CN115992755A - 用于预测发动机系统中的烟灰累积的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于预测发动机系统中的烟灰累积的方法，其中发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统，该方法包括：(S10)提供代表在预期驱动循环期间内燃发动机的发动机运行状况的数据，其中该数据包括在代表预期驱动循环的时间段内分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值；(S20)基于代表发动机运行状况的数据来确定预期驱动循环期间废气后处理系统的工作温度；(S30)提供废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中的烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系；以及(S40)通过将所确定的废气后处理系统的工作温度与参考关系进行比较来预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积。

Description

用于预测发动机系统中的烟灰累积的方法
技术领域
本发明涉及一种用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法，其中发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统。
背景技术
在特定的车辆或机器应用中应该选择和使用哪种类型和尺寸的内燃发动机系统取决于例如该车辆或机器的预期驱动循环，即例如发动机速度和发动机扭矩/负载随时间的预期或期望分布。如果发动机太小，它可能经常在非常高的负载下运行，这可能导致相当大的磨损，并且如果发动机太大，它可能在太低的负载下运行，这可能导致漏油等。
对于商用车辆(例如卡车和公共汽车)，通常可以从已知的道路或路线数据或者从已经沿着为将要选择发动机系统的新车辆设计的路线运行的车辆获得的GPS数据来计算预期驱动循环。
对于固定车辆应用和某些车辆应用，比如发电机、破碎机和叉车，计算驱动循环会更加困难，并且因此更难正确选择发动机系统。此外，在这种固定车辆应用和特定车辆应用中，对形成发动机系统的一部分的废气后处理单元(例如柴油机微粒过滤器(DPF))进行再生可能更成问题。虽然卡车和公共汽车的发动机系统的DPF通常可以在车辆运行期间进行主动再生或者进行强制“停车”再生而不会过多地影响运行时间，但是在导致产生大量烟灰和颗粒的驱动循环下运行的固定或某些车辆应用中的许多发动机系统不能为了在运行期间主动再生DPF而运行，这导致需要频繁的强制再生，这又导致在该应用中机器或车辆的不可接受的长停机时间。
本发明的目的是提供一种用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法。这可用于预测烟灰累积的风险，这又可用于正确选择内燃发动机系统，不仅用于上述类型的固定和特定车辆应用，而且也用于其它应用。该预测方法对于规划特定发动机系统的驱动循环也是有用的，即，最初预期驱动循环可以被修改或调整以避免烟灰累积。
发明内容
本发明涉及一种用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法，其中发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统，该方法包括：
-(S10)提供代表在预期驱动循环期间内燃发动机的发动机运行状况的数据，其中该数据包括在代表预期驱动循环的时间段内分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值；
-(S20)基于代表发动机运行状况的数据来确定预期驱动循环期间废气后处理系统的工作温度；
-(S30)提供废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系；和
-(S40)通过将所确定的废气后处理系统的工作温度与参考关系进行比较来预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积。
该方法允许预测发动机系统的废气后处理系统(EATS)中的烟灰累积，这允许预测所讨论的发动机系统关于烟灰累积是否将适用于预期驱动循环，即烟灰累积量是否将是可接受的。什么是“可接受的”以及什么是不可接受的可能取决于具体的应用，但是典型地，如果烟灰累积量如此高以至于可能导致需要例如形成EATS的一部分的柴油机微粒过滤器(DPF)的频繁强制再生，则这是不可接受的。为了决定这一点，可以设定烟灰累积的阈值，例如以每升DPF的烟灰克数为单位，并且推断如果烟灰累积量高于阈值，则发动机系统不适用预期驱动循环。
