CN111305935B - 一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，在发动机起动时，分阶段调整发动机最低转速的大小，以加快催化器温度上升至工作温度。其有效地加快催化器温度上升到工作温度。

Description

一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法
技术领域
本发明专利涉及发动机控制领域，尤其涉及一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法。
技术背景
为减少尾气中有害物质排放，现代汽车排气系统中都会装有三元催化器，它可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气。但是常温下三元催化转化器不具备催化能力，其催化剂必须加热到一定温度才具有氧化或还原的能力，通常催化转化器的起燃温度在250-350℃，正常工作温度一般在400-800℃。
发明内容
本专利的目的是，提出一种催化器起燃控制过程中发动机最低转速的控制方法，在发动机刚刚起动时，催化器温度往往很低，此时催化剂未活化，排放恶化，为加快催化器温度上升到工作温度，加速起燃(Light-off)过程，通过提高发动机最小转速来达到这一控制目标。
首先引入催化器加热率rCatHeatRatio的概念。加热率越低，表明催化器起燃请求越高；加热率越高，表明催化器起燃请求越低。催化器加热率在发动机熄火后会清零，在发动机运行过程中开始计算。催化器加热率为进入催化器的总进气量mCat与进入催化器的总进气量参考值mCatRef的比值，即rCatHeatRatio＝mCat/mCatRef。
其中进入催化器的总进气量mCat用来作为催化器起燃控制的重要条件，原因是预估进入催化器的总进气量越大，根据气体的热传导原理，进气总量越大，温升越大；而进入催化器的总进气量参考值mCatRef由大气压力和起动水温决定，即在不同大气压力和起动水温下标定需要进入催化器的总气体流量大小才能保证催化器起燃完成(即催化器温度到达其工作温度)。取大气压力作为输入的原因是，在高海拔地区由于发动机充气能力较差，而且气体中氧含量较少，同样的进气量燃烧后的温度上升较小，因此在高海拔地区进气总量的参考值较大；取起动水温作为总进气量参考值的输入原因是，起动水温越低，发动机燃烧温升率低，需要进入催化器中的气体含量越高才能提升催化器温度到其工作温度。
进入催化器的总进气量mCat，为进入气缸的进气流量dmcyl乘以时间，并不断自累加，得到进入气缸的总进气量mcylraw，将进入气缸的总进气量mcylraw乘以一定修正系数K(修正系数小于1，则表明需要更多的进气量才能达到相同的催化器加热率，即要求催化器起燃的时间更长；相反修正系数大于1，则表明需要更小的进气量便可以达到相同的催化器加热率，即要求催化器起燃的时间较短。增加修正系数的目的是在根据不同发动机转速和负荷工况点下对催化器加热率进行修正)。如果发动机处于断油工况，则K为常数(此时修正系数不为0的原因是出现断油时排气系统的混合气体偏稀，含氧量比例高，排气温度更高，修正系数取大于1的数)；如果发动机处于非断油工况，则K为基于发动机转速和负荷查表得到的系数。即mCat＝(∫(dmcyl×K)×Δt)，其中∫(dmcyl×K)×Δt为dmcyl与当前K值乘积的时间积分值。
发动机断油工况时,K＝C,C为固定值，1.2。
发动机非断油工况时，K＝f(n,rho)，其中n为发动机转速，rho为发动机负荷，均为发动机最基本的特征参数，f(n,rho)为发动机转速和负荷的函数。随着发动机转速的提高或者负荷的增大，发动机燃烧散热能力更强，排温温度越容易升高，该系数均会减小。
Figure GDA0003203019440000031
在发动机转速低于500rpm时，取发动机为500rpm和对应的发动机负荷下的K值。
在发动机转速高于6000rpm时，取发动机转速为6000rpm和对应的发动机负荷下的K值。
在负荷低于200mg/l时，取负荷为200mg/l和对应当前发动机转速下的K值。
在负荷高于2700mg/l时，取负荷为2700mg/l和对应当前发动机转速下的K值。
进入催化器的总气体量在发动机停机时复位为0。
进入催化器的总进气量参考值mCatRef，为基于大气压力pAmb和发动机刚启动时的水温TCoolantAtStart共同确定的，即mCatRef＝f(pAmb,TCoolantAtStart)。水温越小，或者大气压力越小，进入催化器的总进气量参考值越大。
Figure GDA0003203019440000032
在起动水温低于-30℃时，取起动水温为-30℃和对应的大气压力下的总进气量参考值。
在起动水温高于40℃时，取起动水温为40℃和对应的大气压力下的总进气量参考值。
在大气压力低于70kPa时，取大气压力为70kPa和对应当前起动水温下的总进气量参考值。
在大气压力高于95kPa时，取大气压力为95kPa和对应当前起动水温下的总进气量参考值。
进一步，确定催化器起燃过程中发动机最低转速控制的使能条件：
1.催化器加热率低于预设加热率值，0.82；
2.车速低于预设车速190km/h，且超过预设时间10min；
3.发动机启动时的水温在预设范围内，低于50℃；
4.发动机转速不为0；
5.催化器起燃控制结束标志位未置1。(该条件将在后面介绍)；
上述五条条件全部满足则使能条件满足，上述五条条件若有任意一条不满足则使能条件不满足。
进一步，计算催化器起燃的发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint。该目标值由发动机启动时水温TCoolantAtStart，大气压力pAmb和催化器加热率rCatHeatRatio共同决定。
