CN115217659A - 基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，通过三元催化器储氧量状态模型实时监测三元催化器当前储氧量变化率；对储氧量变化率监测结果积分，获取储氧量累计百分比；根据三元催化器储氧量变化率监测结果及储氧量累计百分比，判断当前三元催化器储氧状态；根据三元催化器储氧状态所对应的当前储氧量控制模式，进行汽油机喷油量实时调整，使三元催化器储氧状态达到当前储氧量控制模式下的目标储氧状态，且使三元催化器下游过量空气系数在1左右。本发明以三元催化器储氧状态为基础，控制喷油量，调节尾气空燃比，实时对三元催化器的储氧状态进行控制，使其始终保持合适的储氧量，保证三元催化器对污染物高效处理能力。
Description
技术领域
本发明涉及发动机及其排气系统控制技术领域，特别是涉及一种基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法。
背景技术
三元催化器或三元催化转化器(三元催化器)是汽油机尾气后处理系统的主要部件。当混合气处于理论空燃比时，三元催化器能够显著地降低尾气中的CO、HC和NOx浓度，极大地降低了汽油机尾气排放的控制难度。国六排放法规的测试内容中引入了实际行驶污染物排放测试，包含了更多的发动机瞬态工况。瞬态工况易导致发动机混合气短时偏离理论空燃比，从而使三元催化器偏离高效工作区，提升了发动机尾气污染物排放控制的难度。
三元催化器的催化剂组分通常含有少量的铂或铈等贵金属成分。这些贵金属成分可以在富氧条件下与排气中的氧气反应，实现氧气的储存，并在贫氧条件下“释氧”，以金属氧化物的形式与污染物反应。从而，在混合气短时偏离理论空燃比时，三元催化器仍可保持对CO、HC、NOx三种污染物的高效催化能力。其中，三元催化器中储氧金属对氧气的吸收量即为三元催化器的储氧量。由于三元催化器中的贵金属成分有限，其储氧量存在极限。所以，当混合气长时间偏离理论空燃比，三元催化器内部储氧量会耗尽或饱和，导致对某种污染物的转化效率降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，通过模型对三元催化器的储氧量变化率进行实时监测，根据实时监测结果实时控制发动机喷油量，从而实现对三元催化器储氧状态的实时控制，使三元催化器下游过量空气系数始终保持在1附近，保证三元催化器高效的污染物处理能力。并且为急加速等特殊的应用场景，提供短时间内喷油加浓而不危害污染物排放控制的能力。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，包括：
通过三元催化器储氧量状态模型实时监测三元催化器当前储氧量变化率；
对储氧量变化率监测结果进行积分，根据预设储氧量理论上限，获取储氧量累计百分比；
根据三元催化器储氧量变化率监测结果及储氧量累计百分比，判断当前三元催化器储氧状态；
根据三元催化器储氧状态所对应的当前储氧量控制模式，进行汽油机喷油量实时调整，控制发动机排气过量空气系数值，使三元催化器储氧状态达到当前储氧量控制模式下的目标储氧状态，且使三元催化器下游过量空气系数在0.995—1.005之间。
其中，所述三元催化器储氧量状态监测模型的输入参数为发动机转速、发动机排气流量、三元催化器前端载体温度、三元催化器末端载体温度、三元催化器上游过量空气系数，输入参数通过车辆传感器或车辆ECU预设模型获得。输出参数为三元催化器储氧量变化速率。
其中，判断当前三元催化器储氧状态的步骤包括：
将催化器储氧量变化速率对时间进行积分，除以预设的三元催化器储氧量理论上限储氧量，得到储氧量累计百分比，其中，储氧量理论上限根据催化器催化剂配方确定；计算得到的储氧量累计百分比取值范围为[0,100％]。
当储氧量累计百分比位于预设阈值A、B内时，三元催化器储氧状态为处于适中状态，A值取值范围为[70％,90％]，B值取值范围为[10％,30％]；当储氧量累计百分比大于预设阈值A时，三元催化器储氧状态为饱和状态；储氧量累计百分比小于预设阈值B时，三元催化器储氧状态为缺乏状态。
其中，所述储氧量控制模式包括车辆高性能准备模式、车辆高性能模式、排放控制模式、发动机再次启动准备模式；
车辆高性能准备模式下，当催化器储氧状态处于饱和时，不进行催化器储氧状态调控；当催化器储氧状态处于适中或缺乏时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值高于1.02，直至催化器储氧状态达到饱和；
车辆高性能模式下，当催化器储氧状态处于饱和或适中状态时，不进行催化器储氧状态调控；当储氧状态处于缺乏且控制介入开关开启时：根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda等于1.01，直至三元催化器储氧状态脱离缺乏状态；当储氧状态处于缺乏且控制介入开关关闭时，开启三元催化器储氧量不足警示灯，提示当前三元催化器储氧量不足；
