CN110005509B - 用于检测柴油颗粒物过滤器捕获的颗粒物量的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(31)捕获的颗粒物量的方法，所述方法至少包括以下步骤：检测所述柴油发动机所处环境的环境温度和/或环境压力并获得计算所述颗粒物量所需的其他参数；以及基于所述其他参数以及至少在预定条件下还基于检测到的环境温度和/或环境压力计算所述颗粒物量。本发明还公开了一种相应的用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(31)捕获的颗粒物量的系统。通过引入环境温度和/或环境压力，可以提高计算准确度，使得尤其在极端寒冷(例如零下30度)和高海拔(例如4200m)下仍能准确地计算出捕获的颗粒物量，从而可以准确地提供再生指令和满足相应的法规要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器捕获的颗粒物量的方法以及一种相应的系统。
背景技术
目前使用化石能源的发动机依然占据主导地位，主要包括汽油发动机和柴油发动机，其中，柴油发动机因扭矩大、经济性能好等优点在某些领域中、特别是重载汽车中被广泛地使用。
然而，对于柴油发动机来说，工作时会产生包含颗粒物、氮氧化物等诸多有害成分的废气。颗粒物主要是碳，通常称为碳烟，它不仅会呈现为烟尘而污染空气，更重要的是它能深入人的肺部对肺部造成损伤。这些颗粒物往往还吸附有很多有不同程度的诱变和致癌作用的有机物质，例如多环芳烃。
因此，目前的柴油发动机一般都配备有柴油颗粒物过滤器，以满足日益严格的环保要求。柴油颗粒物过滤器通常安装在柴油发动机的排气系统中来降低废气中的有害颗粒物。
柴油颗粒物过滤器通过例如扩散沉淀、惯性沉淀或者线性拦截来捕捉颗粒物。柴油颗粒物过滤器能够有效地净化废气中的颗粒物，是净化颗粒物最有效、最直接的方法之一。
柴油颗粒物过滤器主要由颗粒物过滤系统和再生系统两部分组成。颗粒物过滤系统随着捕获的颗粒物的不断增多，会降低过滤性能，同时造成排放背压升高等问题，背压升高又会影响发动机的动力性和经济性。因此，需要监测柴油颗粒物过滤器捕获的碳烟颗粒量，在柴油颗粒物过滤器的碳烟颗粒量达到预定阈值时，启动再生系统，例如通过高温燃烧除去颗粒物，恢复柴油颗粒物过滤器的过滤能力。
目前，主要是通过采集一些参数并将参数输入到预先建立的模型来判断柴油颗粒物过滤器的碳烟颗粒量。然而，遗憾的是，由模型推导出的碳烟颗粒量实际中并不总是准确的、特别是当柴油发动机所处的工作环境发生明显改变时。为此，迫切需要改进模型，提高检测的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器捕获的颗粒物量的方法以及一种相应的系统，以提高检测模型的准确性和环境适应性。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器捕获的颗粒物量的方法，所述方法至少包括以下步骤：检测所述柴油发动机所处环境的环境温度和/或环境压力并获得计算所述颗粒物量所需的其他参数；以及基于所述其他参数以及至少在预定条件下还基于检测到的环境温度和/或环境压力计算所述颗粒物量。
根据本发明的一个可选实施例，在获得其他参数之后，基于所述其他参数计算未考虑环境温度和环境压力的初估颗粒物量，然后基于检测到的环境温度和/或环境压力以及所述初估颗粒物量计算所述颗粒物量。
根据本发明的一个可选实施例，构建基于环境温度和/或环境压力的修正函数，基于所述修正函数以及所述初估颗粒物量计算所述颗粒物量。
根据本发明的一个可选实施例，所述预定条件为检测到的环境温度超出了预定的温度范围和/或检测到的环境压力超出了预定的压力范围。
根据本发明的一个可选实施例，所述检测到的环境温度通过对从环境温度传感器获得的温度测量信号进行低通滤波产生；和/或所述检测到的环境压力通过对从环境压力传感器获得的压力测量信号进行低通滤波产生。
根据本发明的一个可选实施例，对所述温度测量信号的低通滤波通过平均一段时间内的温度测量信号执行；和/或对所述压力测量信号的低通滤波通过平均一段时间内的压力测量信号执行。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器捕获的颗粒物量的系统，所述系统包括：控制单元；用于测量所述柴油发动机所处的环境温度的环境温度传感器；和/或用于测量所述柴油发动机所处的环境压力的环境压力传感器；其中，所述控制单元被构造成：获得计算所述颗粒物量所需的其他参数，并基于所述其他参数以及至少在预定条件下还基于检测到的环境温度和/或环境压力计算所述颗粒物量。
