CN116658277A - 基于hc累积效应的ehc加热控制方法及系统 - Google Patents

基于hc累积效应的ehc加热控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法及系统，该方法首先确认后处理系统是否存在提温需求，当确认存在，记录HC排放质量流量并利实时计算DOC上的实际HC累积/脱除速率，然后通过积分得到DOC上的HC累积质量并进一步计算出这部分HC的累积放热量，同时确定目标提温时间并计算出这段时间内的EHC最大发热量，并计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量，当HC氧化放热量和目标提温时间内的EHC发热量之和大于总目标能量，则EHC加热释放条件满足，随后进行闭环控制，当检测到SCR载体温度是否超过监测值，EHC加热功能的停止，后处理系统的冷启动加热需求被满足。本发明能够解决传统低压系统EHC加热功率较低，提温能力有限的问题。

Description

基于HC累积效应的EHC加热控制方法及系统
技术领域
本发明涉及柴油机后处理系统快速提温技术领域，特别涉及一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法及系统。
背景技术
发动机排气中含有氮氧化物(简称NOx)这种有害物质，NOx是发动机吸入气缸内的空气中的N2和O2在高温下的反应产物，其主要成分是NO和NO2。发动机的排放法规对NOx的排放量进行了限制，并且规定了不同程度的限值。
尿素选择性催化还原技术(简称Urea-SCR技术)是发动机控制NOx排放的主要技术，该技术最常见的形式是：利用尿素水溶液分解产生氨气(NH3)，并且在SCR催化器的作用下，氨气与NOx发生选择性催化还原反应，生成氮气和水后排入大气，通过向柴油机的排气中喷入不同的尿素量，对NOx的排放量实现有效控制。
温度低于187℃时尿素的水解和热解反应不能充分发生，同时SCR反应在温度低于250℃的条件下亦不能充分发生，因此冷启动阶段的NOx排放控制的主要难点在于后处理系统由于温度过低完全不能正常发挥催化转化效果。通常需要通过以下手段提升冷启动阶段的排放控制能力：其一是迅速缩短冷启动到后处理系统正常工作温度的时间历程；其二是降低冷启动阶段的发动机排放水平；其三是通过诸如(稀薄NOx捕集)LNT或(被动NOx吸脱附)PNA等技术手段在后处理系统未工作时吸附当前的排放污染物。
为了迅速缩短车辆冷启动到后处理系统正常工作温度的时间历程，电加热催化器(简称EHC)是目前常用的一种技术手段。但是，传统车辆的12V或24V供电系统能够给EHC提供的加热功率相对有限，往往不足以起到快速将后处理系统加热到目标温度的效果，同时EHC的加热用电来自于发动机做功带动发电机发电，能量利用率限制在热功转化效率以下，高频率使用EHC对油耗非常不友好。
另一种被普遍采用的后处理系统提温技术手段是燃油后喷技术，该技术通过在燃烧后期往汽缸中喷入一定量的燃油，使其随着排气进入柴油机氧化催化器(简称DOC)中，随后在DOC的强氧化催化作用下与排气中O2的发生反应产生热量从而提高排气温度。但是这一技术手段依旧受限于DOC的起燃温度，如果DOC载体温度并未达到起燃温度则氧化反应难以发生。
传统的EHC加热方式往往在发动机启动的同时开始工作，导致DOC在达到起燃温度前的时间有所降低，HC得不到充分的积累，使得EHC的放热速率始终不能有效提升，减慢了后处理系统在冷启动阶段的提温速率。同时传统的燃油后喷控制策略没有对DOC的实时吸附能力进行评估，过多的HC无法被DOC有效吸附从而容易造成HC排放偏高，而传统加热方式下的EHC过早介入往往会导致无法有效利用低温条件下DOC更强的HC吸附能力。
发明内容
基于此，本发明的目的是提出一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法及系统，从而有效弥补传统低压系统EHC加热功率较低，提温能力有限的不足，进而为冷启动阶段的NOx排放的有效控制奠定温度基础。
本发明一方面提出一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法，所述方法包括：
S1：获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
S2：若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
S3：判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
S4：若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
S5：每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
S6：判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
S7：若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
S8：若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