排放控制模式下，当催化器储氧状态处于适中时，不进行催化器储氧状态调控；当催化器储氧状态处于缺乏时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值高于1.02，直至催化器储氧状态达到适中；当催化器储氧状态处于饱和时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值低于0.98，直至催化器储氧状态达到适中；
发动机再次启动准备模式下，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数高于1.05，直至储氧量累计百分比高于90％。
其中，所述进行汽油机喷油量实时调整时，是先根据三元催化器储氧状态所对应的当前储氧量控制模式先，判断当前对汽油机喷油量进行调整的喷油量变动值，然后根据确定的喷油量变动值，确定汽油机喷油器的喷油脉宽及喷油压力，最终实现喷油量控制的。
其中，所述三元催化器储氧量状态模型基于长短期记忆神经网络以及三元催化器化学反应机理建立，使用三元催化器化学反应机理观测催化器内部储氧量变化状态，获取相关数据，利用相关数据用于长短期记忆神经网络建模，得到三元催化器储氧量状态模型，搭载于实车用于车辆实时计算控制。
本发明的汽油机喷油量控制方法，是基于三元催化器内部储氧状态的发动机喷油量控制方法，以三元催化器储氧状态为基础，控制喷油量，调节尾气空燃比，实时对三元催化器的储氧状态进行控制，使其始终保持合适的储氧量，保证三元催化器对污染物的高效处理能力。
附图说明
图1是喷油量控制算法流程图。
图2为车辆高性能准备模式控制逻辑。
图3为车辆高性能模式控制逻辑
图4为排放控制模式控制逻辑。
图5为发动机再次启动准备模式控制逻辑图。
图6为喷油量控制算法控制效果图。
图7为控制过程储氧变化速率监测结果。
图8为控制过程储氧量累积值计算结果
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其实施步骤如下：
(1)获取发动机及其排气系统当前状态信息
可以是利用车辆搭载的CAN总线系统及相应传感器采集发动机及其排气系统当前状态信息，包括发动机转速，发动机排气流量，三元催化器前端载体温度、三元催化器末端载体温度、三元催化器上游排气过量空气系数等。
(2)数据预处理
通过CAN总线系统获取的各项数据在数据格式、数据步长上各不相同，无法直接作为三元催化器模型的输入数据，因此需要进行预处理，统一数据步长，变换数据格式，使其符合三元催化器储氧量变化速率观测模型的输入要求。
(3)获取三元催化器储氧量变化速率监测信息
将预处理后的发动机及其后处理系统状态数据输入车辆处理器中的预设三元催化器模型进行计算，输出三元催化器当前时刻储氧量变化速率。获取储氧量变化速率后，进行积分计算，并除以预设催化器储氧量上限，得到储氧量累计百分比。
预设三元催化器储氧量状态监测模型可以是通过长短期记忆神经网络进行建立，模型输入参数为三元催化器上游排气过量空气系数、发动机排气流量、发动机转速、三元催化器前端载体温度、三元催化器末端载体温度。输出参数为三元催化器储氧量变化速率。在本实施方式中，上游排气过量空气系数通过车辆前氧传感器获取、发动机排气流量通过进气流量传感器及发动机喷油量计算获取、发动机转速通过转速传感器获取、三元催化器温度通过ECU预设模型获取。
(4)判断当前三元催化器储氧状态
获取三元催化器当前时刻储氧量变化速率及储氧量累计百分比后，调用第一预设映射关系，判断当前三元催化器储氧状态。第一预设映射关系为储氧量变化速率与催化器储氧状态间的映射关系，关系的自变量为储氧量变化速率，因变量为催化器储氧状态。
在本发明的方案中，储氧状态分为饱和、缺乏、适中三类状态。
第一预设映射关系基于以下基本原则进行储氧状态的判断：
1.储氧量变化速率由正值不断减小，直至接近零值，且储氧量累计百分比高于预设阈值A，A值可在[70％,90％]区间内选取，表明三元催化器内储氧反应接近停止，三元催化器储氧量接近上限，此时三元催化器储氧状态为饱和状态。
2.储氧量变化速率由负值不断减小，直至接近零值，且储氧量累计百分比低于预设阈值B，B值可在[10％,30％]区间内选取，表明三元催化器内释氧反应接近停止，三元催化器储氧量接近耗尽，此时三元催化器储氧状态为缺乏状态。
3.储氧量变化速率与正负间不断跳跃，未长时间停留在零值附近，且储氧量累计百分比处于区间(A,B)内，表明三元催化器内储释氧反应正常进行，三元催化器储氧量并未到达上下限，此时三元催化器储氧状态为适中状态。
作为一个可选的实施例，储氧量变化速率的导数可加入第一映射关系，提高储氧状态判断精度。
(5)判断汽油机喷油器喷油量
获取三元催化器当前储氧状态后，根据当前储氧量控制模式，调用第二预设映射关系，计算喷油器喷油量；第二映射关系根据当前储氧量控制模式，调用该模式下的喷油量控制逻辑，对发动机混合气空燃比进行控制，从而实现对三元催化器储氧状态的控制，使其达到该储氧量控制模式下的目标储氧状态。
其中，不同储氧量控制模式所采用的喷油量控制逻辑如下：
1.车辆高性能准备模式
