CN113606026B - 一种发动机排气温度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机技术领域，公开了一种发动机排气温度计算方法。该发动机排气温度计算方法包括以下步骤：根据发动机排气管入口气体温度、发动机排气管管壁温度，获取发动机排气管出口气体温度；根据催化器进气气体温度、催化器内化学反应产生的热量、催化器内载体传递至外部环境的热量，获取催化器内载体的热量；根据涡轮机进气管进气温度、涡轮机进气管管壁温度，获取涡轮机进气温度和涡轮机排气温度。该发动机排气温度计算方法能够准确计算出发动机排气温度，从而达到延长发动机寿命的目的。

Description

一种发动机排气温度计算方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机排气温度计算方法。

背景技术

发动机排气温度简称发动机排温，是指发动机排气歧管内的温度，发动机排温是表征发动机燃烧状态的重要参数之一，是影响发动机可靠性和一致性的重要因素。现有汽车尤其是装配有增压发动机的汽车，在严酷的工况下，长时间的高速行驶，发动机排气温度就会剧烈上升。随着发动机排温升高，导致发动机性能降低，油耗增加，排放超标以及加速发动机内部零件的损耗。因此，需要采用相应措施控制发动机排温，避免发动机排温过高的情况。

现有技术采用在发动机的排气歧管内设置有温度传感器，但是由于增压发动机在全负荷的工作状态时，其排出的废气温度可高达1000℃，涡轮机的废气以50m/s～230m/s的速度从排气孔排出，排气频率高达200HZ，所以在如此恶劣的环境之下，任何传感器都难以胜任工作，因此不能对发动机排气温度进行实时监控，反馈给ECU对发动机进行控制，导致过高的排气温度对排气管路和增压器造成不可逆影响，从而影响发动机的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机排气温度计算方法，能够计算发动机排气温度，延长发动机使用寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种发动机排气温度计算方法，用于计算发动机排气系统中的发动机排气温度，所述发动机排气系统包括依次连通的发动机排气管后排气门、涡轮机、催化器及发动机排气管，所述发动机排气温度计算方法包括以下步骤：

根据发动机排气管入口气体温度、发动机排气管管壁温度，获取发动机排气管出口气体温度；

根据催化器进气气体温度、催化器内化学反应产生的热量、催化器内载体传递至外部环境的热量，获取催化器内载体的热量；

根据涡轮机进气管进气温度、涡轮机进气管管壁温度，获取涡轮机进气温度和涡轮机排气温度。

作为优选，发动机排气管出口气体温度满足公式：

其中，T_{排气管出口气体温度}为发动机排气管出口气体温度，T_{排气管入口气体温度}为发动机排气管入口气体温度，T_{排气管管壁温度}为发动机排气管管壁温度，α为为气体传热系数，A为发动机排气管的横截面积，cp为每千克气体升高1开尔文所需的能量焦耳。

作为优选，发动机排气管管壁温度T_{排气管管壁温度}的计算公式为：

其中，V_车速为整车当前的车速。

作为优选，催化器内载体的热量满足公式：

Q_c＝Q_qc+Q_f-Q_ch，其中，Q_c为催化器内载体的热量，Q_qc为催化器进气气体温度传递给载体的热量，Q_f为催化器内化学反应产生的热量，Q_ch为催化器内载体传递至外部环境的热量。

作为优选，涡轮机进气温度满足公式：

其中，

T_{涡轮机进气温度}为涡轮机进气温度，T_{涡轮机进气管进气温度}为涡轮机进气管进气温度，T_{涡轮机进气管管壁温度}为涡轮机进气管管壁温度。

作为优选，涡轮机排气管温度满足公式：

作为优选，在稳态模式时，根据发动机转速、相对充气量、废气质量和流量系数、空燃比及点火效率，获得在稳态模式下发动机排气门后温度。

作为优选，在断油模式时，根据发动机转速、废气质量和流量系数、发动机水温，获得在断油模式下发动机排气门后温度。

作为优选，在扫气模式时，根据废气质量和流量、扫气系数、进气门后新鲜空气温度，获得在扫气模式下发动机排气门后温度。

作为优选，在动态模式时，根据稳态工作时废气温度、废气质量和流量系数、环境温度，获得在动态模式下发动机排气门后温度。

本发明的有益效果：

本发明提供的发动机排气温度计算方法，由于发动机排气管后排气门、涡轮机、催化器及发动机排气管顺次连通，根据排气温度计算模型并根据热平衡法，得出管类部件的发动机排气管出口气体温度、催化器内载体的温度和热量、涡轮中各个部件的温度以及发动机排气管后排气门温度的数值。将发动机尾气在发动机排气系统中的流动看作是一维稳态流动，根据能量守恒及一维稳态管对流换热模型，推导出排气系统不同结构温度的数学模型。

