CN113609437B - 一种汽油机gpf累碳计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽油机GPF累碳计算方法，通过读取汽油机的变量值；查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表；根据整车运行工况，划分为启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡等六个阶段，针对每个部分的特点，从发动机排放颗粒物的基础表格中进行查询及根据各个工况点空燃比的特点进行修正，同时由于不同的工况下排气气流带动soot沉积在GPF管道内的分布状态不同，得到最终的GPF累碳量。
Description
技术领域
本发明属于发动机尾气技术领域，具体涉及汽油机GPF累碳计算方法。
背景技术
随着排放标准的提高，其最显著的变化是测试循环的改变和排放限值的加严，相应的大大提高了对排放控制技术的要求。汽油发动机因其较好的动力性、燃油经济性、驾驶性及NVH等优点，在乘用车和轻型商用车上得到愈来愈广泛的使用。汽油机的油气混合不均匀和燃油湿壁等现象容易导致颗粒物排放质量和数量的生成，在瞬态工况更多的WLTC和RDE测试循环中这种现象将会更加恶化，为此，后处理系统增加颗粒捕捉器(GPF)是一种很好的解决方案。
对于TWC(三元催化器)+GPF的方案，紧耦合和底盘式的布置方案各有特点，前者的优点是被动再生基本上就可以解决颗粒物的再生问题，缺点是GPF的入口温度较高，可能会出现发动机排放颗粒过于细小导致GPF捕捉效率不高的问题；后者的优点则是发动机原排颗粒比较适合GPF的工作，能够提高GPF的捕捉和转化效率，缺点则是在某些工况下仅仅依靠被动再生无法实现颗粒物的燃烧，还必须引入主动再生，设计合适的控制策略。
再生控制策略设计的基础和前提是GPF内部累碳量的精确计算，手动挡的车辆与自动挡的车辆工作过程存在差异，对累碳量的计算有不同的影响。
现技术对累碳量的计算通常有以下三种方式：
第一种是，根据发动机转速、节气门开度、GPF入口排温等信息，划分多种累碳计算工况，根据各种工况下的行驶里程数和各种累碳工况的每公里累碳积累系数，计算当前的累碳总量。这种方式的缺点是缺少空燃比的条件及缺少换挡过程的条件。
第二种是，基于发动机运行的时间段和温度段划分了三个区间，其中第一个区间计算发动机的原始碳排放量，第二和第三个区间计算GPF内碳的消耗量，二者相减，就得到了GPF捕捉下来的碳含量。仅划分两个碳消耗的控制区间，满足不了实际控制的要求，估算的精度不够。
第三种是，基于GPF两端的压差在空载和累碳状态下的变化，估算累碳总量，压差与累碳量并不存在绝对的一一对应关系，所以这种估算模式得不到精准的累碳量估算值。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽油机GPF累碳计算方法，以解决基于压差信号不能够精确估算累碳量，及发动机与整车的瞬态工况对GPF内部累碳量的影响的修正的问题。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种汽油机GPF累碳计算方法，包括以下步骤：
S1、读取汽油机的变量值；
S2、查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表；
S3、工况识别，判断当前工况是否为急加速工况，若是则在步骤S2的基础上加上急加速修正量μdym；若否则判断是否为换挡工况/急减速工况，若是，则减去碳消耗量△m_dym，若否则碳消耗量△m_dym为0；
S4、根据累碳量计算公式计算累碳量，累碳量计算公式为：M_soot＝m_base×μdym-△m_dym，其中，M_soot为累碳量，单位为g，m_base为基础累碳量，μdym为急加速修正量，△m_dym为碳消耗量。
进一步的，基础累碳量表为基于整车环境，通过调节不同的发动机转速和负荷，通过天平称重，得到各个工况点下的累碳量，填入标定表格中，得到基础累碳量表，作为后续计算的基础，从中查询得到m_base。
