CN113530644B - 柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置 - Google Patents

柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置，涉及发动机技术领域，用于降低排气尾管中氮氧化物的排放，使发动机的排放水平满足要求。本发明的柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置，通过将当前监测到的氮氧化物排放值与上一次监测到的氮氧化物排放值进行比较，并以此来调整尿素喷射量，在提高精度的同时能够提升控制系统的响应速度，可以有效的降低NH3对氮氧化物信号的干扰，进而实现对车辆运行过程中氮氧化物排放的有效控制，大大降低尿素结晶的发生频次，提升控制系统的可靠性。

Description

柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别地涉及一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置。
背景技术
随着社会经济的发展，国家对环境保护的重视程度越来越高，2016年4月东部11省已经针对特种车辆(公交、环卫、邮政)实施国五排放标准要求，全国也即将于2017年7月1日针对重型柴油车实行5阶段发动机排放标准。按照不同地域要求，国六产品也将陆续登陆市场。
更为严峻的考验是法规部门正在积极推行针对重型柴油车的车载法排放(重型柴油车在实际道路驾驶过程中进行车载排放检测的一种方式)，OBD实时监测，及排放质保及燃油耗法规，在这种排放和经济性双重的挑战下，生产厂家必须要提供更为环保更为经济的发动机。
现阶段的重型柴油机技术多采用DOC(催化氧化)、POC(颗粒氧化催化)及DPF(颗粒捕捉器)等后处理技术以降低PM(颗粒物)的排放，并采用EGR(尾气再循环)、SCR(选择性催化还原)等后处理装置来降低NOx(氮氧化物)。然而当前车辆测量氮氧化物应用的传感器只能检测到氮原子，由于NOx(氮氧化物)和NH3(氨，尿素处理氮氧化物的主要成分)中都含有氮原子，故氮氧化物传感器不能有效的区分出NOx和NH3。所以，当排气尾管中存在NH3时候，会被氮氧化物传感器误读为NOx，并传递给行车电脑的控制系统，从而行车电脑会发出增加尿素喷射指令，这样又会释放出更多的NH3，进入恶性循环，导致后处理出现严重的尿素结晶问题而影响后处理正常工作，从而影响车辆的正常运行。
发明内容
本发明提供一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法及装置，用于降低排气尾管中氮氧化物的排放，使发动机的排放水平满足要求。
根据本发明的第一个方面，本发明提供一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法，包括：
S10：确定尿素喷射前馈需求值；
S20：持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值；
S30：判断当前监测到的氮氧化物排放值是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值，若是，则按照第一尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；若否，则按照第二尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；
其中，所述第一尿素喷射值小于所述尿素喷射前馈需求值；所述第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值。
在一个实施方式中，S20包括以下子步骤：
S21：根据当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，确定尿素喷射需求值，按照所述尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量；
S22：按照所述尿素喷射需求值喷射尿素后，持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值。
在一个实施方式中，S21包括以下子步骤：
S211：根据当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，判断所述初始氮氧化物排放值是否高于氮氧化物需求值，若是，则在所述尿素喷射前馈需求值的基础上增加尿素喷射量，并以增加后的尿素喷射量作为尿素喷射需求值；
S212：按照所述尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量。
在一个实施方式中，步骤S211中，根据氮氧化物排放值计算参数，计算当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，所述氮氧化物排放值计算参数包括排气尾管出口氮氧化物的信息、发动机的运行工况以及窗口循环功。
在一个实施方式中，排气尾管出口氮氧化物的信息由排气尾管氮氧化物传感器获得。