使用此模式的前提条件为在车辆控制驾驶过程中可预知未来可能进行急加速的时间段，或人为设置进入此模式。当不存在上述前提条件时，此模式默认关闭，控制模式默认使用排放控制模式。处于该控制模式时，表明车辆即将进行急加速，发动机排气过量空气系数值在加速过程中将低于1。为保证车辆急加速过程中三元催化器的高效污染物处理能力，需使其储氧状态处于饱和，因此对三元催化器储氧量如下控制(附图2)：
(1)当三元催化器储氧状态处于饱和时：不进行三元催化器储氧状态调控。
(2)当三元催化器储氧状态处于适中或缺乏时：根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda高于1.02直至三元催化器储氧状态达到饱和。此时退出车辆高性能准备模式，进入排放控制模式。
2.车辆高性能模式
车辆高性能模式的作用在于警示及控制发动机高负荷时产生的排放。当发动机处于高负荷状态时，混合气过量空气系数将低于1，致使三元催化器储氧量不断下降，造成三元催化器转化效率下降。因此在发动机高负荷时，需根据需求对三元催化器的储氧状态进行监测或控制。当车辆油门踏板开度大于固定阈值X时，进入车辆高性能模式。X取值范围为[65％，70％]。在此模式下，根据设置的控制介入开关，执行不同的操作(附图3)。
控制介入开关开启时：
(1)当三元催化器储氧状态处于饱和或适中时：不进行三元催化器储氧状态调控。
(2)当三元催化器储氧状态处于缺乏时：根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda等于1.01，直至三元催化器储氧状态脱离缺乏状态。
控制介入开关关闭时：
(1)当三元催化器储氧状态处于饱和或适中时：不进行三元催化器储氧状态调控。
(2)当三元催化器储氧状态处于缺乏时：开启三元催化器储氧量不足警示灯，提示当前三元催化器储氧量不足。
当车辆油门踏板开度低于固定阈值X，且持续时间达5秒时，退出车辆高性能模式，进入排放控制模式。
3.排放控制模式
排放控制模式的作用在于通过调节三元催化器内部储氧状态，保持三元催化器对污染物的高效转化能力，从而降低车辆尾气中的气体污染物浓度，达到控制排放的目的，因此排放控制模式是本控制方法的默认控制模式。由于三元催化器自身的污染物转化机理，当三元催化器上游过量空气系数高于1或低于1时，其污染物转化效率会急剧下降，致使车辆尾气排放增加。因此，处于排放控制模式时，要求保证三元催化器在排气过量空气系数值高于1及低于1的情况均保持高效工作能力。所以，在此时需保证三元催化器储氧状态为适中，使三元催化器同时具备足够的储氧及释氧能力。在该模式下，对三元催化器储氧量如下控制(附图4)：
(1)当三元催化器储氧状态处于适中时：不进行三元催化器储氧状态调控。
(2)当三元催化器储氧状态处于缺乏时：根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda高于1.02，直至三元催化器储氧状态达到适中。
(3)当三元催化器储氧状态处于饱和时：根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda低于0.98，直至三元催化器储氧状态达到适中。
4.发动机再次启动准备模式
发动机再次启动准备模式的作用在于为发动机停机后的再次启动过程进行三元催化器储氧量准备。当发动机冷启动时，其排气的过量空气系数值将远低于1，其中含有大量的未燃碳氢化合物，为保证三元催化器能够高效的转化启动过程中所产生的碳氢化合物，降低启动过程所产生的车辆尾气排放，需对三元催化器储氧量进行控制使其具备充足的储氧量。为保证在发动机再次启动时，三元催化器具备高效的污染物转化能力，需使其尽可能的储存氧气，因此，在发动机接收到停机信号时，进入发动机再次启动准备模式，延迟停机，对三元催化器储氧量进行如下控制(附图5)：
根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda高于1.05，直至储氧量累计百分比高于90％，使三元催化器储氧状态为饱和状态，之后执行接收到的停机指令。
以下内容为本发明控制算法在实车实验平台的应用结果实例。该实例仅为对本发明的功能具体化的、示例性的展示，而不应理解为对本发明实际应用场景的限制。
本实例的测试场景中，发动机喷油器按预设的喷油指令周期性改变喷油量，致使发动机排气过量系数在0.98至1.02间周期波动，每个周期由25秒的过量空气系数1.02持续期及50秒的过量空气系数0.98持续期组成。此时本发明方法并未介入控制，致使三元催化器下游过量空气系数随发动机排气过量空气系数的波动而波动，无法稳定在三元催化器的最高效过量空气系数工作区间。三个周期性波动，时间230s时，本发明方法介入发动机喷油量控制，根据模型监测所得的三元催化器储氧量变化速率及预设的映射关系调整喷油量。如附图3所示，本发明介入控制后，发动机排气过量系数虽然仍在0.98至1.02间周期波动，但三元催化器下游的过量空气系数被控制在了1附近，证明了本发明控制算法的有效性及实际应用价值，具体效果见附图6，此时监测所得的储氧量速率变化曲线(除以储氧量上限后)如图7所示，储氧量累积值如图8所示。