该方法可以包括确定多个发动机系统对于预期驱动循环的适用性，其中例如内燃发动机的尺寸/功率在不同的发动机系统之间不同，并且其中EATS的设计也可以不同。然后可以从多个发动机系统中选择最适用的发动机系统。
该方法还可包括确定发动机系统关于内燃发动机的尺寸/功率是否可接受以便以适用的负载、低燃料消耗等运行的步骤。例如，结果可能是，就发动机尺寸/负载而言似乎最适用的发动机系统将最有可能导致需要频繁再生DPF，这又可能导致最佳的总体选择是选择就发动机尺寸/负载而言不是最适用但是就烟灰累积而言明显更适用的另一个发动机系统，从而可以避免强制再生。
关于(S10)提供代表在预期驱动循环期间内燃发动机的发动机运行状况的数据的步骤，该数据可以是基于从已经根据预期驱动循环运行的发动机系统收集的实际运行数据。如果两个发动机系统具有相同的类型和尺寸，即，如果预测烟灰累积的发动机系统与收集运行数据的发动机系统相似，则在确定/计算EATS或过滤器的工作温度时，可以使用相同的发动机速度和发动机扭矩值。然而，例如，如果要预测烟灰累积的发动机系统大于已经收集数据的发动机系统，则实际运行数据可以适用于要预测烟灰累积的发动机系统。为了将速度和扭矩从第一发动机系统转换到比第一系统更大或更小的第二发动机系统，可能涉及驱动循环期间的公共功率输出。代表在预期驱动循环期间内燃发动机的发动机运行状况的数据不一定必须是收集的真实数据，而是例如可以是基于关于预期驱动循环的信息的模拟数据。
运行数据优选地包括在预期驱动循环的总时间内分布的不同时间点的发动机速度和发动机扭矩。每个数据点可以代表某个时间段元素，并且所有时间段元素可以一起加起来达到预期驱动循环的时间段，从而覆盖整个驱动循环。例如，驱动循环的长度可以在1-24小时的范围内，并且时间段元素的数量可以在3600-850000的范围内。
“(S20)基于代表发动机运行状况的数据来确定预期驱动循环期间废气后处理系统的工作温度”的步骤可以通过将速度和扭矩发动机运行数据输入到发动机系统计算模型中来执行，该发动机系统计算模型被设定成模拟待评估的发动机系统，从而计算多个结果值，例如在驱动循环内的特定时间点的EATS中的温度。
至于用于确定EATS的工作温度的计算，通常可以说这可以以各种方式完成，并且可以使用发动机系统计算模型。这种模型可能或多或少有些复杂。涉及查询表和热力学模拟的有用模型的示例的原理将在下面进一步描述。
EATS的工作温度可以用不同的方式获得。一种适用的方式是计算每个数据点/时间段元素的温度，并且然后计算预期驱动循环内所有数据点的平均温度。该平均温度可以用作EATS的工作温度。此外，为了更好地预测烟灰累积，计算特定EATS单元(例如柴油机微粒过滤器)中的(平均)温度是有用的。作为示例，可以为每个时间段元素计算过滤器上游和下游的温度，并使用上游和下游温度的平均值来获得对应时间段元素的温度，该温度然后可以用于计算整个驱动循环内的平均温度，该平均温度然后被用作工作温度。作为另一个示例，对于每个时间段元素，可以仅计算和使用过滤器下游的温度。
至于“(S30)提供废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系”的步骤，这优选地提前完成，从而当计算出所讨论的发动机系统的工作温度时，可以快速获得烟灰累积的对应的估计量。尽管这种关系可能依赖于计算/模拟数据，但利用基于测量数据的关系更可靠。
为了获得这样的测量数据，可以对设置有微粒过滤器的各种发动机系统进行测试，其中发动机系统根据不同的驱动循环运行，并且其中在过滤器(或例如过滤器的下游)中测量温度以便允许如上所述计算每个发动机系统的EATS过滤器的工作温度。可以允许发动机系统运行相对较长的时间，可能长达100小时，从而可以推断出长期运行中的烟灰累积是否会保持在某个最大水平以下(其中烟灰累积超过阈值表明可能需要频繁的强制再生)。在发动机系统在足够长的时间期间运行之后，可以确定每次测试后过滤器中的烟灰量/重量(即，根据特定驱动循环运行的每个特定发动机系统)。这提供了所测试的废气后处理系统的测量工作温度和所测试的废气后处理系统中烟灰累积的对应量(重量)之间的关系。简而言之，这些数据提供了工作温度和烟灰累积之间的参考关系。