与现有技术相比，在复杂的发动机排气系统中，该发动机排气温度计算方法以热力学第一定律为基础，只需获得进口的排气温度、管壁的温度、排气质量流量，就可以通过数学模型的建立，从而推导出发动机的排气过程中各结构温度的变化。与传感器测温法对比，解决了恶劣的工况导致的传感器损耗问题，能够准确计算出发动机排气温度，从而实现对发动机排气温度的控制，避免因温度过高影响对发动机内部零件的损耗，从而达到延长发动机寿命的目的。

附图说明

图1是本发明发动机排气温度计算方法中所需的发动机排气系统的结构示意图；

图2是本发明发动机排气温度计算方法中计算发动机排气管出口气体温度的建模模型；

图3是本发明发动机排气温度计算方法中计算发动机排气管管壁温度的建模模型；

图4是本发明发动机排气温度计算方法中计算催化器载体温度的建模模型；

图5是本发明发动机排气温度计算方法中所需涡轮机的结构示意图；

图6是本发明发动机排气温度计算方法中计算涡轮机进气温度的建模模型；

图7是本发明发动机排气温度计算方法中计算涡轮机排气温度的建模模型；

图8是本发明发动机排气温度计算方法中计算稳态模式下发动机排气门后温度的建模模型；

图9是本发明发动机排气温度计算方法中计算断油模式下发动机排气门后温度的建模模型；

图10是本发明发动机排气温度计算方法中计算扫气模式下发动机排气门后温度的建模模型；

图11是本发明发动机排气温度计算方法中计算动态模式下发动机排气门后温度的建模模型。

图中：

1、发动机排气管；2、催化器；3、涡轮机；4、发动机排气管后排气门；

33、涡轮机进气管；32、涡轮机本体；31、涡轮机排气管。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，发动机排气系统包括发动机排气管后排气门4、涡轮机3、催化器2、及发动机排气管1，发动机排气系统包括四部分，这四部分依次相互连通，以形成串联结构。

其中，第一部分为发动机排气管1组成的管类部件；第二部分为催化器2，催化器2为废气净化装置，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。第三部分为涡轮机3，涡轮机3具体包括分为三部分，分别为涡轮机进气管33、涡轮机本体32、涡轮机排气管31，其中涡轮机进气管33的进气温度为废气通过发动机排气管后排气门4后的温度，从涡轮机进气管33流入的废气经过涡轮机本体32进入到涡轮机排气管31中。第四部分为发动机排气管后排气门4。

本实施例提供了一种发动机排气温度计算方法，用于计算发动机排气系统中的发动机排气温度，发动机排气温度计算方法包括以下步骤：

根据发动机排气管入口气体温度、发动机排气管管壁温度，获取发动机排气管出口气体温度；

根据催化器进气气体温度、催化器内化学反应产生的热量、催化器内载体传递至外部环境的热量，获取催化器内载体的热量；

根据涡轮机进气管进气温度、涡轮机进气管管壁温度，获取涡轮机进气温度和涡轮机排气温度。

本发明提供的发动机排气温度计算方法，由于发动机排气管后排气门4、涡轮机3、催化器2及发动机排气管1顺次连通，根据排气温度计算模型并根据热平衡法，得出管类部件的发动机排气管出口气体温度、催化器内载体的温度和热量、涡轮机3中各个部件的温度以及发动机排气管后排气门温度的数值。将发动机尾气在发动机排气系统中的流动看作是一维稳态流动，根据能量守恒及一维稳态管对流换热模型，推导出排气系统不同结构温度的数学模型。

