CN106121793B - 用于确定内燃机的废气供给流中NOx含量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种内燃机，其是结合一种用于动态确定其废气供给流的氮氧化物的质量流速的方法进行描述的。该方法包括确定当前发动机工作点和确定基准发动机工作点的基准NOx含量。基于当前发动机工作点和基准发动机工作点来确定燃烧化学反应速率。基于基准NOx含量、燃烧化学反应速率和燃烧混合率常量来动态确定在内燃机的工作期间废气供给流中的NOx含量。

Description

用于确定内燃机的废气供给流中NOx含量的方法和设备
技术领域
本发明大致涉及内燃机的操作，以及确定内燃机的废气供给流中氮氧化物(NOx)的含量的操作。
背景技术
内燃机可耦接于废气后处理系统以净化废气供给流。示例性的废气后处理系统可包括净化装置，例如氧化催化剂、还原催化剂以及颗粒过滤器。示例性的废气后处理系统可包括监测装置，例如温度传感器和废气成分传感器。发动机控制器可采用来自监测装置的反馈，以控制内燃机的操作并且监测内燃机的操作。一种废气成分传感器监测来自发动机的氮氧化物(NOx)。
发明内容
描述了一种内燃机，其是结合一种用于动态确定其废气供给流的氮氧化物(NOx)的质量流速的方法进行描述的。该方法包括确定当前发动机工作点和确定基准发动机工作点的基准NOx含量。基于当前发动机工作点和基准发动机工作点来确定燃烧化学反应速率。基于基准NOx含量、燃烧化学反应速率和燃烧混合率常量来动态确定在内燃机的工作期间废气供给流中的NOx含量。
本教示的上述特征和优点以及其他特征和优点从在结合附图获取的并且限定在所附权利要求中的用于执行本教示的其中一些最佳模式和其他实施例的下文详细描述中能显而易见。
附图说明
现在将借助实例参照附图对一个或多个实施例进行描述，这些附图示意性地说明根据本发明的内燃机(发动机)以及附加的发动机控制器。
具体实施方式
现在参照附图，其中这些描述仅仅用于说明某些示例性实施例而并非用于对其进行限制，附图示意性地说明根据本发明构造的内燃机(发动机)10和附加的发动机控制器15。在一个实施例中，所说明的发动机10是压缩点火发动机，其构形成以主要倾向于化学计量的空/燃比操作，但本发明并不局限于此。本发明可应用于为了发动机控制或诊断而监测NOx排放的任何内燃机系统。
所说明的发动机10优选地包括多气缸直喷四冲程内燃机，其包括发动机组、活塞、曲轴、发动机缸盖以及其他基础发动机部件和系统。确切地与本发明相关的是，发动机10优选地具有进气系统20、燃料喷射系统30、涡流阀系统26、进气压缩系统40、废气后处理系统50以及废气再循环系统60。发动机10以重复执行的循环进行操作，每个循环包括进气、压缩、供以动力和排气冲程。发动机操作可使用传感器直接地监测，或者使用可执行模型和模拟来评估，如本文描述的那样。一种发动机监测传感器包括发动机冷却剂温度(ECT)传感器38。另一发动机监测传感器包括曲轴位置传感器39，用以监测发动机速度(RPM)和活塞位置。
进气系统20将进气提供给进气歧管22，该进气歧管将空气分配并且引导到进气流道23中，该进气流道引导至发动机气缸。进气系统20具有气流管道以及用于监测和控制进气流的装置。用于控制进气流的装置包括进气过滤器24、充气冷却器(在采用时)以及节气阀34。节气阀34优选地包括电子控制装置，该电子控制装置响应于来自发动机控制器15的控制信号控制流至发动机10的进气流。进气压缩系统40包括进气压缩机44，该进气压缩机由流体地耦接于废气系统50的废气涡轮42驱动。用于监测进气流的装置优选地包括质量空气流传感器25，该质量空气流传感器优选地构形成监测进气质量空气流(MAF)、进气温度(IAT1、IAT2)、空气湿度(HUM)以及进气压力(IAP)。可采用由质量空气流传感器25测量的进气质量空气流(MAF)来确定进气/气缸(APC)的测量值。进气歧管22中的压力传感器36监测歧管绝对压力(MAP)和大气压(BARO)。
燃料喷射系统30优选地包括多个直喷燃料喷射器32，用于将燃料直接供给到各个气缸中。在一个实施例中，共轨燃料系统将加压燃料供给至所有燃料喷射器32。在一个实施例中，燃料喷射器32是螺线管启动装置，其由源自控制器15的指令信号所控制。燃料喷射器32能够在每个气缸事件期间执行多个燃料喷射事件。多个燃料喷射事件可包括在进气冲程期间或在压缩冲程的早期执行一个或多个引燃喷射事件，以及在压缩冲程的最后执行一个或多个主喷射事件。可采用在每个气缸事件期间输送至气缸的燃料质量来表示发动机载荷。
涡流阀系统26可包括多个可控制的涡流阀28，这些涡流阀位于引导至气缸的进气流道23中。在一个实施例中，每个涡流阀28均是可控制的蝶形阀，该蝶形阀具有小于进气流道23的内径的外径。在一个实施例中，涡流阀28受控制以在发动机怠速状况中处于完全关闭的状态，以在进入每个气缸的进气流中引起湍流，由此改进缸内的燃料和空气混合。涡流阀28响应于可能源自控制器15的指令而随着发动机速度增大而逐渐打开。可采用具有类似效果的可控制涡流阀28的其他实施例。
废气歧管52带走从发动机10输出的废气，用以通过进气压缩系统40的废气涡轮42流通至废气后处理系统50。废气再循环(EGR)系统60使得废气的一部分通过称为废气再循环阀62的流量控制阀再流通至进气歧管20。废气再循环系统60可包括例如废气再循环冷却器、旁通阀以及相关传感器。发动机控制器15通过控制废气再循环阀62的开度来控制废气流至进气歧管22的质量流。废气再循环系统60和相关的控制系统是已知的。