nCatHeatEngSetpoint＝f1(pAmb，TCoolantAtStart)×f2(rCatHeatRatio，TCoolantAtStart)，根据发动机启动时水温和大气，压力确定基本目标转速，启动水温越高或者大气压力越大，基本目标转速越小。根据大气压力和催化器加热率确定发动机最低转速目标值的补偿系数，补偿系数大于0。大气压力越大或者催化器加热率越大，补偿系数越小。发动机转速最低转速目标值不小于发动机目标怠速值。
Figure GDA0003203019440000041
Figure GDA0003203019440000051
进一步，计算催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，最低转速最终值根据目标值nCatHeatEngSetpoint逐渐过渡到基本怠速转速nEngIdleSetpoint。
第一阶段，在使能条件刚满足的时刻，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint赋予给发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，即此时nCatHeatEngSpd＝nCatHeatEngSetpoint。
第二阶段，在使能条件满足时，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint的变化率限制在一定范围内，即目标值增大或者减小的变化率均限制在一定范围内限制变化率是防止目标值波动太大而导致发动机转速波动，排放恶化和驾驶性较差。转速上升的变化率大于转速下降的变化率绝对值，目的是在转速上升的过程中尽快响应催化器加热请求，但不能转速变化过快，防止转速波动较大。但是在转速下降的过程中，变化率绝对值相对较小防止催化器起燃不充分。(本实施例中转速上升的变化率50r/min/s，转速下降的变化率为40r/min/s。
第三阶段，随着发动机转速的运行，催化器加热率会超过催化器预设加热率限值，或者使能条件不满足后，则退出催化器起燃的控制，发动机的最低转速会逐步退出至其基本目标怠速。在退出催化器起燃时，基于催化器起燃的最低转速不断减小，减小过程中限制其变化率直至催化器最低转速降低到基本目标怠速转速的预设误差范围内催化器起燃的最低转速不再变化，此时催化器起燃室的发动机最低转速控制结束。(本实施例中转速下降的变化率为30r/min/s)，第三阶段催化器最低转速下降的变化率绝对值低于第二阶段最低转速变化率的绝对值，进一步确保催化器起燃转速较高，避免催化器起燃不充分。
第四阶段，催化器起燃室的发动机最低转速控制结束时，催化器起燃控制结束标志位置1。且在此处驾驶循环过程中，标志位一直会置1，直至发动机熄火，发动机控制器完全下电后，催化器起燃控制结束标志位复位为0。
催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd将会作用于发动机转速的控制输入。催化器起燃的最低转速会作为发动机转速控制的输入，如果催化器起燃的最低转速高于发动机转速控制的基本目标转速时，则催化器起燃的最低转速替换为发动机转速控制的基本目标转速；如果催化器起燃的最低转速不高于发动机转速控制的基本目标转速时，则发动机转速控制的基本目标转速不更新。
催化器起燃的最低转速控制可以与空燃比控制和点火效率控制一起配合使用，可更快速提高催化器起燃，缩短起燃时间。
本发明的有益效果是：本发明通过对发动机最低转速的控制实现了催化器的温度快速上升到，加速了催化剂起燃(Light-off)过程，从而在发动机刚刚起动时，避免了催化剂未活化、排放恶化。
附图说明
图1本专利催化器起燃控制过程中发动机最低转速控制流程；
图2本专利催化器起燃控制过程中发动机最低转速最终目标值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本专利作进一步的详细说明，便于清楚了解本专利，但它们不对本专利构成限定。
本发明公开了一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，在发动机起动时，分阶段调整发动机最低转速的大小，以加快催化器温度上升至工作温度。
优选地，在发动机起动时，分阶段调整发动机最低转速的大小，以加快催化器温度上升至工作温度；根据使能条件将起燃过程划分为以下四个阶段：
第一阶段，使能条件刚满足的时刻，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint赋予给发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，即此时nCatHeatEngSpd＝nCatHeatEngSetpoint；
第二阶段，使能条件满足后，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint的变化率限制在一定范围内，转速上升的变化率大于转速下降的变化率绝对值；
第三阶段，催化器加热率超过催化器预设加热率限值，或者使能条件不满足后，随着发动机转速的运行，催化器加热率会超过催化器预设加热率限值，或者使能条件不满足后，则退出催化器起燃的控制，发动机的最低转速会逐步退出至其基本目标怠速；
第四阶段，催化器起燃过程中的发动机最低转速控制结束，催化器起燃室的发动机最低转速控制结束时，催化器起燃控制结束标志位置1；且在此处驾驶循环过程中，标志位一直会置1，直至发动机熄火，发动机控制器完全下电后，催化器起燃控制结束标志位复位为0；