尽管烟灰累积参考数据可能是分散的并且不提供严格的数学函数，但是在废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中烟灰累积的对应的估计量之间提供了关系。因此，当在步骤S20中已经确定了所讨论的发动机系统的工作温度时，可以在步骤S40中使用参考关系来预测估计的烟灰累积，该烟灰累积可以进一步用于确定所确定的废气后处理系统的工作温度是否导致可接受的烟灰累积。参考测试数据可以根据例如被测试的发动机系统的尺寸或功率分成不同的组，以便提供更好地适应待评估的发动机系统的尺寸或功率的数据，从而改进烟灰累积的估计。如上所述，什么是“可接受的”以及什么是不可接受的可能取决于具体的应用，但是通常如果预测的烟灰累积量如此高以至于可能导致需要例如形成EATS的一部分的柴油机微粒过滤器(DPF)的频繁强制再生，则这是不可接受的。为了决定这一点，可以设定烟灰累积的阈值(例如以每升DPF的烟灰克数为单位)，并且推断如果烟灰累积量高于阈值，则发动机系统不适用预期驱动循环。
在实施例中，代表预期驱动循环期间发动机运行状况的数据是基于在对应于预期驱动循环的驱动循环期间收集的真实发动机运行数据。运行数据全部或部分基于或形成真实(测量)数据提高了该方法的可靠性。
在实施例中，所确定的废气后处理系统的工作温度是从多个时间段元素获得的平均工作温度，多个时间段元素中的每一个形成代表预期驱动循环的时间段的一部分。可以为代表预期驱动循环的所有数据点计算温度，并且时间段元素可以一起加到代表预期驱动循环的整个时间段。
在实施例中，工作温度指的是微粒过滤器处或微粒过滤器中的温度。烟灰累积通常是指微粒过滤器中的烟灰累积。
在实施例中，废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系从至少一个发动机系统运行期间或之后的温度和烟灰累积的测量中获得。如上所述，与模拟数据相比，这种测量数据提供了对将要预测烟灰累积的发动机系统的废气后处理系统中的烟灰累积的更精确的估计。
在实施例中，该方法包括确定发动机系统对于预期驱动循环的适用性的步骤，并且还包括确定发动机系统关于废气后处理系统中的烟灰累积是否适用于预期驱动循环。
在实施例中，该方法包括：获得对应于所确定的工作温度的废气后处理系统中估计的烟灰累积量；将估计的烟灰累积量与阈值进行比较；以及基于估计的烟灰累积量是高于还是低于阈值，确定发动机系统关于废气后处理系统中的烟灰累积是否适用于预期驱动循环。
阈值可以根据情况以不同的方式设定。作为示例，对于包括某一DPF的特定发动机系统，阈值可以设定为每升DPF 10克烟灰。也就是说，如果预测的烟灰累积估计值为9g或更低，则将该特定发动机系统用于预期驱动循环可能不会导致需要频繁强制再生，因此可以确定该特定发动机系统确实是适用的。另一方面，如果预测的估计值为每升DPF 11克或更多的烟灰，则该特定的发动机将不适用。
在实施例中，该方法包括：确定多个发动机系统对于预期驱动循环的适用性，其中每个发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统，并且其中内燃发动机和/或废气后处理系统在多个发动机系统之间不同；以及比较多个发动机系统关于废气后处理系统中的烟灰累积的适用性。
在实施例中，内燃发动机是压缩点燃型，例如柴油发动机。
本发明还涉及计算机实现的发明：
-一种包括程序代码装置的计算机程序产品，该程序代码装置用于当所述程序在计算机上运行时执行上述步骤。
-一种携载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序代码装置，用于当所述程序产品在计算机上运行时执行上述步骤。
-一种控制单元，用于控制用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法，该控制单元被配置成执行根据上述方法的步骤。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
图1示出了代表在预期驱动循环期间发动机运行状况的数据图。
图2示出了柴油机微粒过滤器(DPF)的工作温度和DPF中烟灰累积的对应的估计量之间的关系。
图3示意性地示出了根据本公开的方法的图示。
具体实施方式
图1示出了代表在预期驱动循环期间发动机运行状况的数据图。每个数据点示出了在整个驱动循环时间段的某个时间段元素的发动机速度和发动机扭矩。
图1中的不同线条表示不同尺寸的不同发动机系统的满载曲线，其中最上面的线条代表最大的发动机，并且最下面的线条代表最小的发动机。如图1所示，最大的发动机似乎是不必要的大，它将不得不以对于预期驱动循环来说可能太低的负载运行，而最小的发动机太小，尽管最小的发动机对于平均负载/扭矩来说可能是足够的，但是对于预期驱动循环的时间段元素的大部分来说最小的发动机不能提供足够的扭矩。因此，图1指示了基于发动机速度和发动机负载的各种发动机系统对预期驱动循环的适用性，但图1不包括关于EATS性能的适用性。