通过引入环境温度和/或环境压力，可以提高计算准确度，使得尤其在极端寒冷(例如零下30度)和高海拔(例如4200m)下仍能准确地计算出碳烟颗粒量，从而可以准确地提供再生指令和满足相应的法规要求。
附图说明
下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
图1简要地示出了一个发动机与废气排放处理系统的示意框图。
图2示出了一个现有模型的示意图。
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的引入了环境温度和环境压力计算碳烟颗粒量的模型。
图4示出根据本发明的另一个示例性实施例的引入了环境温度和环境压力计算碳烟颗粒量的模型。
图5示出了通过大量实验确定的基于环境温度和环境压力的模型修正函数。
图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于确定碳烟颗粒量的方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
图1简要地示出了一个发动机与废气排放处理系统的示意框图。柴油车的柴油发动机10启动后，废气经由排气管20传导至废气排放处理系统30。该废气排放处理系统30包括柴油颗粒物过滤器31，用于过滤废气中的颗粒物。过滤后的废气再经由穿过废气排放处理系统30的排气管20向柴油车外排出。
目前，根据不同的情况、例如对于不同车型，已经存在多种确定柴油颗粒物过滤器31的碳烟颗粒量的方法。
例如，第一种方式是，在柴油颗粒物过滤器31的入口与出口两端分别设置压力传感器32和33，用于检测入口与出口处的排气压力。控制单元40、例如柴油车的ECU(电子控制单元)从这两个压力传感器32和33获得压力检测值，并依据入口与出口之间的排气压力差△p反推计算得出柴油颗粒物过滤器31中已经捕集的碳烟颗粒量。当然，也可以设置一个压差传感器，直接测量柴油颗粒物过滤器31的入口与出口之间的压差△p。随着捕获的碳烟颗粒量的增加，废气不再容易流过柴油颗粒物过滤器31，即柴油颗粒物过滤器31此时的流阻较大，入口与出口之间的压差△p会相应地增大。此时，模型相对较为简单，输入参数主要为压差。
当然，该模型也可引入其他输入参数，例如，流量信号q、车速信号v等。图2示出了这种模型的示意图，模型f(△p，q，v)根据输入的信号计算碳烟颗粒量Sw1。这种方法尤其适合于轻载柴油车。
控制单元40可以对柴油发动机10和废气排放处理系统30分别进行控制。例如，根据需要，控制单元40可以向废气排放处理系统30发出指示柴油颗粒物过滤器31进行再生过程的指令。
第二种方式是：事先基于废气排放标准来计算进行柴油颗粒物过滤器31的再生时所允许的柴油车的工况参数，例如(两次再生过程启动之间的)行驶里程、柴油发动机的运行时间以及油耗累计值等，然后基于该事先计算的工况参数规定一预定值，每当达到该预定值后，由控制单元40直接指令柴油颗粒物过滤器31进行再生。此时，模型的输入参数主要包括行驶里程、柴油发动机的运行时间以及油耗累计值。随着行驶里程的增加，汽车排放的废气总量也会增加，因此柴油颗粒物过滤器31捕获的碳烟颗粒量也会增加。类似地，柴油颗粒物过滤器31捕获的碳烟颗粒量也会随着柴油发动机的运行时间和油耗累计值的增加而增加。当然，也可引入其他输入参数。
第三种方式是：针对一台标准柴油车型(或者为用于备案测试的车型)在测试状态下测试其在不同工况参数(例如，不同的发动机转速、单位时间的油耗、进气流量等)下柴油颗粒物过滤器捕集到的碳烟颗粒量值，然后将它们作为基准参数表存储记录下来。此后，针对同一型号的其他柴油车，依据该存储的基准参数表在每次再生过程结束后(即下一个再生开始之前)，根据该柴油车实际的工况参数(例如发动机转速、单位时间的油耗等)由控制单元推断柴油颗粒物过滤器中已捕集到的碳烟颗粒量，在该碳烟颗粒量累计到一定值后，由控制单元直接指令柴油颗粒物过滤器31进行再生。此时，模型的输入参数包括上述各种工况参数。该模型利用查表比对累加推算。这尤其适合重载柴油车。
实际中，用于确定启动再生的模型并不局限于上述三种方式，它们之间也可以彼此组合或互相修正，本发明不对模型的类型进行任何限制。换言之，只要模型能够基于输入参数估算碳烟颗粒量即可，例如CN105089757A、CN102628386A等中描述了多种估算方法。
