CN106968816B - 预测NOx生成量的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了预测NOx生成量的设备及方法。该方法包括：使用发动机的驱动变量来预测混合物中的气体的组成比以及火焰温度；以及使用混合物中的气体的组成比以及火焰温度来计算氮氧化物生成速率。此外，使用氮氧化物生成速率计算火焰周围的氮氧化物生成浓度，并且使用氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来预测气缸的总氮氧化物生成量。

Description

预测NOx生成量的设备及方法
相关申请的引证
本申请要求于2015年12月10日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2015-0176344号的优先权和权益，通过引证将其全部内容结合于此。
技术领域
本发明涉及预测压燃式发动机的NOx生成量的设备和方法，并且更具体地，涉及在没有用于分析废气的额外设备或用于检测NOx量的传感器的情况下，使用发动机的驱动变量和燃烧压力来更准确地实时预测NOx生成量的设备和方法。
背景技术
随着针对具有内燃机的车辆的排放法规变得更加严格，需要降低在内燃机操作过程中的排放。用于降低排放的一种开发方法包括：降低在空气/燃料混合物的燃烧过程中，在内燃机的每个气缸中生成的排放物。用于降低排放物的另一开发方法包括：使用内燃机中的废气的后处理系统。废气的后处理系统被适配为将空气/燃料混合物的燃烧过程中在每个气缸处生成的有害物质转换为无害物质。为了该目的，催化转换器用于将一氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化物转换为无害物质。
此外，为了使用废气的催化转换器来有效转换有害物质，必须准确预测在发动机中生成的NOx(单一氮氧化物)量。根据常规方法和系统，用于分析废气的设备或用于检测NOx量的传感器用于准确预测NOx量。然而，用于分析废气的设备或用于检测NOx量的传感器的使用导致总体成本的增加。此外，发动机废气中的成分可污染用于分析废气的设备或用于检测NOx量的传感器，由此引起传感器本身的故障或失效。
因此，已开发了用于预测NOx量的技术。然而，根据该技术，由于复杂的计算过程以及用于简化该计算过程的简化假设，可靠性可能劣化。此外，在常规技术中，由于基于发动机处于正常状态时的测量值来评估NOx量，所以由于发动机之间的偏差以及环境状况的偏差，可出现生成量与预测量之间的误差。
在该部分中公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此这可包含不构成在该国中对于本领域普通技术人员来说已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供具有如下优势的预测压燃式发动机的NOx生成量的设备和方法：该设备和方法在没有用于分析废气的额外设备或用于检测NOx量的传感器的情况下，使用发动机的驱动变量和燃烧压力来更准确地实时预测NOx量。
本发明的示例性实施方式提供预测压燃式发动机的NOx生成量的方法，该方法可包括：使用发动机的驱动变量来预测混合物中的气体的组成比以及火焰温度；使用混合物中的气体的组成比以及火焰温度来计算氮氧化物生成速率；使用氮氧化物生成速率来计算火焰周围的氮氧化物生成浓度；以及使用氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来预测气缸的总氮氧化物生成量。
发动机的驱动变量可包括选自由如下组成的组中的至少一个：引燃燃料量、引燃喷射时刻、引燃喷射持续时间、喷射燃料量、主喷射持续时间、主喷射时刻、发动机转速(RPM)、空气/燃料比(AF)、以及废气再循环(EGR)。预测气体的组成比可包括：使用发动机的驱动变量来预测通过混合燃料与空气而生成的火焰的火焰表面的气体的组成比。
此外，计算氮氧化物生成速率可包括：基于由于引燃喷射所导致的气缸中的气体的组成比的变化来导出燃烧室的火焰温度。计算氮氧化物生成速率可进一步包括：使用燃烧室中的火焰温度、氧气浓度以及氮气浓度来导出氮氧化物生成速率。计算火焰周围的氮氧化物生成浓度可包括：使用燃料量和发动机转速来导出氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域，以及使用氮氧化物生成速率、氮氧化物生成时间以及氮氧化物生成区域来计算氮氧化物生成浓度。
预测气缸的总氮氧化物生成量可包括：使用火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来计算火焰周围的氮氧化物生成量，以及通过利用气缸的浓度补偿火焰周围的氮氧化物生成量来导出气缸的总氮氧化物生成量。预测气缸的总氮氧化物生成量可进一步包括：将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。