与现有技术相比，在复杂的发动机排气系统中，该发动机排气温度计算方法以热力学第一定律为基础，只需获得进口的排气温度、管壁的温度、排气质量流量，就可以通过数学模型的建立，从而推导出发动机的排气过程中各结构温度的变化。与传感器测温法对比，解决了恶劣的工况导致的传感器损耗问题，能够准确计算出发动机排气温度，从而实现对发动机排气温度的控制，避免因温度过高影响对发动机内部零件的损耗，从而达到延长发动机寿命的目的。

下面分别对第一部分到第四部分分别一一进行介绍。

1、第一部分为计算管类部件发动机排气管1的排气温度

此部分计算时我们的已知量包括：排气管入口的排气温度、排气质量流量，和一个由排气质量流量决定的特性曲线

根据热力学第一定律：能量有各种不同的形式，能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，而在转化和传递中，能量的数值保持不变。所以在排气通过管道的过程中，排气管入口和出口的热量差即为排气传递到排气管管壁的热量。

因此，可以得到下面的等式1：

Qj-Qc＝Qg……………………………1；

其中，Qj为发动机排气管入口的热量；Qc为发动机排气管出口的热量；Qg为发动机排气传递至排气管管壁的热量。

在等式1两侧，同时取对时间的导数，得出的结果即为三者热流量之间的关系，得到等式2：

又因为热量和温度之间有下面的关系，如公式3和4：

Q＝cmΔT………………………………3；

其中，c为废气比热容，m为废气质量。

通过废气的热流量与两侧温度差成正比，并与材料的导热性能有关，得到公式4：

其中，α为废气传热系数，即指围护结构两侧空气温差为1度时，在1S内通过1平方米传递的热量，单位为W/m²C°；

再带入公式1，得到排气管出口的排气温度与进口的排气温度、排气传递至排气管管壁的温度、排气质量流量之间的关系式，并且由于排气管面积A可以近似认为是常数，传热系数α是质量流量的函数，通过这些条件可以根据公式，进行如图2所示的建模计算发动机排气管出口气体温度。

因此，发动机排气管出口气体温度满足公式：

其中，T_{排气管出口气体温度}为发动机排气管出口气体温度，T_{排气管入口气体温度}为发动机排气管入口气体温度，T_{排气管管壁温度}为发动机排气管管壁温度，α为气体传热系数，A为发动机排气管1的横截面积，cp为每千克气体升高1开尔文所需的能量焦耳。

在上述公式中T_{排气管管壁温度}为未知量，需要对发动机排气管管壁温度进行计算。

具体地，同理根据热力学第一定律，得出管壁温度的热流量计算方法，如公式5所示：

其中，

为发动机排气管管壁自身的热流量；

为排气传递至排气管管壁的热流量；

为排气管管壁传递到环境的热流量。

代入相关公式后得到：发动机排气管管壁的温度与入口的排气温度、排气传递至排气管管壁的温度、排气质量流量和车速之间的关系式。

在经过如下定义后可根据该公式，并通过如图3所示的建模，计算发动机排气管管壁的温度。

(1)m×cp＝A，管壁的质量和比热容近似为常数，定义二者的乘积为标定参数AC：

(2)定义一个由车速决定的与排气的质量流量相关的特性曲线。

因此，发动机排气管管壁温度T_{排气管管壁温度}的计算公式为：

其中，V_车速为整车当前的车速。

这里面计算管壁传递到环境中温度的过程中涉及到了一个与车速有关的特性曲线，即特性曲线-f(V_车速)×(T_{排气管管壁温度}-T_{排气管外部环境温度})。

在已知排气管入口气体温度、排气管管壁的温度及与排气质量流量相关的特性曲线后就可以得到管类部件的排气温度。

2、第二部分为催化器2的温度计算

由于催化器2具有良好的热传递能力，一般认为催化器2载体的温度与载体内的排气温度相同。根据催化器2内载体的热量平衡，催化器2内载体的热量满足以下公式：

Q_c＝Q_qc+Q_f-Q_ch……………………6；

其中，Q_c为催化器内载体的热量，Q_qc为催化器进气气体温度传递给载体的热量，Q_f为催化器内化学反应产生的热量，Q_ch为催化器内载体传递至外部环境的热量。

在公式6的两侧，同时取对时间的导数，得出的结果即为热流量之间的关系。

在公式展开后，得到催化器内载体温度与催化器内化学反应产生的热量、排气传递至载体的温度、排气质量流量之间的关系式。已知催化器内化学反应产生的热量、催化器2的初始温度、行驶过程中催化器2传递到环境中温度，计算得出催化器载体温度，达到稳态后默认催化器温度与废气温度相同。因此，通过以下条件可以根据公式，进行如图4所示的建模计算位于出口的催化器载体温度，因此，图4中催化器2的载体温度模型为动态过程中催化器2温度的计算方法。