在一个实施方式中，步骤S10中，根据发动机转速、发动机指示扭矩、进气温度、排气温度、环境压力、环境温度以及运行时间，确定不同的窗口循环功对应的尿素喷射前馈需求值。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其包括：
尿素喷射需求计算模块，其用于获取尿素喷射前馈需求值；以及
尿素喷射控制模块，其与所述尿素喷射需求计算模块相连，所述尿素喷射控制模块判断当前监测到的氮氧化物排放值是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值，若是，则所述尿素喷射控制模块按照第一尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；若否，则所述尿素喷射控制模块按照第二尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；
其中，所述第一尿素喷射值小于所述尿素喷射前馈需求值；所述第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值。
在一个实施方式中，还包括与所述尿素喷射控制模块相连的尿素喷射量计算模块，所述尿素喷射量计算模块用于计算尿素喷射压力、尿素喷射时间及尿素喷射量。
在一个实施方式中，其中，还包括与所述尿素控制喷射模块相连的后处理单元，所述后处理单元设置在排气管上，所述后处理单元包括后处理入口氮氧化物传感器、后处理入口温度传感器、柴油颗粒捕捉器入口温度传感器、选择性催化还原入口温度传感以及排气尾管氮氧化物传感器。
在一个实施方式中，所述尿素喷射需求计算模块根据发动机转速、发动机指示扭矩、进气温度、排气温度、环境压力、环境温度以及运行时间，确定不同的窗口循环功对应的尿素喷射前馈需求值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将当前监测到的氮氧化物排放值与上一次监测到的氮氧化物排放值进行比较，并以此来调整尿素喷射量，在提高精度的同时能够提升控制系统的响应速度，可以有效的降低NH3对氮氧化物信号的干扰，进而实现对车辆运行过程中氮氧化物排放的有效控制，大大降低尿素结晶的发生频次，提升控制系统的可靠性，使发动机的排放水平满足国(欧)六、OBD、IUPR及整车车载排放法规要求。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的实施例中柴油机自适应式氮氧化物控制方法的流程图；
图2和图3是本发明的实施例中柴油机自适应式氮氧化物控制方法的工作原理；
图4是是本发明的实施例中柴油机自适应式氮氧化物控制装置的安装示意图。
附图标记：
1-进气节流阀(IAT)；2-排气节流阀(ETV)；3-进气歧管；4-发动机；5-进气岐管温度传感器；6-进气歧管压力传感器；7-排气岐管；8-行车电脑(ECU)，9-后处理系统；10-后处理入口氮氧化物传感器；11-后处理入口温度传感器；12-颗粒捕捉器(DPF)入口温度传感器；13-选择性催化还原(SCR)入口温度传感，14-排气尾管氮氧化物传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法，包括以下操作步骤。
第一步，通过发动机匹配车辆的应用类型，收集各种应用的典型工况工作循环，创建不同的窗口循环功矩阵，并加载到中央处理器(例如，行车电脑8)中。当车辆正常运行时，中央处理器根据发动机转速、指示扭矩、排气温度、大气压力、环境温度，运行时间等信息，判断并选择适合的窗口循环功，随后，则对窗口循环功连续累积采集，并适时传递给中央处理器，当中央处理器收到的信号发生变化时，会自适应的选择合适的窗口循环功。
第二步，确定尿素喷射前馈需求值M。
具体来说，中央处理器的尿素喷射需求计算模块根据发动机转速、发动机指示扭矩、进气温度、排气温度、环境压力、环境温度以及运行时间，确定不同的窗口循环功对应的尿素喷射前馈需求值M。
第三步，尿素喷射控制模块持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值。
具体来说，首先，尿素喷射控制模块根据氮氧化物排放值计算参数，计算当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，其中，氮氧化物排放值计算参数包括排气尾管出口氮氧化物的信息、发动机的运行工况以及窗口循环功。
排气尾管出口氮氧化物的信息由排气尾管氮氧化物传感器获得。
其次，排气尾管氮氧化物测量及输出模块将当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值反馈给尿素喷射控制模块。尿素喷射控制模块根据计算获得的当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，判断初始氮氧化物排放值是否高于氮氧化物需求值，若是，则在尿素喷射前馈需求值的基础上增加尿素喷射量，并以增加后的尿素喷射量作为尿素喷射需求值。随后，尿素喷射控制模块按照尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量。
其中，氮氧化物需求值为当前窗口循环功内的设定值或经验值。