S9：若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复步骤S5至步骤S6；
S10：若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
S11：若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复步骤步骤S5至步骤S6；
S12：若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则直接重复步骤S5至步骤S6，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值。
综上，根据上述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，该方法可以在EHC加热能力有限的情况下，通过促使DOC将达到起燃温度前存储的HC短时间集中氧化释放的大量热量增强热管理控制系统对后处理系统的提温性能，该方法可帮助实现后处理系统的快速提温，使得SCR系统达到启喷温度的时间提前从而更为有效的控制冷启动阶段的尾管NOx排放，同时可更为有效地利用DOC在低温条件下的HC吸附能力控制HC排放，该方法大大提高了系统化学能和电能的能量利用率，对提升整车的燃油经济性和排放性能均有明显效果。
在本发明较佳实施例中，所述获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求的步骤包括：
获取DOC前温度传感器的温度值和DOC后温度传感器的温度值，并根据所述DOC前温度传感器的温度值和所述DOC后温度传感器的温度值计算得到平均温度值；
判断所述平均温度值是否小于DOC起燃温度；
若所述平均温度值小于所述DOC起燃温度，则判定所述后处理系统存在提温需求。
在本发明较佳实施例中，所述判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量的步骤包括：
利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量；
根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
在本发明较佳实施例中，所述利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量的步骤包括：
DOC载体温度预估模型以DOC入口排气温度、DOC出口排气温度和排气质量流量为输入，对低温条件下的DOC载体温度进行计算；
DOC载体温度预估模型以EHC额定加热功率、DOC载体温度和排气质量流量为输入，通过查后处理目标提温时间标定MAP获得当前DOC载体温度条件下的目标提温时间；
基于当前的实际电瓶电压信号计算出EHC的实际加热功率后，将EHC的实际加热功率乘以目标提温时间以得到目标提温时间内的EHC放热量。
在本发明较佳实施例中，所述根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量的步骤包括：
以传感器测得的SCR入口排气温度、SCR出口排气温度和排气质量流量为输入，利用建立的SCR载体温度预估模型计算出当前SCR的载体温度，比较当前SCR载体温度与SCR载体高效温度窗口下限值，通过载体比热容计算出载体提温所需的能量输入；
基于热力学过程模型对SCR载体与排气换热的热效率进行计算，得到SCR入口排气所需具备的能量和SCR出口排气所具备的能量，依据当前SCR入口排气温度和SCR入口排气所需具备的能量计算出提升至载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
在本发明较佳实施例中，所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量的步骤之后还包括：
以排气质量流量、HC实时存储量计算值和DOC载体温度为输入计算实时脱附速率和最大吸附速率，并以最大吸附速率和HC排放质量流量计算实际的HC累积/脱除速率；
当HC排放质量流量小于最大吸附速率时，DOC上的HC累积/脱除速率等于当前条件下的HC排放质量流量减去当前条件下的脱附速率。
在本发明较佳实施例中，所述DOC载体温度预估模型包括对三个热力学过程的建模，所述热力学过程包括排气与催化剂间的对流换热、催化剂内部的热传导以及催化器壳体对大气的辐射换热，其中：
根据以下公式计算得到单位时间内排气与催化剂间的对流换热量ΦP-C：
ΦP-C＝hAH-T(TP-TC)
式中：h为排气与催化剂对流换热的换热系数，W/(m2K)；TP为排气温度，K；TC为催化剂温度，K；AH-T为催化剂能够与排气接触的所有表面积；采用ε表示催化剂的孔隙率，Scat表示催化剂单位可流通气体体积内的催化剂内表面积，m2/m3，则根据以下公式计算得到AH-T：
其中，rC为催化剂横截面半径，m；LC为催化器长度，m；为催化剂的总体积VC；为催化剂的总横截面积；/>为排气被催化剂阻挡的面积。
在本发明较佳实施例中，根据以下公式计算得到单位时间内催化剂通过热传导的热量ΦC：
其中，λC表示催化剂载体的导热系数，X表示沿传热方向的微元长度，rc表示载体半径，ε表示孔隙率，TC表示载体温度。