进一步的，空燃比/水温修正系数表为基于基础累碳量表，并针对整车运行过程中的车辆的实际情况，包括水温变化及空燃比的变化的情况进行修正，得到空燃比/水温修正系数表。
进一步的，工况识别包括启动工况、怠速工况、加速工况、减速工况、匀速工况、换挡工况六个瞬态工况，其中启动工况、怠速工况、加速工况及匀速工况归类为累碳正贡献工况，减速工况及换档工况归类为累碳负贡献工况。
进一步的，启动工况包括发动机的拖动、启动空燃比控制、转速上冲、转速回落到怠速阶段，启动工况的修正系数除了查询空燃比/水温修正系数表及入口温度与负荷修正系数表外，还要根据上冲转速与转速回落到怠速的时间计算得到η，三者相加，得到启动工况的累碳量计算修正系数μst；
怠速工况通过查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表获得，记为μidle；
加速工况通过查询发动机负荷和油门踏板变化率的大负荷引起的碳逃逸量表，并与基础累碳量表叠加，得到急加速时GPF内的累碳量；
减速工况包括非断油减速和断油减速，其中车辆非断油减速与匀速工况计算方式相同，车辆断油减速时，与换挡工况计算方式相同；
匀速工况与怠速工况的计算方式相同；
换挡工况通过查询换挡过程碳消耗量表获得碳消耗量，由基础累碳量-碳消耗量即为换挡工况下的累碳量。
本发明的有益效果是：
本技术方案提出了一种基于发动机和整车的实际运行工况的汽油机颗粒捕集器(GPF)累碳量的计算方法和标定方法，根据整车运行工况，划分为启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡等六个阶段，针对每个部分的特点，从发动机排放颗粒物的基础累碳量表中进行查询及根据各个工况点空燃比的特点进行修正，同时由于不同的工况下排气气流带动soot沉积在GPF管道内的分布状态不同，得到最终的GPF累碳量。
附图说明
图1为整车运行工况示意图；
图2为累碳量计算框图；
图3为累碳量计算逻辑图。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
本技术方案提出了一种基于发动机和整车的实际运行工况的汽油机颗粒捕集器(GPF)累碳量的计算方法和标定方法，根据整车运行工况，划分为启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡等六个阶段，针对每个部分的特点，从发动机排放颗粒物的基础表格中进行查询及根据各个工况点空燃比的特点进行修正，同时由于不同的工况下排气气流带动soot沉积在GPF管道内的分布状态不同，得到最终的GPF累碳量。
根据整车实际工作特点，划分为启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡六个工作区域，每个工作区域对于累碳量的贡献程度是不同的，需要根据发动机不同转速、负荷、空燃比变化、油门踏板变化率等参数计算得出不同工况下累碳修正系数μx，其中启动、怠速、加速、匀速对于累碳呈正贡献，而减速、换挡由于需要断油，造成空燃比偏稀，高温富氧的环境下会消耗GPF内部soot，对于累碳呈负贡献；同时利用发动机台架，基于基础累碳量map，得到不同累碳量对应的GPF前后压差值Δp，压差值可通过GPF压差传感器读取，压差值与soot量的大小及其在GPF内部的分布有很大关系。
GPF捕集汽油机排放颗粒物的原理
GPF的过滤机理是：排气以一定的流速通过多孔性的壁面，这个过程称为“壁流”(Wall-Flow)。壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成。通过交替封堵蜂窝状多孔陶瓷过滤体，排气流被迫从孔道壁面通过，颗粒物(主要是燃烧的碳颗粒，称为soot)则被拦截下来，储存在空腔中。Soot累积的量和分布与整车的运行工况有很大的关联，不同的运行工况会导致GPF内部空腔累碳量分布区域和质量的不同，如图1所示，把整车运行工况划分为启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡等六个阶段，根据各个阶段水温和空燃比的修正，结合soot原始排放数据，计算出GPF内实际累积的量。