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,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；
因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，包括步骤：
通过三元催化器储氧量状态模型实时监测三元催化器当前储氧量变化率；
对储氧量变化率监测结果进行积分，根据预设储氧量理论上限，获取储氧量累计百分比；
根据三元催化器储氧量变化率监测结果及储氧量累计百分比，判断当前三元催化器储氧状态；
根据三元催化器储氧状态所对应的当前储氧量控制模式，进行汽油机喷油量实时调整，控制发动机排气过量空气系数值，使三元催化器储氧状态达到当前储氧量控制模式下的目标储氧状态，且使三元催化器下游排气过量空气系数在0.995—1.005之间。
2.根据权利要求1所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，所述三元催化器储氧量状态监测模型的输入参数为发动机转速、发动机进气流量、节气门开度、发动机排气流量、三元催化器前端载体温度、三元催化器末端载体温度、三元催化器上游排气过量空气系数等，输出参数为三元催化器储氧量变化速率；上述输入参数为传感器测量值或通过预设模型进行计算。
3.根据权利要求1所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，计算储氧量累计百分比的步骤包括：
将催化器储氧量变化速率对时间进行积分，除以预设的三元催化器储氧量理论上限储氧量，得到储氧量累计百分比；其中，储氧量理论上限根据催化器催化剂配方和实验数据标定进行确定；计算得到的储氧量累计百分比取值范围为[0,100％]。
4.根据权利要求1所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，判断当前三元催化器储氧状态的步骤包括：
当储氧量累计百分比位于预设阈值A、B内时，三元催化器储氧状态为处于适中状态，A值取值范围为[70％,100％]，B值取值范围为[10％，30％]；当储氧量累计百分比大于预设阈值A时，三元催化器储氧状态为饱和状态；储氧量累计百分比小于预设阈值B时，三元催化器储氧状态为缺乏状态。
5.根据权利要求3所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，所述储氧量控制模式包括车辆高性能准备模式、车辆高性能模式、排放控制模式、发动机再次启动准备模式；
车辆高性能准备模式下，当催化器储氧状态处于饱和时，不进行催化器储氧状态调控；当催化器储氧状态处于适中或缺乏时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值高于1，直至催化器储氧状态达到饱和；
车辆高性能模式下，当催化器储氧状态处于饱和或适中状态时，允许发动机处于加浓工况，并进行催化器储氧状态监控，提升车辆瞬时加速性能；当监测到储氧状态处于或者接近缺乏时，开启三元催化器储氧量不足警示，提示当前三元催化器储氧量不足，发动机每循环喷油量控制转为当量比控制；根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值lambda处于1附近波动，直至车辆脱离加速状态；此时转为车辆高性能准备模式或排放控制模式；
排放控制模式下，当催化器储氧状态处于适中时，不进行催化器储氧状态调控；当催化器储氧状态处于缺乏时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值高于1，直至催化器储氧状态达到适中；当催化器储氧状态处于饱和时，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数值低于1，直至催化器储氧状态达到适中；
发动机再次启动准备模式下，根据发动机当前进气量计算喷油量，使发动机排气过量空气系数高于1，直至储氧量累计百分比高于90％。
6.根据权利要求1所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，所述进行汽油机喷油量实时调整时，是先根据三元催化器储氧状态所对应的当前储氧量控制模式，判断当前对汽油机喷油量进行调整的喷油量变动值，然后根据确定的喷油量变动值，确定汽油机喷油器的喷油脉宽及喷油压力，最终实现喷油量控制的。
7.根据权利要求1所述基于三元催化器储氧状态监测结果的汽油机喷油量控制方法，其特征在于，所述三元催化器储氧量状态模型基于长短期记忆神经网络或者三元催化器化学反应机理建立；使用三元催化器化学反应机理离线观测催化器内部储氧量变化状态，获取相关数据；利用相关数据用于三元催化器储氧量观测器构建，将三元催化器储氧量状态模型搭载于实车用于喷油量实时计算控制。
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