在本发明较佳实施例中，根据以下公式计算得到催化器壳体对大气的辐射换热ΦC-amb：
其中，ARad为催化器与外界的辐射面积，m2；εRad为辐射黑度；σSB为气体辐射常数，W/m2K4；Tamb为环境温度，K。
本发明另一方面还提出一种基于HC累积效应的EHC加热控制系统，所述系统包括：
提温需求监测模块，用于获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
积分运算模块，用于若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
总目标能量监测模块，用于判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
加热功率设定模块，用于若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
实时记录模块，用于每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
SCR载体温度监测模块，用于判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
EHC加热停止执行模块，用于若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
第一温升速率监测模块，用于若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
加热功率调节模块，用于若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复记录SCR载体温度和温升速率；
第二温升速率监测模块，用于若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则重复记录SCR载体温度和温升速率，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值；
燃油后喷量调节模块，用于若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复记录SCR载体温度和温升速率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。
附图说明
图1为本发明第一实施例提出的基于HC累积效应的EHC加热控制方法的流程图；
图2为后处理系统硬件环境示意图；
图3为后处理加热控制策略工作流程图；
图4为目标提温时间内的EHC发热量预估流程图；
图5为DOC上存储HC的总氧化放热量预估流程图；
图6为SCR载体温度提温至载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量计算流程图；
图7为EHC加热过程中的加热功率和燃油后喷量闭环控制策略工作流程图；
图8为本发明第二实施例中的基于HC累积效应的EHC加热控制系统的结构示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图2，所示为后处理系统硬件环境示意图，本发明优选实施方式所对应的后处理系统为EHC+SDPF+SCR+ASC方案，匹配双级尿素喷射系统。排气经过EHC上DOC催化剂的氧化催化作用将其中的HC、CO等还原性气体氧化，同时NO也可以在DOC上进一步和O2发生反应生成NO2，当SDPF载体温度超过尿素启喷临界温度后，1#尿素喷嘴开始喷射尿素，喷射的尿素在排气的加热作用下发生热解和水解反应，生成NH3，NH3在SDPF上涂敷的SCR催化剂作用下和NOx迅速发生反应，生成N2和H2O，尿素喷射量如有不足则剩余的NOx将继续流往下游，尿素喷射量如有过量则剩余的NH3将流往下游；下游SCR作为冗余的DeNOx系统承担剩余的NOx转化工作，2#尿素喷嘴为其供给所需的还原剂，SCR系统布置位置可以远离SDPF以获得更大的温度差异，此种布置方式下，如果上游SDPF的温度过高导致转化效率下降，下游SCR凭借这一温差依旧可以实现优异的DeNOx性能以保证系统的整体转化效率。整个后处理系统的还原剂供给系统使用质量浓度为32.5％的尿素水溶液作为还原剂。其中ECU和DCU可以为相互独立的硬件结构，也可以合并为一个完整的控制单元，ECU和DCU采集发动机转速、发动机喷油量、进气温度、进气压力、进气质量流量、EGR阀开度、冷却水温、EHC上游温度传感器、SDPF催化器上游温度传感器、SCR催化器上游温度传感器、SCR催化器下游温度传感器、EHC上游NOx浓度传感器、SCR催化器上游NOx浓度传感器、SCR催化器下游NOx浓度传感器、尿素液位传感器等发出的信号，通过相应控制功能模块的计算完成对双级喷射系统的还原剂协同高效分配，实现同时优化SDPF上PM的被动再生性能和提升双级SCR系统整体DeNOx效率的目标。