图2是累碳量计算框图，由四个部分构成：
第一个部分、基础累碳量MAP，基础累碳量表是基于整车环境(如发动机水温为90℃，或其它温度)，通过调节不同的发动机转速和负荷，通过高精度天平(在本实施例中，使用的量程为20g，精度0.01克)称重，得到各个工况点下的累碳量，填入到基础累碳量表中，即得到了基础累碳量表，作为后续计算的基础，从中查询得到的m_base。
在基础累碳量表的基础上，针对整车运行过程中车辆的实际情况，如从冷机到热机的水温变化，瞬态工况的空燃比不是理论空燃比(空燃比等于14.6)的情况作修正，得到空燃比/水温修正系数表，如表1所示：
表1累碳量计算修正系数表
根据GPF入口温度及负荷，获得入口温度与负荷修正系数表，如表2所示：
表2入口温度与负荷修正系数
根据GPF入口温度及换挡持续时间，获得换挡过程碳消耗量表，如表3所示：
表3换挡过程碳消耗量
根据发动机负荷与油门踏板变化率获得大负荷引起的碳逃逸量表，如表4所示：
表4大负荷引起的碳逃逸量
上述表1的累碳量修正系数作了归一化的处理，并不是真实的标定值，表2的碳消耗MAP的标定值是示意的，根据不同的项目会有所不同。
第二部分：工况识别，工况识别的作用是识别车辆的启动、怠速、加速、减速、匀速、换挡六个瞬态工况的状态，作为触发条件控制水温/空燃比修正MAP和换挡过程消耗量MAP的计算，同时对于启动、怠速、加速、匀速四个工况生成工况修正系数μdym，而对于减速和换挡则生成工况修正量△m_dym。
启动工况：该阶段包括发动机的拖动、启动空燃比控制、转速上冲、转速回落到怠速等阶段，为了保证启动安全性，空燃比都是比理论空燃比浓的，即额外喷射燃油到气缸内，这会带来相对于基础累碳量MAP中更多的soot排放，启动模块的修正系数除了查询表1和表2以外，还要根据上冲转速与转速回落到怠速的时间计算得到η，三者相加，得到启动阶段的累碳量计算修正系数μst。
怠速工况：怠速阶段的转速较低(700r/minˉ1200r/min)，负荷较小(20％ˉ40％)，这一阶段的修正参数通过查询表1和表2获得，记为μidle。
加速工况：分为匀加速与急加速。匀加速可以按照匀速工况处理，不再赘述。而当车辆急加速时，空燃比会加浓，同时通过GPF的空气流量增大，气体流速增大，一些比较细小的颗粒物此时会通过管壁“逃逸”，直接排入大气，从而减小了GPF累碳量，对于这种工况，根据油门踏板变化率和负荷计算出急加速修正系数μacc(小于1)，用于后续计算。基本思想是，当驾驶员急加速时，控制系统读取发动机负荷信号和油门踏板变化率(△油门踏板开度/所需时间)，通过查询表4，得到急加速修正系数μacc，即油门踏板变化率越大、负荷越大，修正系数越小，GPF累碳量越少；然而，同时，急加速时空燃比都会加浓，加浓导致的累碳量增加的效应则通过表1查询得到。二者叠加的效应，得到急加速时GPF内的累碳量修正系数。
减速工况：分为非断油减速与断油减速。车辆非断油减速时，发动机转速下降、负荷减小，总体上控制方式与匀速类似，不再赘述。而当车辆断油减速时，空燃比会减稀，此时的控制方式同换挡工况的计算方式，修正系数为m dec。
匀速工况：车辆匀速行驶，工况稳定，方法参照怠速工况，修正系数为μcons。
换挡工况：手动挡车辆在行驶过程中存在换挡操作，每次换挡为了离合器结合平顺，发动机管理系统都会主动进行断油控制，而在断油期间，空燃比可以近似认为无穷大(空燃比＝空气量/燃油量，断油时燃油量为零)，相当于向GPF中灌入了高温的空气，这会引起GPF内累计的碳颗粒燃烧掉，因此，有必要计算出这种过渡工况的碳消耗量，以获得精确的累碳值，可以查询表3，对于减速中的断油减速，可以用同样的方法计算，只不过把换挡持续时间改为断油持续时间即可，原理是一样的，修正系数是m gear。
如图3所示，本申请提供一种汽油机GPF累碳计算方法，包括以下步骤：
S1、读取汽油机的变量值。
S2、查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表。