催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd将会作用于发动机转速的控制输入；
使能条件为：
条件一，催化器加热率低于0.82；
条件二，车速低于预设车速190km/h，且超过预设时间10min；
条件三，发动机启动时的水温在预设范围内，低于50℃；
条件四，发动机转速不为0；
条件五，催化器起燃控制结束标志位未置1；
上述五条条件全部满足则使能条件满足，上述五条条件若有任意一条不满足则使能条件不满足。
优选地，发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint确定方法如下表：
nCatHeatEngSetPoint＝f1(pAmb，TCoolantAtStart)×f2(rCatHeatRatio，TCoolantAtStart)
Figure GDA0003203019440000081
Figure GDA0003203019440000082
优选地，催化器加热率rCatHeatRatio为进入催化器的总进气量mCat与进入催化器的总进气量参考值mCatRef的比值，即rCatHeatRatio＝mCat/mCatRef。
优选地，总进气量mCat的确定方法如下：
mCat＝(∫(dmcyl×K)×Δt)
dmcyl为进入气缸的进气流量；Δt为进入气缸的进气时间，K为修正系数。
优选地，K的确定方法如下：
发动机断油工况时，K＝C，C为固定值，1.2；
发动机非断油工况时，K＝f(n,rho)，其中n为发动机转速，rho为发动机负荷，均为发动机最基本的特征参数，f(n,rho)为发动机转速和负荷的函数：
Figure GDA0003203019440000091
优选地，总进气量参考值mCatRef的确定方法如下：
mCatRef＝f(pAmb,TCoolantAtStart)
Figure GDA0003203019440000092
优选地，第二阶段，转速上升的变化率50r/min/s,转速下降的变化率为40r/min/s。
优选地，第二阶段，转速下降的变化率为30r/min/s)，第三阶段催化器最低转速下降的变化率绝对值低于第二阶段最低转速变化率的绝对值。
提出一种催化器起燃控制过程中发动机最低转速的控制方法。
首先引入催化器加热率rCatHeatRatio的概念。加热率越低，表明催化器起燃请求越高；加热率越高，表明催化器起燃请求越低。催化器加热率在发动机熄火后会清零，在发动机运行过程中开始计算。催化器加热率为进入催化器的总进气量mCat与进入催化器的总进气量参考值mCatRef的比值，即rCatHeatRatio＝mCat/mCatRef。
进入催化器的总进气量mCat，为进入气缸的进气流量dmcyl乘以时间，并不断自累加，得到进入气缸的总进气量mcylraw，将进入气缸的总进气量mcylraw乘以一定修正系数K。如果发动机处于断油工况，则K为常数；如果发动机处于非断油工况，则K为基于发动机转速和负荷查表得到的系数。即mCat＝(∫(dmcyl×K)×Δt)，其中∫(dmcyl×K)×Δt为dmcyl与当前K值乘积的时间积分值。
发动机断油工况时,K＝C,C为固定值。
发动机非断油工况时，K＝f(n,rho)，其中n为发动机转速，rho为发动机负荷，均为发动机最基本的特征参数，f(n,rho)为发动机转速和负荷的函数。随着发动机转速的提高或者负荷的增大，该系数均会减小。
进入催化器的总进气量参考值mCatRef，为基于大气压力pAmb和发动机刚启动时的水温TCoolantAtStart共同确定的，即mCatRef＝f(pAmb,TCoolantAtStart)。水温越小，或者大气压力越小，进入催化器的总进气量参考值越大。
进一步，确定催化器起燃过程中发动机最低转速控制的使能条件：
1.催化器加热率低于一定值；
2.车速低于一定值；
3.发动机启动时的水温在一定范围内；
4.发动机转速不为0；
5.催化器起燃控制结束标志位未置1(该条件将在后面介绍)。
进一步，计算催化器起燃的发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint。该目标值由发动机启动时水温TCoolantAtStart，大气压力pAmb和催化器加热率rCatHeatRatio共同决定。nCatHeatEngSetpoint＝f1(pAmb,TCoolantAtStart)×f2(rCatHeatRatio,TCoolantAtStart)，根据发动机启动时水温和大气压力确定基本目标转速，启动水温越高或者大气压力越大，基本目标转速越小。根据大气压力和催化器加热率确定发动机最低转速目标值的补偿系数，补偿系数大于0。大气压力越大或者催化器加热率越大，补偿系数越小。发动机转速最低转速目标值不小于发动机目标怠速值。
进一步，计算催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，最低转速最终值根据目标值nCatHeatEngSetpoint逐渐过渡到目标的怠速转速nEngIdleSetpoint。
第一阶段，在使能条件刚满足的时刻，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint赋予给发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，即此时nCatHeatEngSpd＝nCatHeatEngSetpoint。
第二阶段，在使能条件满足时，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint的变化率限制在一定范围内，即目标值增大或者减小的变化率均限制在一定范围内，最为最终的发动机最低转速最终值。限制变化率是防止目标值波动太大而导致发动机转速波动，排放恶化和驾驶性较差。