请参阅图3，所示为后处理加热控制策略工作流程图，首先确认目标后处理系统的催化单元构成并建立相应的载体温度预估模型以实现对控制策略所涉及催化器单元载体温度的预估。随后对后处理系统的工作状态进行判断以确认后处理系统是否存在提温需求。当DOC前后的温度传感器平均值低于DOC起燃温度(如150℃)时，认为此时后处理系统存在提温需求，开始记录HC排放质量流量并利用HC吸脱附速率模型实时计算DOC上的实际HC累积/脱除速率，然后通过积分得到DOC上的HC累积质量并进一步计算出这部分HC的累积放热量。同时利用EHC额定加热功率、排气质量流量和DOC载体温度确定目标提温时间并计算出这段时间内的EHC最大发热量，并依据当前SCR载体温度来计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。当HC氧化放热量和目标提温时间内的EHC发热量之和大于总目标能量，则EHC加热释放条件满足，随后以SCR载体的目标温升速率为闭环控制目标对EHC加热功率和燃油后喷量进行闭环控制，当检测到SCR载体温度超过高效温度窗口下限值20℃以上时，EHC加热功能的停止，后处理系统的冷启动加热需求被满足。
请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的柴油机排气浓度分级预测方法的流程图，该方法包括步骤S1至步骤S12，其中：
1.一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
具体地，在本步骤中，为了确认是否存在提温需求，获取DOC前温度传感器的温度值和DOC后温度传感器的温度值，并根据所述DOC前温度传感器的温度值和所述DOC后温度传感器的温度值计算得到平均温度值；
判断所述平均温度值是否小于DOC起燃温度；
若所述平均温度值小于所述DOC起燃温度，则判定所述后处理系统存在提温需求，该DOC起燃温度一般为150℃。
S2：若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
S3：判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
需要说明的是，获取总目标能量的步骤为：利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量；根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
请参阅图6，首先以传感器测得的SCR入口排气温度、SCR出口排气温度和排气质量流量为输入利用建立的SCR载体温度预估模型计算出当前SCR的载体温度，比较当前SCR载体温度与SCR载体高效温度窗口下限值，通过载体比热容计算出载体提温所需的能量输入，再基于热力学过程模型对SCR载体与排气换热的热效率进行计算，得到SCR入口排气所需具备的能量和SCR出口排气所具备的能量。依据当前SCR入口排气温度和SCR入口排气所需具备的能量可计算出提升至载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。结合SCR载体热力学模型计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。如果当前HC实时存储量对应的HC氧化放热量和目标提温时间内的EHC发热量之和大于总目标能量，则触发EHC加热。
所述SCR载体与排气换热的热效率通过热力学模型进行预估，并通过SCR下游的排气温度进行实时修正。
所述SCR载体热力学模型的建立方式和模型参数化方式与DOC载体温度预估模型一致。
S4：若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
请参阅图4，首先DOC载体温度预估模型以DOC入口排气温度、DOC出口排气温度和排气质量流量为输入对低温条件下的DOC载体温度进行计算，然后以EHC额定加热功率、DOC载体温度和排气质量流量为输入，通过查后处理目标提温时间标定MAP获得当前DOC载体温度条件下的目标提温时间。基于当前的实际电瓶电压信号计算出EHC的实际加热功率后，乘以目标提温时间即可获得目标提温时间内的EHC发热量。
所述DOC载体温度预估模型主要对以下热力学过程建模：1)排气与催化剂间的对流换热；2)催化剂内部的热传导；3)催化器壳体对大气的辐射换热，具体如下：
根据以下公式计算得到单位时间内排气与催化剂间的对流换热量ΦP-C：
ΦP-C＝hAH-T(TP-TC)
式中：h为排气与催化剂对流换热的换热系数，W/(m2K)；TP为排气温度，K；TC为催化剂温度，K；AH-T为催化剂能够与排气接触的所有表面积；采用ε表示催化剂的孔隙率，Scat表示催化剂单位可流通气体体积内的催化剂内表面积，m2/m3，则根据以下公式计算得到AH-T：
其中，rC为催化剂横截面半径，m；LC为催化器长度，m；为催化剂的总体积VC；为催化剂的总横截面积；/>为排气被催化剂阻挡的面积。
根据以下公式计算得到单位时间内催化剂通过热传导的热量ΦC：
其中，λC表示催化剂载体的导热系数，X表示沿传热方向的微元长度，rc表示载体半径，ε表示孔隙率，TC表示载体温度。
根据以下公式计算得到催化器壳体对大气的辐射换热ΦC-amb：
其中，ARad为催化器与外界的辐射面积，m2；εRad为辐射黑度；σSB为气体辐射常数，W/m2K4；Tamb为环境温度，K。