S3、工况识别，判断当前工况是否为急加速工况，若是则在步骤S2的基础上加上急加速修正量μdym；若否则判断是否为换挡工况/急减速工况，若是，则减去碳消耗量△m_dym，若否则碳消耗量△m_dym为0。
S4、根据累碳量计算公式计算累碳量，累碳量计算公式为：M_soot＝m_base×μdym-△m_dym，其中，M_soot为累碳量，单位为g，m_base为基础累碳量，μdym为急加速修正量，△m_dym为碳消耗量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种汽油机GPF累碳计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、读取汽油机的变量值；
S2、查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表；
S3、工况识别，判断当前工况是否为急加速工况，若是则在步骤S2的基础上加上急加速修正量μdym；若否则判断是否为换挡工况/急减速工况，若是，则减去碳消耗量△m_dym，若否则碳消耗量△m_dym为0；
S4、根据累碳量计算公式计算累碳量，累碳量计算公式为：M_soot＝m_base×μdym-△m_dym，其中，M_soot为累碳量，单位为g，m_base为基础累碳量，μdym为急加速修正量，△m_dym为碳消耗量；
工况识别包括启动工况、怠速工况、加速工况、减速工况、匀速工况、换挡工况六个瞬态工况；
启动工况包括发动机的拖动、启动空燃比控制、转速上冲、转速回落到怠速阶段，启动工况的修正系数除了查询空燃比/水温修正系数表及入口温度与负荷修正系数表外，还要根据上冲转速与转速回落到怠速的时间计算得到η，三者相加，得到启动工况的累碳量计算修正系数μst；
怠速工况通过查询基础累碳量表及空燃比/水温修正系数表获得，记为μidle；
加速工况通过查询发动机负荷和油门踏板变化率的大负荷引起的碳逃逸量表，并与基础累碳量表叠加，得到急加速时GPF内的累碳量；
减速工况包括非断油减速和断油减速，其中车辆非断油减速与匀速工况计算方式相同，车辆断油减速时，与换挡工况计算方式相同；
匀速工况与怠速工况的计算方式相同；
换挡工况通过查询换挡过程碳消耗量表获得碳消耗量，由基础累碳量-碳消耗量即为换挡工况下的累碳量。
2.根据权利要求1所述的汽油机GPF累碳计算方法，其特征在于，基础累碳量表为基于整车环境，通过调节不同的发动机转速和负荷，通过天平称重，得到各个工况点下的累碳量，填入标定表格中，得到基础累碳量表，作为后续计算的基础，从中查询得到m_base。
3.根据权利要求1所述的汽油机GPF累碳计算方法，其特征在于，空燃比/水温修正系数表为基于基础累碳量表，并针对整车运行过程中的车辆的实际情况，包括水温变化及空燃比的变化的情况进行修正，得到空燃比/水温修正系数表。
4.根据权利要求1所述的汽油机GPF累碳计算方法，其特征在于，其中启动工况、怠速工况、加速工况及匀速工况归类为累碳正贡献工况，减速工况及换档工况归类为累碳负贡献工况。
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| CN108150260A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-06-12 | 无锡威孚力达催化净化器有限责任公司 | 一种柴油机dpf碳载量的计算方法及系统 |
| CN109505705A (zh) * | 2018-12-21 | 2019-03-22 | 东风汽车集团有限公司 | 一种汽油机颗粒捕集器减速断油再生分级控制方法和控制系统 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 柴油机DPF系统累碳量估算方法研究;葛娟娟;陈木林;程剑峰;;现代制造技术与装备(10);全文 * |
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| CN113609437A (zh) | 2021-11-05 |
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