第三阶段，随着发动机转速的运行，催化器加热率必定会导致使能条件不满足，或者使能条件可能不满足，从而导致最终催化器起燃阶段中断。在催化器起燃阶段中断时，基于当前的催化器最低转速请求值不断减小，变化率基于时间变化的固定值，直至催化器最低转速降低到一定值(该值一定在发动机最低目标转速误差范围内)，且发动机目标转速与当前催化器请求最低转速在一定范围内时，催化器最低转速请求值不在变化，此时催化器起燃室的发动机最低转速控制结束。
第四阶段，催化器起燃室的发动机最低转速控制结束时，催化器起燃控制结束标志位置1。且在此处驾驶循环过程中，标志位一直会置1，直至发动机熄火，发动机控制器完全下电后，催化器起燃控制结束标志位复位为0。
催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd将会作用于发动机转速的控制输入。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：
在发动机起动时，分阶段调整发动机最低转速的大小，以加快催化器温度上升至工作温度；根据使能条件将起燃过程划分为以下四个阶段：
第一阶段，使能条件刚满足的时刻，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint赋予给发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd，即此时nCatHeatEngSpd＝nCatHeatEngSetpoint；
第二阶段，使能条件满足后，将发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint的变化率限制在一定范围内，转速上升的变化率大于转速下降的变化率绝对值；
第三阶段，随着发动机转速的运行，催化器加热率会超过催化器预设加热率限值，或者使能条件不满足后，则退出催化器起燃的控制，发动机的最低转速会逐步退出至其基本目标怠速；
第四阶段，催化器起燃过程中的发动机最低转速控制结束，催化器起燃室的发动机最低转速控制结束时，催化器起燃控制结束标志位置1；且在此处驾驶循环过程中，标志位一直会置1，直至发动机熄火，发动机控制器完全下电后，催化器起燃控制结束标志位复位为0；
催化器起燃的发动机最低转速最终值nCatHeatEngSpd将会作用于发动机转速的控制输入；
使能条件为：
条件一，催化器加热率低于0.82；
条件二，车速低于预设车速190km/h，且超过预设时间10min；
条件三，发动机启动时的水温在预设范围内，低于50℃；
条件四，发动机转速不为0；
条件五，催化器起燃控制结束标志位未置1；
上述五条条件全部满足则使能条件满足，上述五条条件若有任意一条不满足则使能条件不满足。
2.根据权利要求1所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：发动机最低转速目标值nCatHeatEngSetpoint确定方法如下表：
nCatHeatEngSetpoint＝f1(pAmb,TCoolantAtStart)×f2(rCatHeatRatio,TCoolantAtStart)
Figure FDA0003212686350000021
Figure FDA0003212686350000031
Figure FDA0003212686350000032
Figure FDA0003212686350000041
3.根据权利要求2所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：催化器加热率rCatHeatRatio为进入催化器的总进气量mCat与进入催化器的总进气量参考值mCatRef的比值，即rCatHeatRatio＝mCat/mCatRef。
4.根据权利要求3所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：总进气量mCat的确定方法如下：
mCat＝(∫(dmcyl×K)×Δt)
dmcyl为进入气缸的进气流量；Δt为进入气缸的进气时间，K为修正系数。
5.根据权利要求4所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：K的确定方法如下：
发动机断油工况时，K＝C，C为固定值，1.2；
发动机非断油工况时，K＝f(n,rho)，其中n为发动机转速，rho为发动机负荷，均为发动机最基本的特征参数，f(n,rho)为发动机转速和负荷的函数
Figure FDA0003212686350000051
6.根据权利要求3所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：总进气量参考值mCatRef的确定方法如下：
mCatRef＝f(pAmb,TCoolantAtStart)
Figure FDA0003212686350000061
7.根据权利要求1所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：第二阶段，转速上升的变化率50r/min/s,转速下降的变化率为40r/min/s。
8.根据权利要求1所述的利用发动机最低转速加速催化器起燃过程的方法，其特征在于：第二阶段，转速下降的变化率为30r/min/s，第三阶段催化器最低转速下降的变化率绝对值低于第二阶段最低转速变化率的绝对值。
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