DOC载体温度预估模型的参数识别通过催化剂小样试验完成。其中热力学参数识别主要通过开展阶跃的温升试验实现。依次通入温度为200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、500℃、600℃标准尾气，在每次达到热平衡前排气温度不变，同时记录下不同位置处催化剂载体温度随时间的变化关系曲线、载体辐射放热率等；需要确认的热力学参数为：载体有效流通体积VDOC、载体有效横截面积Afr_DOC、对流换热系数hDOC、导热系数λDOC、有效换热面积AH-T_DOC、热辐射面积ARad_DOC、载体比热容cp,C(DOC)。
后处理目标提温时间标定MAP通过在不同排气质量流量下进行的后处理系统电加热试验获得，目标后处理系统在台架上不同转速和扭矩开展数次稳态点的冷启动试验，记录各自的DOC和SCR载体温度随时间的变化关系后即可得到不同的DOC载体温度所对应的目标提温时间。
还需说明的是，请参阅图5，发动机转速、主喷油量、后喷油量的HC排放浓度MAP查表获得，此外进气温度、进气压力、机油温度及冷却水温均会对缸内燃烧和做功过程造成影响，需要分别进行修正；得到HC排放浓度后，结合排气质量流量可实时计算HC排放的质量流量；
然后通过建立的HC吸附速率模型，以排气质量流量、HC实时存储量计算值和DOC载体温度为输入计算实时脱附速率和最大吸附速率，并以最大吸附速率和HC排放质量流量计算实际的HC累积/脱除速率。当HC排放质量流量大于或等于最大吸附速率时，DOC上的HC累积/脱除速率等于当前条件下的最大吸附速率减去当前条件下的脱附速率；当HC排放质量流量小于最大吸附速率时，DOC上的HC累积/脱除速率等于当前条件下的HC排放质量流量减去当前条件下的脱附速率。DOC上的HC累积/脱除速率计算结果将累加至HC实时存储量计数器中，并在下一次计算使用更新后的HC实时存储量作为HC吸脱附速率模型的输入。同时将HC实时存储量乘以HC平均热值即可计算出存储的HC所具备的氧化放热量。所述积分过程在冷启动驾驶循环开始后即持续进行；
所述HC吸脱附速率模型以DOC载体温度、排气质量流量、实时HC存储量为输入，实时计算DOC载体的HC最大吸附速率与HC实时脱附速率。HC吸脱附速率模型的建立需要利用DOC催化剂小样在小样性能试验台进行不同的温度和排气质量流量下的HC存储和清空试验，以获得目标载体温度和排气质量流量下不同HC存储水平下的实际吸附速率和脱附速率。建模试验过程中的载体温度通过小样试验台的热电偶测得，在整车实际应用过程中DOC载体温度则通过建立的DOC载体温度预估模型进行预估。
S5：每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
S6：判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
S7：若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
S8：若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
S9：若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复步骤S5至步骤S6；
S10：若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
S11：若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复步骤步骤S5至步骤S6；
S12：若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则直接重复步骤S5至步骤S6，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值。
请参阅图7，当EHC开始加热后，需要对其加热功率和燃油后喷量进行闭环控制。其闭环控制目标为：在满足规定时间内达到目标温度下限的同时，尽量控制提温速率在目标温升速率附近，以避免持续满负荷使用EHC带来的加热能效下降，亦可降低HC短时间集中氧化带来的高温热损伤风险。
当SCR载体温度超过高效温度窗口下限值后，催化器的转化效率接近100％，此时载体温度的升高并不能带来后处理系统DeNOx性能的提升，此时对其进行加热是不明智地。但由于温度的时滞效应，如果EHC触发的温度下限和停止的温度上限设定间隔过小，则容易导致EHC频繁开关，不利于系统的可靠性及使用寿命。因此，本发明选定高效温度窗口下限值+20℃作为EHC工作停止的触发条件；当EHC停止工作后，如果发动机持续处于低负荷工况导致SCR载体温度下降，由于此时DOC载体温度远高于其起燃温度，优先通过燃油后喷方式进行热补偿。发动机低负荷状态通常对应着NOx低排放状态，此时通过燃油后喷可减缓SCR载体温度的降低，仅利用较高的SCR催化剂储氨即可以有效转化掉这部分NOx。
闭环控制基于后处理系统热管理过程的控制方程，该方程的建立基于以下假设：1)假设HC的氧化完全发生在DOC载体空间内；2)忽略这一阶段DOC载体对外的热辐射损失；3)假设DOC载体内部的热传导速率极快，载体温度分布均匀；4)忽略经过DOC前后的气体压力和流速变化；此时有如下2个能量守恒关系：
①HC氧化放热量+EHC放热量+DOC入口排气具备的热量＝DOC出口排气具备的热量+DOC载体吸收的热量；
②SCR入口排气具备的热量＝SCR出口排气具备的热量+SCR载体吸收的热量；