图2示出了柴油机微粒过滤器(DPF)的工作温度和DPF中烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系。数据点来源于如上所述的各种发动机系统的测试和测量。例如，对于测试的特定发动机系统，从图2中可以看出，烟灰累积不超过11g/L(在所示的温度范围内)，至少220℃的DPF工作温度导致烟灰累积小于8g/L，至少260℃导致烟灰累积小于6g/L，并且至少300℃导致小于4g/L的烟灰累积。根据所讨论的特定发动机系统，可以为烟灰累积设定某个阈值，即可以如下使用的阈值：如果在长时间运行后产生的烟灰负载/累积低于该阈值，则存在需要对DPF进行频繁强制再生的小风险。图2仅示出了示例，在不同的发动机系统之间，DPF工作温度和烟灰累积的对应的估计量之间的关系可能不同。
如从图2中可以看到的，如果DPF的工作温度被确定为例如220℃左右，那么在这种情况下预测的烟灰累积将低于8g/L。如果烟灰累积阈值被设定为例如9g/L，则预测值低于阈值，并且如果烟灰累积阈值被设定为例如7g/L，则预测值高于阈值。因此，如果确定/计算出发动机系统(其适用性将被确定)的EATS中的DPF的工作温度高于220℃并且如果烟灰累积阈值已经被设定为高于8g/L的某个值，则发动机系统可以被认为对于预期驱动循环的烟灰累积是适用的。
本公开的方法的示例在图3中示意性地示出，并且可以描述如下：
S10-提供代表在预期驱动循环期间内燃发动机的发动机运行状况的数据，其中该数据包括在代表预期驱动循环的时间段内分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值。
这种数据的示例如图1所示。该数据可以通过从目前在一些应用中使用的现有(旧的)发动机系统中收集运行数据来获得，其中意图是用新的发动机系统(将对于该新的发动机系统来预测烟灰累积)替换现有的发动机系统。
S20-基于代表发动机运行状况的数据来确定预期驱动循环期间废气后处理系统的工作温度。
如何执行步骤20的示例的原理可以描述如下：
图1中举例说明的数据点形成了计算模型的输入数据，即在预期驱动循环的不同时间点的发动机速度和发动机扭矩的数据。进行计算的发动机系统的涡轮增压器涡轮下游的废气温度和废气质量流率从查找表中获得。查找表是从发动机系统在从空转到最大速度的所有发动机速度和从零到最大负载的所有负载下运行中获得的。(该运行可在先前阶段完成，例如在开发发动机时。)根据发动机的运行模式，使用两个替代的查找表，一个表用于冷的EATS，并且一个表用于暖的/热的EATS。使用哪个表取决于该时间点的模拟EATS温度。假设在起动发动机时EATS是冷的。
在某一运行点获得的关于废气温度和质量流率的数据然后被馈送到在涡轮和EATS之间延伸的管道的数值模型。该数值模型提供了任何温度变化的延迟，以及由于远离管道的热传导而导致的温度降低。在管道的下游，柴油氧化催化剂(DOC)和DPF被热力学模拟为热惯性。另一个数值模型模拟另一个管道，并且可以以与DOC和DPF类似的方式模拟该另一个管道下游的SCR单元(选择性催化还原)。流出的废气的计算温度用于为下一个运行数据点(即下一个时间段元素)选择查找表。
这些计算的输出是每个运行数据点的DPF中(或下游)的温度。为了获得“预期驱动循环期间废气后处理系统的工作温度”，例如，可以计算DPF的温度的平均值，并将该平均值用作工作温度。
S30-提供废气后处理系统的工作温度和废气后处理系统中烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系。
这就是图2中提供的内容；DPF(形成EATS的一部分)的某一工作温度产生了DPF中烟灰累积的对应的近似量。步骤S30可以在步骤S10之前执行。
S40-通过将所确定的废气后处理系统的工作温度与参考关系进行比较，预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积。
步骤S40可包括采用在步骤S20中获得的工作温度，与对应于图2中的示例数据的数据进行比较，并确定这导致小于还是大于设定阈值的烟灰累积。作为示例，DPF的8g/L烟灰的量可以被设定为阈值，使得工作温度的阈值变成如上所述的220℃。步骤S40然后可以包括确定在步骤S20中获得的工作温度是高于还是低于220℃。如果工作温度高于220℃并且阈值被设定为8g/L，则可以确定烟灰累积是可接受的，并且所讨论的发动机系统关于废气后处理系统中的烟灰累积来说适用于预期驱动循环。
可以测试几种潜在适用的发动机方法，使得该方法可以包括确定多个发动机系统对于预期驱动循环的适用性的步骤，其中每个发动机系统包括内燃发动机和废气后处理系统，并且其中内燃发动机和/或废气后处理系统在所述多个发动机系统之间是不同的。这种方法还可以包括比较所述多个发动机系统关于废气后处理系统中的烟灰累积的适用性的步骤。为了进行比较，可以用不同的方式说明不同发动机系统的适用性。