本发明的示例性实施方式提供预测压燃式发动机的NOx生成量的设备，该设备可包括：驱动变量收集器，该驱动变量收集器被配置为收集发动机的驱动变量；计算器，该计算器被配置为使用发动机的驱动变量来计算由于引燃喷射所导致的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度；以及控制器，该控制器被配置为使用氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来预测火焰周围的氮氧化物生成量，以及从火焰周围的氮氧化物生成量来预测气缸的总氮氧化物生成量。
计算器可包括氮氧化物生成速率计算器，该氮氧化物生成速率计算器被配置为使用发动机的驱动变量来预测混合物中的气体的组成比以及火焰温度，并且使用气体的组成比以及火焰温度来预测氮氧化物生成速率。计算器可进一步包括氮氧化物生成浓度计算器，该氮氧化物生成浓度计算器被配置为使用燃料量和发动机转速来导出氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域，并且使用氮氧化物生成速率、氮氧化物生成时间以及氮氧化物生成区域来计算氮氧化物生成浓度。
控制器可包括预测器，该预测器被配置为从火焰周围的氮氧化物生成量预测气缸的总氮氧化物生成量。预测器可包括浓度校正单元，该浓度校正单元被配置为通过利用气缸的整个浓度补偿火焰周围的氮氧化物生成量来导出气缸的总氮氧化物生成量。预测器可被配置为将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。
根据用于实现这些目的的本发明，通过计算火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度，预测火焰周围的氮氧化物生成量，以及从火焰周围的氮氧化物生成量预测气缸的总氮氧化物生成量，能够更准确地实时预测NOx量。
附图说明
从结合附图的以下详细说明，本公开的上述以及其他目标、特征和优点将更加显而易见。
图1是根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备的示意图；
图2是简要示出根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的过程的流程图；
图3是示出根据本发明的示例性实施方式的压燃式发动机的燃料喷射的实例的示图；
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的火焰区域的示图；
图5是示出根据相关技术的氮氧化物生成量的曲线图；
图6是示出根据本发明的示例性实施方式的使用混合物中的气体的组成比预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图；
图7是示出根据本发明的示例性实施方式的使用图6中的氮氧化物生成区域预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图；
图8是示出根据本发明的示例性实施方式的使用图7中的气缸整个浓度预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图；以及
图9是示出根据本发明的示例性实施方式的使用图8中的氮氧化物分解反应预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图。
具体实施方式
在以下详细描述中，仅通过图示的方式，仅示出和描述了本发明的示例性实施方式。如本领域技术人员所理解的，在完全不背离本发明的精神或范围的情况下，所描述的示例性实施方式可以以各种不同方式进行修改。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文另有明确指示，否则，如本文使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“含有”规定了阐述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。如本文使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项的任意和所有组合。
应理解，如本文使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船、海船的船只；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合电动车辆、氢能源车辆以及其它替代燃料车辆(例如，从石油以外的资源获得的燃料)。
此外，一些方法可通过至少一个控制器执行。术语“控制器”指硬件设备，该硬件设备包括存储器以及被配置为执行解译为算法结构的一个或多个步骤的处理器。存储器存储算法步骤，并且处理器具体执行算法步骤以执行以下描述的一个或多个过程。
此外，本发明的控制逻辑可实现为计算机可读介质上的包括由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非易失性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、闪存驱动、智能卡以及光学数据存储装置。计算机可读记录介质可分布在网络连接的计算机系统中，并且例如，可通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布式方式存储和执行。