然而，无论是目前的哪种模型、特别是对第三种模型而言，发现存在检测不准确的情况，有时会造成过早、过频繁的再生，有时会造成过晚再生。过早、过频繁的再生会造成能量浪费，降低柴油颗粒物过滤器的使用寿命，恶化机油的稀释，过晚再生又可能会使燃烧温度过高而使柴油颗粒物过滤器产生烧裂的危险，排放的废气也不再满足环保要求，也会降低柴油发动机的工作性能。
柴油车连同柴油颗粒物过滤器都是在一定的环境下工作的，周围环境的变化必然会对它们产生一定的影响，进而也会影响模型的准确性，即影响判断柴油颗粒物过滤器是否达到了预定的碳烟颗粒量而需要启动再生的准确性。
例如，当柴油车在严寒的环境下、例如零下30度下行驶时，已经发现计算出的碳烟颗粒量会偏离实际碳烟颗粒量。类似地，当柴油车在低压环境下、例如高原地区行驶时，也发现计算出的碳烟颗粒量会偏离实际碳烟颗粒量。
为此，需要引入环境因素修正碳烟颗粒量的计算结果，以便更准确地确定碳烟颗粒量和满足法规要求的检测准确度(置信区间)。
根据本发明的一个示例性实施例，引入环境温度t作为输入参数，即碳烟颗粒量的计算也要考虑环境温度t。
根据本发明的一个示例性实施例，引入环境压力p作为输入参数，即碳烟颗粒量的计算也要考虑环境压力p。
显然，更优选地，组合使用环境温度t和环境压力p，即碳烟颗粒量的计算同时要考虑环境温度t和环境压力p。
为了更清楚地、更通用地表述本发明的思想，以同时考虑环境温度t和环境压力p为例定义了一个示例性函数关系式，如下所示：
Sw＝f(t,p,x) (1)
其中，Sw表示碳烟颗粒量，f表示函数关系，t表示环境温度，p表示环境压力，x表示其他输入参数，例如可以是压差△p、流量信号q、车速信号v等。
根据本发明的一个优选的示例性实施例，上述公式(1)可以变型为：
Sw＝f(t,p,Sw1) (2)
其中，Sw1如上所述表示未考虑环境因素计算得出的碳烟颗粒量，其可以由现有模型进行计算，然后再考虑环境因素对Sw1进行修正。
根据公式(2)计算碳烟颗粒量，可以简化计算，降低计算量，这是因为可以不改变现有模型而只是对现有模型的计算结果进行修正。通过这种方法，可以很容易对现有的模型进行修正，而无需重新进行编程，同时提高了系统的可靠性。
根据本发明的另一个优选的示例性实施例，采用以下公式(3)基于碳烟颗粒量Sw1计算碳烟颗粒量Sw：
Sw＝f(t,p)*Sw1 (3)
其中，f(t,p)表示基于环境温度t和环境压力p的修正函数，这样可以进一步简化对碳烟颗粒量Sw的计算。
图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的引入了环境温度t和环境压力p计算碳烟颗粒量的模型。如图3所示，可以构造一个子模型、即函数f(t,p)来计算环境影响因子λ，然后该环境影响因子λ与压差△p、流量信号q、车速信号v一起输入到模型f(△p，q，v，λ)中来计算碳烟颗粒量。
图4示出了根据本发明的另一个示例性实施例的引入了环境温度t和环境压力p计算碳烟颗粒量的模型。如图4所示，流量信号q被引入到一个子模型中来被环境影响因子λ修正以生成修正后的流量信号q’，然后输入到模型f(△p，q，v)中，从而可以不改变现有模型的输入参数的个数和种类，进而不需要更改现有模型。
根据本发明的一个示例性实施例，仅在环境温度t超出预定的温度范围时才考虑引入环境温度t，这是因为环境温度t在预定的温度范围内对碳烟颗粒量的影响较小。只在环境温度t超出预定的温度范围时才考虑环境温度t的影响，这会降低对控制单元40的计算资源的占用。
类似地，根据本发明的一个示例性实施例，仅在环境压力p超出预定的压力范围时才考虑引入环境压力p，这是因为环境压力p在预定的压力范围内对碳烟颗粒量的影响也较小。
实际中，环境温度t和环境压力p对碳烟颗粒量的影响，可以通过实验或仿真确定，然后基于该影响例如构建出一个修正函数f(t,p)存储在控制单元40的存储器中或存储在一个单独的存储器中。当需要计算碳烟颗粒量时，同时基于测量到的环境温度t和环境压力p通过修正函数f(t,p)参与碳烟颗粒量的计算，从而，可以提高碳烟颗粒量的计算精度。例如，对不同型号的车，可以分别进行相应的实验或仿真来确定修正函数。对于累计地计算碳烟颗粒量而言，在每次计算时都要考虑环境温度t和环境压力p的影响。
图5示出了通过大量实验确定的基于环境温度t和环境压力p的模型修正函数f(t,p)。
根据本发明的一个示例性实施例，可以将修正函数f(t,p)以查询表的方式存储，这样可以减少计算量。
目前，柴油车通常配备有测量环境温度t的传感器，因此，环境温度信号可以直接从现有的环境温度传感器获得。对于环境压力p，可以设置相应的环境压力传感器，或者利用现有的压力传感器进行测量。