尿素喷射控制模块按照尿素喷射需求值喷射尿素后，还需持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值。
第四步，尿素喷射控制模块判断当前监测到的氮氧化物排放值Qi是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值Qi-1。
上述判断有两种结果，一种是Qi大于Qi-1，则表明上一步中在增加了尿素喷射量的情况下，氮氧化物排放值仍然增加，从而说明测得的氮氧化物中含有NH3，即存在尿素过喷现象，从而需要在尿素喷射前馈需求值M的基础上降低尿素喷射量，即以第一尿素喷射值喷射尿素且向中央处理器反馈尿素喷射量；因此第一尿素喷射值小于尿素喷射前馈需求值。
另一种结果是Qi小于或等于Qi-1，则表明第三步中在增加了尿素喷射量的情况下，氮氧化物排放值有所降低，从而说明排气尾管确实存在氮氧化物高的情况，从而需要在尿素喷射前馈需求值M的基础上增加尿素喷射量，即以第二尿素喷射值喷射尿素且向中央处理器反馈尿素喷射量；因此第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值。
通过将当前监测到的氮氧化物排放值与上一次监测到的氮氧化物排放值进行比较，并以此来调整尿素喷射量，从而实现自适应性调整尿素喷射量。
此外，根据上述两种结果来调整尿素喷射量，都是基于尿素喷射前馈需求值M，即在尿素喷射前馈需求值M的基础上增加或者减小尿素喷射量，使其能够快速对尿素喷射量进行调整。
因此本发明的柴油机自适应式氮氧化物控制方法，是在对氮氧化物的测量结果进行深度数据信号处理后，结合前馈+反馈式尿素闭环控制，在提高精度的同时能够提升控制系统的响应速度，可以有效的降低NH3对氮氧化物信号的干扰，进而实现对车辆运行过程中氮氧化物排放的有效控制，大大降低尿素结晶的发生频次，提升控制系统的可靠性。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其包括尿素喷射需求计算模块以及尿素喷射控制模块。尿素喷射需求计算模块向尿素喷射控制模块发送尿素喷射需求使能信号以及尿素喷射量请求信号。
其中，尿素喷射需求计算模块用于获取尿素喷射前馈需求值M。如图2所示，尿素喷射需求计算模块根据发动机转速、发动机指示扭矩、发动机运行时间计时器、窗口循环功参考矩阵、进气温度、排气温度、大气环境温度、大气环境压力、选择性催化还原(SCR)入口温度传感13、排气尾管氮氧化物传感器14的信息获取尿素喷射前馈需求值M。
尿素喷射控制模块与尿素喷射需求计算模块相连，尿素喷射控制模块判断当前监测到的氮氧化物排放值是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值，若是，则尿素喷射控制模块按照第一尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；若否，则尿素喷射控制模块按照第二尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；其中，第一尿素喷射值小于尿素喷射前馈需求值；第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值。
如图3所示，在柴油机自适应式氮氧化物控制模块中，具有内环闭环和外环闭环。尿素喷射控制模块在尿素喷射前馈需求值M的基础上，增加或减少尿素喷射量，并反馈该尿素喷射量，此为内环。排气尾管氮氧化物测量及输出模块将排气围观氮氧化物反馈值反馈给尿素喷射控制模块，尿素喷射控制模块根据排气尾管氮氧化物需求值，在尿素喷射前馈需求值M的基础上，确定尿素喷射需求值，并反馈尿素喷射量，此为外环。
进一步地，本发明的柴油机自适应式氮氧化物控制装置还包括与尿素喷射控制模块相连的尿素喷射量计算模块，尿素喷射量计算模块用于计算尿素喷射压力、尿素喷射时间及尿素喷射量。
具体地，尿素喷射量计算模块根据尿素罐的液位信号、尿素泵出口温度信号、尿素泵压力状态信号以及尿素喷射量反馈信号来进行计算。
进一步地，柴油机自适应式氮氧化物控制装置还包括与尿素控制喷射模块相连的后处理单元9，后处理单元9与行车电脑(ECU)8相连。如图4所示，后处理单元9设置在排气管上，后处理单元包括催化氧化(DOC)处理单元、颗粒捕捉器(DPF)、选择性催化还原处理单元(SCR)及氨逃逸催化器(ASC)。具体地，可以设置诸如后处理入口氮氧化物传感器10、后处理入口温度传感器11、柴油颗粒捕捉器(DPF)入口温度传感器12、选择性催化还原(SCR)入口温度传感13以及排气尾管氮氧化物传感器14等传感器。后处理单元9的具体结构和实施方式可参照现有技术中的后处理单元，本发明对此不再赘述。
当车辆运行时，行车电脑8根据上述传感器的信息，判断发动机运行工况及氮氧化物排放情况，通过指令选择合适的窗口循环功。在当前窗口循环功内，尿素喷射控制模块判断氮氧化物传感器测量结果中NH3含量比例的增减，从而精确的控制调整尿素喷射量，实现对氮氧化物以及NH3的有效控制，提升控制系统可靠性。