现在将参考图1至图9描述预测压燃式发动机的NOx生成量的设备和方法。
图1是根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备的示意图。具体地，为了方便说明，示意性示出根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备的配置，但是压燃式发动机不限于此。参考图1，根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100可包括驱动变量收集器110、计算器120以及控制器130。控制器130可被配置为操作设备的其他部件(例如，驱动变量收集器110和计算器120)。
具体地，驱动变量收集器110可被配置为收集压燃式发动机的驱动变量，并且向控制器130提供或传输发动机的驱动变量。发动机的驱动变量可包括选自由如下组成的组中的至少一个：引燃燃料量、引燃喷射时刻、引燃喷射持续时间、喷射燃料量、主喷射持续时间、主喷射时刻、发动机转速(RPM)、空气/燃料比(AF)、以及EGR。
计算器120可被配置为使用发动机的驱动变量来计算由于引燃喷射所导致的火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度。根据本发明的示例性实施方式，计算器120可包括氮氧化物生成速率计算器122和氮氧化物生成浓度计算器124。
氮氧化物生成速率计算器122可被配置为使用发动机的驱动变量来预测或确定混合物中的气体的组成比以及火焰温度，并且使用混合物中的气体的组成比以及火焰温度来计算火焰周围的氮氧化物生成速率。氮氧化物生成浓度计算器124可被配置为使用喷射至气缸的燃料量以及发动机转速(每分钟转数-RPM)来计算氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域。氮氧化物生成浓度计算器124可被配置为使用氮氧化物生成速率、氮氧化物生成时间以及氮氧化物生成区域来计算火焰周围的氮氧化物生成浓度。控制器130可被配置为随后使用火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来预测或确定火焰周围的氮氧化物生成量，并且从火焰周围的氮氧化物生成量预测气缸的总氮氧化物生成量。根据本发明的示例性实施方式，控制器130可包括预测器132。
具体地，预测器132可被配置为从火焰周围的氮氧化物生成量预测或确定气缸的总氮氧化物生成量。根据本发明的示例性实施方式，预测器132可包括浓度校正单元134。浓度校正单元134可被配置为通过利用气缸的浓度补偿火焰周围的氮氧化物生成量来导出气缸的总氮氧化物生成量。
此外，预测器132可被配置为使用通过氮氧化物(N2O)的氮氧化物生成反应或氮氧化物分解反应中的至少一个，将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。因此，控制器130可利用由预定程序操作的至少一个处理器来实现，并且预定程序可被编程为执行根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的方法的每个步骤。
此外，图2是简要示出根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的过程的流程图。将利用与图1的配置的参考标号相同的参考标号来描述该流程图。参考图2，在步骤S102中，根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100可被配置为预测由于引燃喷射所导致的混合物中的气体的组成比。预测NOx生成量的设备100可被配置为使用发动机的驱动变量来预测火焰表面的气体的组成比，以该组成比通过混合燃料与空气来生成火焰。
图3是示出根据本发明的示例性实施方式的压燃式发动机的燃料喷射的实例的示图。参考图3，在根据本发明的示例性实施方式的压燃式发动机中，可在主喷射之前执行引燃喷射(引燃1，引燃2)，并且可在主喷射之后执行后喷射，以用于降低噪声和颗粒物(PM)。此外，根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100可被配置为通过引燃喷射(引燃1、引燃2)预测火焰周围的氮氧化物生成量，并且从火焰周围的氮氧化物生成量预测气缸的总氮氧化物生成量。
在步骤S104中，根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100可被配置为基于由于引燃喷射所导致的气缸中的气体的组成比的变化来预测燃烧室中的火焰温度。预测NOx生成量的设备100可被配置为使用以下等式1计算燃烧室中的火焰温度。
等式1
Figure BDA0001142916180000081
其中，Tflame是火焰温度T，Tad是绝热火焰温度，Pi是燃烧开始时的压力，Pmax是最大燃烧压力，并且K是燃烧气体(燃尽的气体)的具体热量比。
