；术语计算机可读介质可以因此被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性、有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储电路（例如闪存电路、可擦除编程只读存储器电路或光罩只读存储器电路）、易失性存储电路（例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路）、磁性存储介质（例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器），以及光学存储介质（例如CD、DVD，或蓝光光碟）。
本申请中描述的设备和方法可以部分地或全部地由特殊用途计算机来实施，所述特殊用途计算机通过将通用计算机设置成执行在计算机程序中具体化的一个或多个特定功能而创制。上文描述的功能框和流程图要素起到软件说明的作用，可以通过熟练的技术人员或程序员的例行工作被翻译为计算机程序。
计算机程序包括存储在至少一个非暂时性、有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序也可以包括或依靠存储的数据。计算机程序可以包含与特殊用途计算机的硬件相互作用的基本输入/输出系统（BIOS）、与特殊用途计算机的特定装置相互作用的装置驱动器、一个或多个操作系统、用户应用、后台服务、后台应用等。
计算机程序可以包括：（i）待解析的描述文本，例如HTML（超文本链接标示语言）或XML（可扩展标记语言），（ii）汇编码，（iii）由编译器从源代码生成的目标代码，（iv）用于由解释器执行的源代码，（v）用于由即时编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，源代码可以使用来自包括以下语言的语法书写：C、C＋＋、C#、ObjectiveC、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java?、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript?、HTML5、Ada、ASP（动态服务器主页）、PHP、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash?、VisualBasic?、Lua和Python?。
在权利要求中陈述的任何要素均不试图在35U.S.C.§112（f）的意思范围内作为装置加功能的要素，除非要素使用短语“用于……的装置”被清楚地陈述，或在使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”的方法权利要求的情况中。

Claims (10)

1.一种系统，所述系统包括：
燃料模块，所述燃料模块被设置为基于发动机的曲轴角产生第一值，所述第一值表明（i）在发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化；
放热模块，所述放热模块被设置为基于第一值确定在汽缸的燃烧事件期间被释放的热的量；
压力模块，所述压力模块被设置为基于被释放的热的量估计汽缸中的压力；
温度模块，所述温度模块被设置为基于压力估计汽缸中的温度；
浓度模块，所述浓度模块被设置为基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平；
输出模块，所述输出模块被设置为基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量；以及
控制模块，所述控制模块被设置为基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
燃料模块被设置为基于Wiebe函数和被供给至汽缸以用于汽缸的燃烧循环的燃料的量和多个预先校准的变量而确定在汽缸中已燃燃料的量；以及
燃料模块被设置为基于发动机的类型和发动机的运行条件而确定所述多个预先校准的变量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中：
第一值是在汽缸中已燃燃料的量的变化相对于发动机的曲轴角的变化；以及
第一值大于0并且小于或等于1。
4.根据权利要求1所述的系统，其中输出模块被设置为在没有在先产生来自汽缸的缸内压力传感器或缸内温度传感器的信号的情况下确定氮氧化物的量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中放热模块被设置为基于在汽缸中已燃燃料的量的变化相对于发动机的曲轴角的变化而确定被释放的热的量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中放热模块被设置为基于在汽缸中已燃燃料的量和燃料热值的乘积而确定被释放的热的量。
7.根据权利要求1所述的系统，其中压力模块被设置为基于被释放的热的量、汽缸中的体积、比热比和曲轴角而估计压力。
8.根据权利要求1所述的系统，其中温度模块被设置为基于汽缸中的压力和体积而估计温度。
9.根据权利要求1所述的系统，其中浓度模块被设置为基于温度和将多个温度关联至多个氮氧化物浓度水平的预定的表而估计氮氧化物浓度水平。
10.一种方法，所述方法包括：
基于发动机的曲轴角产生第一值，所述第一值表明（i）在发动机的汽缸中已燃燃料的量或（ii）汽缸中已燃燃料的量的变化；
基于第一值确定在发动机的燃烧事件期间被释放的热的量；
基于被释放的热的量估计汽缸中的压力；
基于压力估计汽缸中的温度；
基于压力或温度估计汽缸中的氮氧化物浓度水平；
基于氮氧化物浓度水平估计汽缸排出的氮氧化物的量；以及
基于汽缸排出的氮氧化物的量控制发动机或发动机的排气系统的运行。
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