所述单位时间内的HC氧化放热量可通过HC氧化反应的化学反应动力学模型计算得到(模型输入为：HC实时存储量、燃油后喷量、DOC载体温度、O2浓度、排气质量流量、模型输出为HC氧化反应速率)；单位时间内的EHC放热量可由EHC的实时加热功率得到；DOC入口排气具备的热量可通过DOC入口温度传感器信号和排气质量流量信号计算得到；DOC出口排气具备的热量可通过DOC出口温度传感器信号和排气质量流量信号计算得到；由此可计算得到DOC载体吸收的能量并基于DOC载体的比热容计算出DOC的温升速率；如果计算得到的DOC温升速率超出热保护温升速率上限，则EHC加热停止
所述SCR入口排气具备的热量可通过SCR入口温度传感器信号和排气质量流量信号计算得到；SCR出口排气具备的热量可通过SCR出口温度传感器信号和排气质量流量信号计算得到；由此可计算得到SCR载体吸收的能量并基于SCR载体的比热容计算出SCR的温升速率；EHC在额定功率下工作5s以后，如果SCR的实时温升速率低于目标温升速率(本发明选择80％这一比例)；则通过增加燃油后喷进一步增强后处理系统的提温能力(但总燃油后喷量不得超过标定限值，如5mg/stk)；如果SCR的实时温升速率高于目标温升速率一定程度(本发明选择150％这一比例)，则降低EHC加热功率，以避免加热能量的浪费同时亦可降低热应力风险。
所述目标温升速率通过开展不同载体温度和排气质量流量条件下的温升试验获得，在控制模型中通过目标提温时间和当前温差查表获得，温差越小，目标温升速率则越低。
综上，本实施例提出的基于HC累积效应的EHC加热控制方法可以在EHC加热能力有限的情况下，通过促使DOC在达到起燃温度前存储于载体上的HC集中氧化从而释放大量热量，增强了热管理控制系统对后处理系统的提温性能，帮助实现后处理系统的快速提温。这一加热控制策略加快了SCR系统达到启喷温度的时间，不仅更有效的控制了冷启动阶段的NOx和HC排放，而且大大提高了系统化学能和电能的能量利用率，提升了整车的燃油经济性。
请参阅图8，所示为本发明第二实施例中的基于HC累积效应的EHC加热控制系统的结构示意图，该系统包括：
提温需求监测模块10，用于获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
进一步地，所述提温需求监测模块10还包括：
平均温度值计算单元，用于获取DOC前温度传感器的温度值和DOC后温度传感器的温度值，并根据所述DOC前温度传感器的温度值和所述DOC后温度传感器的温度值计算得到平均温度值；
平均温度值监测单元，用于判断所述平均温度值是否小于DOC起燃温度；
若所述平均温度值小于所述DOC起燃温度，则判定所述后处理系统存在提温需求。
积分运算模块，用于若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
总目标能量监测模块20，用于判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
进一步地，所述总目标能量监测模块20还包括：
EHC放热量获取单元，用于利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量；
进一步地，所述EHC放热量获取单元还包括：
第一DOC载体温度计算子单元，用于DOC载体温度预估模型以DOC入口排气温度、DOC出口排气温度和排气质量流量为输入，对低温条件下的DOC载体温度进行计算；
目标提温时间获取子单元，用于DOC载体温度预估模型以EHC额定加热功率、DOC载体温度和排气质量流量为输入，通过查后处理目标提温时间标定MAP获得当前DOC载体温度条件下的目标提温时间；
EHC放热量计算子单元，用于基于当前的实际电瓶电压信号计算出EHC的实际加热功率后，将EHC的实际加热功率乘以目标提温时间以得到目标提温时间内的EHC放热量。
总目标能量计算单元，用于根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
进一步地，所述总目标能量计算单元还包括：
第二载体温度计算子单元，用于以传感器测得的SCR入口排气温度、SCR出口排气温度和排气质量流量为输入，利用建立的SCR载体温度预估模型计算出当前SCR的载体温度，比较当前SCR载体温度与SCR载体高效温度窗口下限值，通过载体比热容计算出载体提温所需的能量输入；
总目标能量获取子单元，用于基于热力学过程模型对SCR载体与排气换热的热效率进行计算，得到SCR入口排气所需具备的能量和SCR出口排气所具备的能量，依据当前SCR入口排气温度和SCR入口排气所需具备的能量计算出提升至载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
加热功率设定模块30，用于若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
实时记录模块40，用于每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
SCR载体温度监测模块50，用于判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
EHC加热停止执行模块60，用于若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