如图4所示，为本发明的柴油机自适应式氮氧化物控制装置的安装示意图。其中，发动机4分别与进气歧管3和排气歧管7相连，进气歧管3上设置有用于采集进气温度的进气岐管温度传感器5和用于采集进气压力的进气歧管压力传感器6。进气歧管3的前端以及排气歧管7的后端分别设置有1进气节流阀(IAT)1和排气节流阀(ETV)2。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种柴油机自适应式氮氧化物控制方法，其特征在于，包括：
S10：确定尿素喷射前馈需求值；
S20：持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值；
S30：判断当前监测到的氮氧化物排放值是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值，若是，则按照第一尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；若否，则按照第二尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；
其中，所述第一尿素喷射值小于所述尿素喷射前馈需求值；所述第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值；
S20包括以下子步骤：
S21：根据当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，确定尿素喷射需求值，按照所述尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量；
S22：按照所述尿素喷射需求值喷射尿素后，持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值。
2.根据权利要求1所述的柴油机自适应式氮氧化物控制方法，其特征在于，S21包括以下子步骤：
S211：根据当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，判断所述初始氮氧化物排放值是否高于氮氧化物需求值，若是，则在所述尿素喷射前馈需求值的基础上增加尿素喷射量，并以增加后的尿素喷射量作为尿素喷射需求值；
S212：按照所述尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量。
3.根据权利要求2所述的柴油机自适应式氮氧化物控制方法，其特征在于，步骤S211中，根据氮氧化物排放值计算参数，计算当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，所述氮氧化物排放值计算参数包括排气尾管出口氮氧化物的信息、发动机的运行工况以及窗口循环功。
4.根据权利要求3所述的柴油机自适应式氮氧化物控制方法，其特征在于，排气尾管出口氮氧化物的信息由排气尾管氮氧化物传感器获得。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的柴油机自适应式氮氧化物控制方法，其特征在于，步骤S10中，根据发动机转速、发动机指示扭矩、进气温度、排气温度、环境压力、环境温度以及运行时间，确定不同的窗口循环功对应的尿素喷射前馈需求值。
6.一种柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其特征在于，包括：
尿素喷射需求计算模块，其用于获取尿素喷射前馈需求值；以及
尿素喷射控制模块，其与所述尿素喷射需求计算模块相连，所述尿素喷射控制模块判断当前监测到的氮氧化物排放值是否大于上一次监测到的氮氧化物排放值，若是，则所述尿素喷射控制模块按照第一尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；若否，则所述尿素喷射控制模块按照第二尿素喷射值喷射尿素且反馈尿素喷射量；
其中，所述第一尿素喷射值小于所述尿素喷射前馈需求值；所述第二尿素喷射值大于尿素喷射前馈需求值；
所述尿素喷射控制模块根据当前窗口循环功内的初始氮氧化物排放值，确定尿素喷射需求值，按照所述尿素喷射需求值喷射尿素并反馈尿素喷射量；并且尿素喷射控制模块按照所述尿素喷射需求值喷射尿素后，持续监测当前循环功窗口的氮氧化物排放值。
7.根据权利要求6所述的柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其特征在于，还包括与所述尿素喷射控制模块相连的尿素喷射量计算模块，所述尿素喷射量计算模块用于计算尿素喷射压力、尿素喷射时间及尿素喷射量。
8.根据权利要求6或7所述的柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其特征在于，其中，还包括与所述尿素喷射控制模块相连的后处理单元，所述后处理单元设置在排气管上，所述后处理单元包括后处理入口氮氧化物传感器、后处理入口温度传感器、柴油颗粒捕捉器入口温度传感器、选择性催化还原入口温度传感以及排气尾管氮氧化物传感器。
9.根据权利要求6或7所述的柴油机自适应式氮氧化物控制装置，其特征在于，所述尿素喷射需求计算模块根据发动机转速、发动机指示扭矩、进气温度、排气温度、环境压力、环境温度以及运行时间，确定不同的窗口循环功对应的尿素喷射前馈需求值。
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