该设备可被进一步配置为在步骤S106中，使用燃烧室中的火焰温度、氧气浓度以及氮气浓度来计算氮氧化物生成速率。可基于由于引燃喷射所导致的混合物中的气体的组成比的变化，使用火焰温度T来计算氮氧化物生成速率。具体地，可使用以下等式2计算燃烧室中的氮氧化物生成速率。
等式2
Figure BDA0001142916180000091
其中，d[NO]/dt是氮氧化物生成速率比时间，T是火焰温度，[O2]是由传感器测量的氧气浓度，[N2]是燃烧室中的氮气浓度，并且A和B是常数。
此外，预测NOx生成量的设备100可被配置为在步骤S108中，使用氮氧化物生成速率来计算火焰周围的氮氧化物生成浓度。设备可被配置为随后使用喷射至气缸的燃料量以及发动机转速来导出氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域。可使用氮氧化物生成速率、氮氧化物生成时间以及氮氧化物生成区域来计算火焰周围的氮氧化物生成浓度。具体地，可使用以下等式3计算火焰周围的氮氧化物生成浓度。
等式3
Figure BDA0001142916180000092
其中，NOmol是火焰周围的氮氧化物生成浓度，S是火焰生成区域，T是火焰生成持续时间，mfuel是喷射至气缸的燃料量，并且RPM是发动机转速。
预测NOx生成量的设备100可被配置为在步骤S110中，使用火焰周围的氮氧化物生成速率以及火焰周围的氮氧化物生成浓度来预测火焰周围的氮氧化物生成量。进一步的，预测NOx生成量的设备100可被配置为在步骤S112中，通过利用气缸的浓度补偿火焰周围的氮氧化物生成量来导出气缸的总氮氧化物生成量。
图4是示出根据本发明的示例性实施方式的火焰区域的示图。参考图4，在气缸S中，可包括其中生成火焰的火焰区域A以及其中不生成火焰的非燃烧区域B。预测NOx生成量的设备100可被配置为从火焰区域A导出氮氧化物生成浓度。
因此，预测NOx生成量的设备100可被配置为基于火焰区域A和非燃烧区域B这两者，通过浓度的补偿来计算气缸的总氮氧化物生成量。具体地，可使用以下等式4计算气缸的总氮氧化物生成量。
等式4
Figure BDA0001142916180000101
其中，氮氧化物是气缸的总氮氧化物生成量，NOmol是火焰周围的氮氧化物生成浓度，VolumeA是火焰区域的体积，PHI是燃烧室中的压力，TA是火焰区域A中的火焰温度，并且TB是非燃烧区域B中的温度。
根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100可被配置为在步骤S114中，将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。此外，该设备可被配置为使用通过N2O的氮氧化物生成反应，将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。以下等式5表示根据本发明的示例性实施方式的通过N2O的氮氧化物生成反应。
等式5
Figure BDA0001142916180000111
Figure BDA0001142916180000112
Figure BDA0001142916180000113
Figure BDA0001142916180000114
Figure BDA0001142916180000115
此外，预测NOx生成量的设备100可被配置为基于其中通过逆反应分解的氮氧化物的氮氧化物分解反应，来将气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。
图5是示出根据相关技术的氮氧化物生成量的曲线图，图6是示出根据本发明的示例性实施方式的使用混合物中的气体的组成比预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图。图7是示出使用图6中的氮氧化物生成区域预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图，图8是示出使用图7中的气缸整个浓度预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图，并且图9是示出使用图8中的氮氧化物分解反应预测的气缸的总氮氧化物生成量的曲线图。
参考图6至图9，在根据本发明的示例性实施方式的预测NOx生成量的设备100中，可依次考虑由于引燃喷射所导致的混合物中的气体的组成比的变化、氮氧化物生成区域、气缸整个浓度以及氮氧化物分解反应。该设备可被配置为将总氮氧化物生成量线性化为作为氮氧化物预定值的氮氧化物测量值，并且可更准确地预测气缸中的总NOx量。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式的预测压燃式发动机的NOx生成量的设备和方法可被配置为计算火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度，预测火焰周围的氮氧化物生成量，并且从火焰周围的氮氧化物生成量预测气缸的总氮氧化物生成量。因此，能够更准确地实时预测NOx量。