应当理解，本发明不限于上述和附图中所示的实施例；相反，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以进行许多改变和修改。
例如，除了使用预测方法来确定发动机系统的适用性之外，预测方法还可以用于为特定的发动机系统规划驱动循环，以避免太大的烟灰累积。例如，预测方法可以指示最初预期驱动循环将导致不可接受的烟灰累积。然后，为了增加EATS/过滤器的工作温度，可以对发动机运行数据进行不同的调整(同时仍然以适用其应用的方式运行发动机)。然后，预测方法可指示可接受的烟灰累积中的调整后的运行数据结果中的一个或多个。

Claims (12)

1.一种用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法，其中所述发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统，所述方法包括：
-(S10)提供代表在所述预期驱动循环期间所述内燃发动机的发动机运行状况的数据，其中所述数据包括在代表所述预期驱动循环的时间段内分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值；
-(S20)基于代表所述发动机运行状况的所述数据来确定在所述预期驱动循环期间所述废气后处理系统的工作温度；
-(S30)提供所述废气后处理系统的工作温度和所述废气后处理系统中的烟灰累积的对应的估计量之间的参考关系；和
-(S40)通过将所确定的所述废气后处理系统的工作温度与所述参考关系进行比较来预测当根据所述预期驱动循环运行时所述发动机系统中的烟灰累积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，代表在所述预期驱动循环期间发动机运行状况的所述数据是基于在对应于所述预期驱动循环的驱动循环期间收集的真实发动机运行数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所确定的所述废气后处理系统的工作温度是从多个时间段元素获得的平均工作温度，所述多个时间段元素中的每一个形成代表所述预期驱动循环的时间段的一部分。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述工作温度指的是所述微粒过滤器处或所述微粒过滤器中的温度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述废气后处理系统的工作温度和所述废气后处理系统中的烟灰累积的对应的估计量之间的所述参考关系从至少一个发动机系统运行期间或之后的温度和烟灰累积的测量中获得。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括确定所述发动机系统对于所述预期驱动循环的适用性的步骤，并且还包括确定所述发动机系统关于所述废气后处理系统中的烟灰累积是否适用于所述预期驱动循环。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法包括：
-获得对应于所确定的工作温度的所述废气后处理系统中的烟灰累积的估计量；
-将烟灰累积的估计量与阈值进行比较；和
-基于烟灰累积的估计量是高于还是低于阈值，确定所述发动机系统关于所述废气后处理系统中的烟灰累积是否适用于所述预期驱动循环。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述方法包括：
-确定多个发动机系统对于预期驱动循环的适用性，其中每个发动机系统包括内燃发动机和设置有微粒过滤器的废气后处理系统，并且其中所述内燃发动机和/或所述废气后处理系统在所述多个发动机系统之间不同；和
-比较所述多个发动机系统关于所述废气后处理系统中的烟灰累积的适用性。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述内燃发动机为压缩点燃型，例如柴油发动机。
10.一种包括程序代码装置的计算机程序产品，所述程序代码装置用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求1-9中任一项所述的步骤。
11.一种携载计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码装置，用于当所述程序产品在计算机上运行时执行权利要求1-9中任一项所述的步骤。
12.一种控制单元，用于控制用于预测当根据预期驱动循环运行时发动机系统中的烟灰累积的方法，所述控制单元被配置成执行根据权利要求1-9中任一项所述的方法的步骤。
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