(1)气管面积A可以近似认为是常数，传热系数α是质量流量的函数。

(2)载体的质量和比热容近似为常数，定义二者的乘积为标定参数AC。

(3)定义一个由车速决定的与排气的质量流量相关的特性曲线。

同时，在发动机不同的工况下建立不同的数学模型计算放热反应导致的温度变化，此时考虑正常工况和扫气工况。在正常工况下需要考虑催化器2内部反应放热及系数的影响，且扫气工况下还需要同时考虑废气和新鲜空气质量流量对反应的影响。

3、第三部分为计算涡轮部件的温度计算

如图5所示，涡轮机3具体包括分为三部分，分别为涡轮机进气管33、涡轮机本体32和涡轮机排气管31，其中涡轮机进气管33的进气温度为废气通过发动机排气管后排气门4后的温度，从涡轮机进气管33流入的废气经过涡轮机本体32进入到涡轮机排气管31中。

在建模过程中认为废气在涡轮机3中进行的是绝热膨胀，其中绝热膨胀具体是指与外界没有热量交换，但气体对外界做功，气体膨胀。在这个过程中气体体积增大，压强降低，因而温度降低。并且假设涡轮机3内所有零件包括转子都有相同的温度，假设涡轮机进气管33和涡轮机排气管31的表面积各占整个涡轮机本体32表面积的一半。根据热量平衡，有下面的公式：

其中热量Q对时间取导，得到的热流量。其中，

为涡轮机本体32前涡轮机进气管33的热流量，

为涡轮机本体32后涡轮机排气管31的热流量，α为传热系数，传热系数指围护结构两侧空气温差为1度，1S内通过1平方米传递的热量，单位为W/m²C°；A表示面积。T_in为气体进入涡轮机本体32前的温度，T_out为气体进入涡轮机本体32后的温度，T_wall为管壁的温度。

涡轮机本体32做功会引起排气温度的变化，根据能量守恒原理，有下面的等式8：

P＝α·A·(T_in-T_out)…………………………8；

对于绝热膨胀，进出温度和压力有下面的关系等式9：

其中，n为多变指数，T为绝对温度。对于涡轮机3的情况，涡轮机本体32前压力和涡轮机本体32后压力容易获取，因此可以利用上述公式，得到涡轮机3各处的温度的数学计算模型。

建立如图6所示的涡轮机进气管33温度T_In的数学模型，涡轮机进气温度T_In即为：

T_{涡轮机进气温度}为涡轮机进气温度，T_{涡轮机进气管进气温度}为涡轮机进气管33进气温度，T_{涡轮机进气管管壁温度}为涡轮机进气管管壁温度。

建立如图7所示的涡轮机排气管温度T_Out的数学模型，涡轮机排气管温度T_Out即为：

4、第四部分为计算发动机排气管后排气门4的温度

排气门后的排气温度数学模型的建立是基于发动机不同工况的，以实际运行状态为标准，将其分为稳态排气温度、断油时的排气温度、扫气时的排气温度、动态温度计算这四个工况。在不同的工况下，影响发动机排气管后排气门温度的条件也不相同。

(1)稳态模式下发动机排气门后温度

一般而言，排气温度随着转速和负荷的增加而上升，同时空燃比和点火角对之也有影响。空燃比大于1，温度会上升，空燃比小于1，温度会下降；增大点火角，温度会下降，反之温度会上升。此时，在稳态模式时，根据发动机转速、相对充气量、废气质量和流量系数、空燃比及点火效率，获得在稳态模式下发动机排气门后温度。建立如图8所示的数学模型通过发动机转速和相对充气量，考虑点火角及空燃比对排温的影响，计算得在稳态模式下发动机排气门后温度。