废气后处理系统50包括一个或多个废气净化装置56和一个或多个废气传感器54。当发动机10构形为压缩点火发动机时，举例来说，废气净化装置56可包括氧化催化剂、颗粒过滤器和选择性催化剂还原装置。举例来说，废气传感器54可包括发动机流出NOx传感器、宽量程空/燃比传感器以及一个或多个温度传感器。
术语控制器、控制模块、模块、控制件、控制单元、处理器以及类似的术语是指(多个)专用集成电路(ASIC)、(多个)电子电路、(多个)中央处理单元(例如执行一个或多个软件或固件程序或例程的(多个)微处理器以及相关联的存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬驱动等))、(多个)组合逻辑电路、(多个)输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及提供所描述功能其的他部件中的任何一个或各种组合。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法以及类似的术语意指任何可由控制器执行的指令集，包括标度以及查找表。每个控制器执行控制例程以提供所期望的功能，包括监测来自传感装置和其他联网控制器的输入，以及执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。例程能以规则的间隔执行，例如在正运行期间每隔100微秒或者每隔3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒。替代地，例程可响应于事件的发生而执行。控制器之间以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接有线链路、网络通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路来实现。术语“模型”是指基于处理器或者处理器可执行代码以及相关的标度，其模拟装置或物理过程的物理存在。
发动机控制器15优选地包括可执行的控制例程16，用于针对由发动机10产生的废气供给流动态地确定氮氧化物(NOx)的测量值，例如百万分率(ppm)或其他合适的公制。如本文所使用的，术语“动态”和“动态地”描述实时执行的步骤或过程并且其特征在于监测或以其他方式确定参数的状态以及在执行例程期间或者在例程的执行迭代之间规则地或周期性地更新参数的状态。如本文所使用的，术语“发动机专用”指代由制造商生产的发动机的专用模型，并且优选地涉及诸如气缸构型、燃料输送以及其他等元件。
控制例程16包括对NOx的基于物理确定，其采用化学反应率的发动机构型专用评估，以及使用发动机运行参数的当前观测状态的燃烧混合率常量(C)。控制例程16包括以下公式，该公式被换算成可执行代码，其被周期性地执行以基于发动机参数的所监测状态来确定废气供给流中的NOx浓度。
EQ.1可被执行以基于基准NOx含量、燃烧化学反应率以及燃烧混合率常量来动态地确定在当前发动机速度/负载工作点下由发动机10产生的废气供给流中的NOx，其中，基于单缸空气项和反应速率项来确定燃烧化学反应率。EO.1项指代针对当前发动机速度/负载工作点和基准发动机速度/负载工作点的发动机参数。通过执行作为控制例程16的一部分的EQ.1计算的NOx状态基于基准NOx常量项混合率常量C以及多个不同项g2至g11，其表征与基准速度/负载工作点的偏差。如此，EQ.1的执行具有上边界稳定性。
基准NOx含量项为在基准状态下操作的发动机10产生的废气流中氮氧化物的浓度。基准发动机速度/负载工作点可以为发动机10的任意特定工作点，优选地是在稳态操作条件下和在限定的操作参数下。举例来说，基准发动机速度/负载工作点可以包括发动机怠速状态，其中发动机10的全部各种工作参数都设定在预定限制或速率下。可选地或另外，在发动机速度处于怠速和最大发动机速度的范围内且发动机负载处于空载和最大发动机负载的范围内，存在多个发动机速度/负载工作点。EQ.1的C项为发动机专用混合率常量，其表示由于燃料和空气混合的上限或最大动力反应速率。EQ.1的燃烧化学反应速率部分提供了模型反应速率项，其包括单缸空气项和以下反应速率项：
单缸空气项如下：
其中，APC为当前发动机速度/负载工作点的单缸进气的测量值，且APC基准为基准发动机速度/负载工作点的单缸进气。
g1项以下述方式确定：
g1＝k1ecΔ喷射T
其中，e为自然对数的底数，Δ喷射T项为燃料喷射正时与标称燃料喷射正时之差，c项为发动机专用常量项且k1为发动机专用标量因子，其可以导出用于发动机速度/工作点范围内的多个发动机速度/负载工作点中的每一个。
反应速率项如下：
其中：
e为自然对数的底数；
g2＝k2ΔP进气；
g3＝k3Δ喷射T；
g5＝k5ΔT进气；
g6＝k6ΔPct涡流；；
g7＝k7ΔT冷却剂；
和
项为基准NOx含量，例如，对于基准发动机速度/负载工作点的以ppm(百万分率)计的浓度。
ΔP喷射项是为燃料喷射压力与基准发动机速度/负载工作点的燃料喷射压力之差。
ΔT冷却剂项为发动机冷却剂温度与基准发动机速度/负载工作点的发动机冷却剂温度之差。
ΔT进气项为进气温度与基准发动机速度/负载工作点的进气温度之差。
项为以百分比计的进气的氧气浓度与基准发动机速度/负载工作点进气的氧气浓度之差。