本发明的上述示例性实施方式不只通过装置和方法实现，并且因此可通过实现对应于根据本发明示例性实施方式的配置的功能或者记录程序的记录介质的程序来实现。
虽然已结合目前认为是示例性的实施方式描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所公开的示例性实施方式，而是相反，旨在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (11)

1.一种预测压燃式发动机的NOx生成量的方法，包括以下步骤：
由控制器使用发动机的驱动变量来预测由于引燃喷射所导致的混合物中的气体的组成比以及火焰温度；
由所述控制器使用所述混合物中的气体的组成比以及所述火焰温度来计算氮氧化物生成速率；
由所述控制器使用所述氮氧化物生成速率来计算火焰周围的氮氧化物生成浓度；以及
由所述控制器使用所述氮氧化物生成速率和所述氮氧化物生成浓度来预测气缸的总氮氧化物生成量，
其中，预测所述气缸的总氮氧化物生成量包括：
由所述控制器使用所述火焰周围的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度来计算所述火焰周围的所述氮氧化物生成量，以及通过利用所述气缸的整个浓度补偿所述火焰周围的所述氮氧化物生成量来导出所述气缸的总氮氧化物生成量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发动机的所述驱动变量包括选自如下各项组成的组中的至少一项：引燃燃料量、引燃喷射时刻、引燃喷射持续时间、喷射燃料量、主喷射持续时间、主喷射时刻、发动机转速(RPM)、空气/燃料比(AF)、以及废气再循环(EGR)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，预测所述气体的组成比包括：由所述控制器使用所述发动机的所述驱动变量来预测通过混合燃料与空气所生成的火焰的火焰表面的气体的组成比。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算所述氮氧化物生成速率包括：由所述控制器基于由于引燃喷射所导致的所述气缸中的气体的组成比的变化来导出燃烧室的火焰温度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，计算所述氮氧化物生成速率进一步包括：由所述控制器使用所述燃烧室中的氧气浓度、氮气浓度以及火焰温度来导出所述氮氧化物生成速率。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述火焰周围的所述氮氧化物生成浓度包括：
由所述控制器使用所述喷射燃料量和所述发动机转速来导出氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域；以及
由所述控制器使用所述氮氧化物生成速率、所述氮氧化物生成时间以及所述氮氧化物生成区域来计算所述氮氧化物生成浓度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，预测所述气缸的总氮氧化物生成量进一步包括：由所述控制器将所述气缸的总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。
8.一种预测压燃式发动机的NOx生成量的设备，包括：
驱动变量收集器，被配置为收集发动机的驱动变量；
计算器，被配置为使用所述发动机的驱动变量来计算由于引燃喷射所导致的氮氧化物生成速率和氮氧化物生成浓度；以及
控制器，被配置为使用所述氮氧化物生成速率和所述氮氧化物生成浓度来预测火焰周围的氮氧化物生成量，以及从所述火焰周围的所述氮氧化物生成量来预测气缸的总氮氧化物生成量，
其中，所述控制器包括：
预测器，被配置为从所述火焰周围的所述氮氧化物生成量预测所述气缸的总氮氧化物生成量，
其中，所述预测器包括：
浓度校正单元，被配置为通过利用所述气缸的整个浓度补偿所述火焰周围的所述氮氧化物生成量来导出所述气缸的总氮氧化物生成量。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述计算器包括：
氮氧化物生成速率计算器，被配置为使用所述发动机的所述驱动变量来预测由于引燃喷射所导致的混合物中的气体的组成比以及火焰温度，并且使用所述气体的组成比以及所述火焰温度来预测所述氮氧化物生成速率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述计算器包括：
氮氧化物生成浓度计算器，被配置为使用喷射燃料量和发动机转速来导出氮氧化物生成时间和氮氧化物生成区域，并且使用所述氮氧化物生成速率、所述氮氧化物生成时间以及所述氮氧化物生成区域来计算所述氮氧化物生成浓度。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述预测器被配置为将所述气缸的所述总氮氧化物生成量线性化为氮氧化物预定值。
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