此外，环境温度、发动机水温、催化器2的快速加热及催化器2的暖机等都对排气温度有影响。在正常稳定工况下，稳态排温等于一定转速和相对充气量下的基础排温减去环境温度对排温的修正温度，再加上因催化器2加热、空燃比、点火角效率T等对稳态排温的修正温度。

(2)断油模式下发动机排气门后温度

断油后，排气温度会从当时的岐管温度，向由转速和水温决定的固定温度靠近，这个过程在模型中通过低通滤波器来模拟。此时，建立如图9所示的数学模型，在断油模式时，根据发动机转速、废气质量和流量系数、发动机水温及断油标识，获得在断油模式下发动机排气门后温度。

(3)扫气时的排气温度

扫气时，需要考虑过量空气及气缸内新鲜空气相应的温度。可以使用一个简单的废气、新鲜空气混合过程来描述温度变化。此时，建立如图10所示的数学模型，在扫气模式时，根据废气质量和流量、扫气系数、进气门后新鲜空气温度，获得在扫气模式下发动机排气门后温度。

(4)动态模式时的排气温度

对于排气门后的温度，排气门的质量和比热容会影响到排气温度的动态，如果排气门质量和比热容大，那么温度的阶跃延迟的就大。除此以外，排气的质量和排气比热容也有影响。在动态模式时，此时，建立如图11所示的数学模型，根据稳态工作时废气温度、废气质量和流量系数、环境温度，获得在动态模式下发动机排气门后温度。

根据以上不同工况，分别建立数学模型，对发动机排气门后温度进行计算。

本实施例提供的发动机排气温度计算方法，根据建立排气温度数学模型来估计排气温度的数值的方法，一种通过对于管类部件温度、催化器2载体温度、涡轮机3温度等数学的模型的建立，从而得出在不同工况下发动机的排气温度的方法。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.一种发动机排气温度计算方法，用于计算发动机排气系统中的发动机排气温度，所述发动机排气系统包括依次连通的发动机排气管后排气门(4)、涡轮机(3)、催化器(2)及发动机排气管(1)，其特征在于，所述发动机排气温度计算方法包括以下步骤：

根据发动机排气管入口气体温度、发动机排气管管壁温度，获取发动机排气管出口气体温度；

根据催化器进气气体温度、催化器内化学反应产生的热量、催化器内载体传递至外部环境的热量，获取催化器内载体的热量；

根据涡轮机进气管进气温度、涡轮机进气管管壁温度，获取涡轮机进气温度和涡轮机排气温度；

发动机排气管(1)出口气体温度满足公式：

其中，T_{排气管出口气体温度}为发动机排气管出口气体温度，T_{排气管入口气体温度}为发动机排气管入口气体温度，T_{排气管管壁温度}为发动机排气管管壁温度，α为气体传热系数，A为发动机排气管(1)的横截面积，cp为每千克气体升高1开尔文所需的能量焦耳；

发动机排气管(1)管壁温度T_{排气管管壁温度}的计算公式为：

其中，V_车速为整车当前的车速；

催化器内载体的热量满足公式：

Q_c＝Q_qc+Q_f-Q_ch，其中，Q_c为催化器内载体的热量，Q_qc为催化器进气气体温度传递给载体的热量，Q_f为催化器内化学反应产生的热量，Q_ch为催化器内载体传递至外部环境的热量；

涡轮机进气温度满足公式：

其中，

T_{涡轮机进气温度}为涡轮机进气温度，T_{涡轮机进气管进气温度}为涡轮机进气管进气温度，T_{涡轮机进气管管壁温度}为涡轮机进气管管壁温度；

涡轮机排气管(33)温度满足公式：

在稳态模式时，根据发动机转速、相对充气量、废气质量和流量系数、空燃比及点火效率，获得在稳态模式下发动机排气门后温度；

在断油模式时，根据发动机转速、废气质量和流量系数、发动机水温，获得在断油模式下发动机排气门后温度；

在扫气模式时，根据废气质量和流量、扫气系数、进气门后新鲜空气温度，获得在扫气模式下发动机排气门后温度；

在动态模式时，根据稳态工作时废气温度、废气质量和流量系数、环境温度，获得在动态模式下发动机排气门后温度。

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