第一温升速率监测模块70，用于若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
加热功率调节模块80，用于若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复记录SCR载体温度和温升速率；
第二温升速率监测模块90，用于若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则重复记录SCR载体温度和温升速率，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值；
燃油后喷量调节模块100，用于若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复记录SCR载体温度和温升速率。
进一步地，在本发明一些可选的实施例中，该系统还包括：
对流换热量计算模块，用于根据以下公式计算得到单位时间内排气与催化剂间的对流换热量ΦP-C：
ΦP-C＝hAH-T(TP-TC)
式中：h为排气与催化剂对流换热的换热系数，W/(m2K)；TP为排气温度，K；TC为催化剂温度，K；AH-T为催化剂能够与排气接触的所有表面积；采用ε表示催化剂的孔隙率，Scat表示催化剂单位可流通气体体积内的催化剂内表面积，m2/m3，则根据以下公式计算得到AH-T：
其中，rC为催化剂横截面半径，m；LC为催化器长度，m；为催化剂的总体积VC；为催化剂的总横截面积；/>为排气被催化剂阻挡的面积。
热传导热量计算模块，用于根据以下公式计算得到单位时间内催化剂通过热传导的热量ΦC：
其中，λC表示催化剂载体的导热系数，X表示沿传热方向的微元长度，rc表示载体半径，ε表示孔隙率，TC表示载体温度。
辐射换热计算模块，用于根据以下公式计算得到催化器壳体对大气的辐射换热ΦC-amb：
其中，ARad为催化器与外界的辐射面积，m2；εRad为辐射黑度；σSB为气体辐射常数，W/m2K4；Tamb为环境温度，K。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
S2：若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
S3：判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
S4：若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
S5：每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
S6：判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
S7：若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
S8：若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
S9：若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复步骤S5至步骤S6；
S10：若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
S11：若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复步骤步骤S5至步骤S6；
S12：若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则直接重复步骤S5至步骤S6，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值。
2.根据权利要求1所述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求的步骤包括：
获取DOC前温度传感器的温度值和DOC后温度传感器的温度值，并根据所述DOC前温度传感器的温度值和所述DOC后温度传感器的温度值计算得到平均温度值；
判断所述平均温度值是否小于DOC起燃温度；
若所述平均温度值小于所述DOC起燃温度，则判定所述后处理系统存在提温需求。
3.根据权利要求1所述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量的步骤包括：
利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量；
根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
4.根据权利要求3所述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述利用EHC加热功率、排气质量流量以及DOC载体载体温度确定目标提温时间以及在所述目标提温时间内的EHC放热量的步骤包括：
DOC载体温度预估模型以DOC入口排气温度、DOC出口排气温度和排气质量流量为输入，对低温条件下的DOC载体温度进行计算；
DOC载体温度预估模型以EHC额定加热功率、DOC载体温度和排气质量流量为输入，通过查后处理目标提温时间标定MAP获得当前DOC载体温度条件下的目标提温时间；