为了提高环境温度和环境压力测量的准确性和可靠性，可以对测量的环境温度和环境压力信号进行低通滤波，以排除那些高频干扰和噪声。根据本发明的一个示例性实施例，可以连续采集一段温度信号和/或压力信号，然后求取该温度信号和/或压力信号的平均值作为输入参数。
图6示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于确定碳烟颗粒量的方法的流程图。
该方法以步骤S1开始。在步骤S2中，检测环境温度t和/或环境压力p以及其他输入参数x。在步骤S3中，基于其他输入参数x计算未修正的碳烟颗粒量Sw1，同时基于环境温度t和/或环境压力p计算修正函数。在步骤S4中，基于修正函数对碳烟颗粒量Sw1进行修正，产生修正后的碳烟颗粒量Sw。
显然，以上结合图6描述的方法仅是示例性实施例，也可以直接由环境温度t和/或环境压力p以及其他输入参数x基于考虑了环境影响的模型进行计算。
当确定了碳烟颗粒量Sw之后，将其与设定的阈值进行比较，判断是否需要发出再生指令。
碳烟颗粒量的计算准确度可以通过以下公式(4)计算：
其中，a表示计算准确度，Swa表示实际碳烟颗粒量。通常，为了满足排放法规的要求，计算精度需要在-20％-30％之间。
经过大量的实验发现，通过引入环境温度t和/或环境压力p，可以提高计算准确度，使得尤其在极端寒冷(例如零下30度)和高海拔(例如4200m)下仍能准确地计算出碳烟颗粒量，从而可以准确地提供再生指令和满足相应的法规要求。
此外，尽管以上以柴油车为例描述了本发明，但本发明的思想适用于任何使用了柴油发动机的设备。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。
Claims (7)
1.一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(31)捕获的颗粒物量的方法，所述方法至少包括以下步骤：
检测所述柴油发动机所处环境的环境温度和/或环境压力并获得计算所述颗粒物量所需的其他参数；和
基于所述其他参数以及至少在预定条件下还基于检测到的环境温度和/或环境压力计算所述颗粒物量，
其中，基于所述环境温度和/或环境压力构造一个子模型来计算环境影响因子，所述其他参数中的流量信号被引入到所述子模型中来被所述环境影响因子修正，以生成修正后的流量信号，然后输入基于所述其他参数的颗粒物量计算模型，从而能够不改变所述颗粒物量计算模型的输入参数的个数和种类。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预定条件为检测到的环境温度超出了预定的温度范围和/或检测到的环境压力超出了预定的压力范围。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述检测到的环境温度通过对从环境温度传感器获得的温度测量信号进行低通滤波产生；和/或
所述检测到的环境压力通过对从环境压力传感器获得的压力测量信号进行低通滤波产生。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，
对所述温度测量信号的低通滤波通过平均一段时间内的温度测量信号执行；和/或
对所述压力测量信号的低通滤波通过平均一段时间内的压力测量信号执行。
5.一种用于检测柴油发动机的柴油颗粒物过滤器(31)捕获的颗粒物量的系统，所述系统包括：
控制单元(40)；
用于测量所述柴油发动机所处的环境温度的环境温度传感器；和/或
用于测量所述柴油发动机所处的环境压力的环境压力传感器；
其中，所述控制单元(40)被构造成：获得计算所述颗粒物量所需的其他参数，并基于所述其他参数以及至少在预定条件下还基于检测到的环境温度和/或环境压力计算所述颗粒物量，
其中，基于所述环境温度和/或环境压力构造一个子模型来计算环境影响因子，所述其他参数中的流量信号被引入到所述子模型中来被所述环境影响因子修正，以生成修正后的流量信号，然后输入基于所述其他参数的颗粒物量计算模型，从而能够不改变所述颗粒物量计算模型的输入参数的个数和种类。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述控制单元(40)是用于控制柴油发动机工作的电子控制单元。
7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，
所述柴油发动机用于柴油车中。
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