ΔPct涡流项为以百分比计的命令进气涡流与基准发动机速度/负载工作点的命令进气涡流之差。
项为燃料喷射正时与基准发动机速度/负载工作点的第一引燃燃料喷射的燃料喷射正时之差。
项为燃料喷射质量与基准发动机速度/负载工作点的第一引燃燃料喷射的燃料喷射质量之差。
项为燃料喷射正时与基准发动机速度/负载工作点的第二引燃燃料喷射的燃料喷射正时之差。
项为燃料喷射质量与基准发动机速度/负载工作点的第二引燃燃料喷射的燃料喷射质量之差。
所述项k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9、k10和k11为发动机专用标量因子。在一个实施例中，所述项k1至k11为发动机专用标量因子，其可以导出用于发动机速度/工作点范围内的多个发动机速度/负载工作点中的每一个。
通过执行EQ.1来计算NOx状态是基于与温度、流量和混合相关而且还与化学反应速率相关的物理概念而导出。因此，发动机专用标量因子k1至k11的数值可以为易于移入和存储在与控制器15相连的存储装置中的标度表中。确定发动机专用标量因子k1至k11的标度运用可以通过实验设计(DOE)方法论以及软件和工具优化来确定特定值的方式实施。
当所述废气传感器54构形成监测发动机排出的NOx排放量时，通过在控制器15中执行EQ.1计算的NOx状态可以用来监测废气传感器54的性能，从而为诊断目的提供了发动机排出的NOx排放量的第二指示器。通过在控制器15中执行EQ.1计算的NOx状态可以用来监测发动机排出的NOx排放量，从而为发动机控制的目的提供了发动机排出的NOx排放量的指示器。呈这种构型的废气传感器54可以构形为仅监测废气供给流中的空气/燃料比。
详细说明和图示或附图支持与描述了本发明，但本教示的范围仅由权利要求限定。虽然用于实现本教示的一些最佳模式和其他实施例已经进行了详细描述，但各种替代的设计和实施例存在以实施如所附权利要求中限定的本教示。

Claims (8)

1.一种用于确定衡量由内燃机产生的废气供给流中氮氧化物(NOx)指标的方法，该方法包括：
通过控制器来确定当前发动机工作点；
确定基准发动机工作点的基准NOx含量；
基于所述当前发动机工作点和所述基准发动机工作点来确定燃烧化学反应速率；
基于所述基准NOx含量、所述燃烧化学反应速率和燃烧混合率常量来动态确定在所述内燃机的工作期间所述废气供给流中的NOx含量，其中该燃烧混合率常量表示由于燃料和空气混合的上限或最大动力反应速率；和
基于所述废气供给流中NOx的含量通过控制器控制内燃机的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述当前发动机工作点和所述基准发动机工作点来确定所述燃烧化学反应速率包括：
基于所述当前发动机工作点和所述基准发动机工作点来确定单缸空气项；
基于所述当前发动机工作点和所述基准发动机工作点来确定反应速率项；和
基于所述单缸空气项和所述反应速率项来确定所述燃烧化学反应速率；
其中，所述单缸空气项如下：
其中，APC为当前发动机速度/负载工作点的单缸进气的测量值，且APC基准为基准发动机速度/负载工作点的单缸进气；
其中基于所述当前发动机工作点和所述基准发动机工作点来确定所述反应速率项还包括：
动态确定所述当前发动机工作点的多个发动机参数的当前状态；
确定所述基准发动机工作点的多个基准因子；
确定所述多个基准因子和所述发动机参数的所述当前状态的多个反应元素；和
基于所述反应元素确定所述反应速率项。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前燃料喷射正时和与所述基准发动机工作点相关的基准燃料喷射正时之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
4.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前燃料喷射压力和与所述基准发动机工作点相关的基准燃料喷射压力之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
5.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前进气氧气浓度和与所述基准发动机工作点相关的基准进气氧气浓度之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
6.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前进气温度和与所述基准发动机工作点相关的基准进气温度之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
7.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前进气涡流命令和与所述基准发动机工作点相关的基准进气涡流命令之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
8.根据权利要求2所述的方法，其中确定所述多个基准因子和所述发动机参数所述当前状态的多个反应元素包括基于当前发动机温度和与所述基准发动机工作点相关的基准发动机温度之间的差异来确定所述基准因子之一的所述反应元素之一。
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