基于当前的实际电瓶电压信号计算出EHC的实际加热功率后，将EHC的实际加热功率乘以目标提温时间以得到目标提温时间内的EHC放热量。
5.根据权利要求3所述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述根据当前SCR载体温度计算提温至SCR载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量的步骤包括：
以传感器测得的SCR入口排气温度、SCR出口排气温度和排气质量流量为输入，利用建立的SCR载体温度预估模型计算出当前SCR的载体温度，比较当前SCR载体温度与SCR载体高效温度窗口下限值，通过载体比热容计算出载体提温所需的能量输入；
基于热力学过程模型对SCR载体与排气换热的热效率进行计算，得到SCR入口排气所需具备的能量和SCR出口排气所具备的能量，依据当前SCR入口排气温度和SCR入口排气所需具备的能量计算出提升至载体高效温度窗口下限值所需的总目标能量。
6.根据权利要求1所述的基于HC累积效应的EHC加热控制方法，其特征在于，所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量的步骤之后还包括：
以排气质量流量、HC实时存储量计算值和DOC载体温度为输入计算实时脱附速率和最大吸附速率，并以最大吸附速率和HC排放质量流量计算实际的HC累积/脱除速率；
当HC排放质量流量小于最大吸附速率时，DOC上的HC累积/脱除速率等于当前条件下的HC排放质量流量减去当前条件下的脱附速率。
7.根据权利要求4所述的基于HC累积效应的EHC加热控制系统，其特征在于，所述DOC载体温度预估模型包括对三个热力学过程的建模，所述热力学过程包括排气与催化剂间的对流换热、催化剂内部的热传导以及催化器壳体对大气的辐射换热，其中：
根据以下公式计算得到单位时间内排气与催化剂间的对流换热量ΦP-C：
ΦP-C＝hAH-T(TP-TC)
式中：h为排气与催化剂对流换热的换热系数，W/(m2K)；TP为排气温度，K；TC为催化剂温度，K；AH-T为催化剂能够与排气接触的所有表面积；采用ε表示催化剂的孔隙率，Scat表示催化剂单位可流通气体体积内的催化剂内表面积，m2/m3，则根据以下公式计算得到AH-T：
其中，rC为催化剂横截面半径，m；LC为催化器长度，m；为催化剂的总体积VC；/>为催化剂的总横截面积；/>为排气被催化剂阻挡的面积。
8.根据权利要求7所述的柴油机排气浓度分级预测方法，其特征在于，根据以下公式计算得到单位时间内催化剂通过热传导的热量ΦC：
其中，λC表示催化剂载体的导热系数，X表示沿传热方向的微元长度，rc表示载体半径，ε表示孔隙率，TC表示载体温度。
9.根据权利要求7所述的柴油机排气浓度分级预测方法，其特征在于，根据以下公式计算得到催化器壳体对大气的辐射换热ΦC-amb：
其中，ARad为催化器与外界的辐射面积，m2；εRad为辐射黑度；σSB为气体辐射常数，W/m2K4；Tamb为环境温度，K。
10.一种基于HC累积效应的EHC加热控制系统，其特征在于，所述系统包括：
提温需求监测模块，用于获取后处理系统的工作状态，以根据所述后处理系统的工作状态判断后处理系统是否存在提温需求；
积分运算模块，用于若所述后处理系统存在提温需求，则对发动机启动后的HC排放质量流量进行积分运算，得到DOC上的HC累积质量和HC累积放热量；
总目标能量监测模块，用于判断所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和是否大于总目标能量；
加热功率设定模块，用于若所述HC累积放热量与目标提温时间内的EHC放热量之和大于总目标能量，则判定EHC加热功能释放条件满足，此时设定EHC加热功率；
实时记录模块，用于每隔第一预设时间记录SCR载体温度和温升速率；
SCR载体温度监测模块，用于判断所述SCR载体温度是否大于第一预设温度阈值，所述第一预设温度阈值为高效温度窗口下限值与第二预设温度调整阈值之和；
EHC加热停止执行模块，用于若所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值，则控制EHC加热停止；
第一温升速率监测模块，用于若所述SCR载体温度小于或等于第一预设温度阈值，则判断所述温升速率是否大于第一预设温升速率阈值；
加热功率调节模块，用于若所述温升速率大于第一预设温升速率阈值，则以第一预设调节功率阈值降低EHC加热功率，并重复记录SCR载体温度和温升速率；
第二温升速率监测模块，用于若所述温升速率小于或等于第一预设温升速率阈值，则判断所述温升速率是否大于第二预设温升速率阈值；
若所述温升速率小于或等于第二预设温升速率阈值，则重复记录SCR载体温度和温升速率，直至所述SCR载体温度大于第一预设温度阈值；
燃油后喷量调节模块，用于若所述温升速率大于第二预设温升速率阈值，则以第一预设燃油后喷量阈值增加燃油后喷量，并重复记录SCR载体温度和温升速率。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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