JP6122575B2 - ノックス制御システム及び方法 - Google Patents
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Description
前記方法の他の一つは、内燃機関内の排気ガス後処理システムを使用することである。排気ガス後処理システムは、それぞれのシリンダーで空気/燃料の混合物が燃焼する間に発生する汚染物質を無害な物質に変換する。このような目的で一酸化炭素、炭化水素、及び窒素酸化物を無害な物質に変換する触媒コンバータが用いられる。
従来技術の場合、ノックスの量を予測するために、別に、排気分析装置や、ノックス測定のためのセンサーを備えていた。しかし、このような排気分析装置やノックス測定センサーを別に具備すれば、費用が上昇する問題があり、エンジンの排気ガス内の組成物が排気分析装置やノックスセンサーを汚染させることによって、センサー自体が誤作動する問題があった。
したがって、上記のような従来技術によれば、ノックスの量を正確、かつ信頼性をもたせて予測することが困難であるため、これに基づいたノックス制御技術も信頼できないと言う問題があった。
ここで、d[NO]/dtは時間によるNO発生率であり、Tは燃焼ガス温度であり、[O2]は燃焼室内の酸素濃度であり、[N2]は燃焼室内の窒素濃度であり、AとBは定数である。
ここで、MFBは、Mass Fraction Burnedを示す。
ここで、d[NO]/dtは時間によるNO発生率であり、Tは燃焼ガス温度であり、[O2]は燃焼室内の酸素濃度であり、[N2]は燃焼室内の窒素濃度であり、AとBは定数である。
図1は、本発明の実施例によるノックス制御システム1の構成図である。
図1に示すように、本発明の実施例によるノックス制御システム1は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部10、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部20、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部30を含む。
測定部10は、ノックスの発生量を予測する役割を果たす部分であって、従来の技術のように別のノックス量を測定するセンサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する。
前記仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する方法については、以下で詳細に説明する。
一方、判断部20は、測定部10で予測されたノックスの発生量の予測値を、予め設定されたノックス目標値とリアルタイムで比較して判断する。ノックス目標値は、車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮してノックス目標値を予め設定することができる。
一つまたは種々の実施例において、制御部30は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には、車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には、車両が排気モードで運転するように制御することができる。
一方、判断部20の比較結果が、前記ノックス予測値がノックス目標値より大きいと表れる場合には、ノックスの低減のために制御部30は車両を前記排気モードで運転するように制御する。
図3に示すように、本発明の実施例によるノックス制御方法は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階(S10)、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階(S20)、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階(S30)を含む。
即ち、本発明の実施例によるノックス制御方法は、実際のノックス測定センサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックス発生量をリアルタイムで予測し、予測されたノックス発生量が設定された目標値に到達するように制御するようになっている。
以下、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階(S10)について、図面を参照して詳細に説明する。
仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階は、前記ノックス制御システムにも適用可能である。
図4は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法(S10)のフローチャートであり、図5は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法(S10)の概念図である。
エンジン運転変数200には、燃料量210(mfuel)、エンジン回転数220(RPM)、空燃比230(AF)、及びEGR量とEGR率(EGR_rate)のようなEGR情報240が含まれる。このようなエンジン運転変数200に基づいてNO発生率300を計算する。
したがって、NO発生率300(d[NO]/dt)を求めるためには、燃焼室の燃焼ガス温度(T)310と燃焼室内の酸素濃度[O2]320及び窒素濃度[N2]330を知る必要がある。
燃焼室の燃焼ガス温度(T=Tburned gas)310は、断熱火炎温度(Tad)に燃焼時の圧力上昇による追加的な燃焼ガス温度の上昇を考慮して計算できる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼室の燃焼ガス温度310は下記の(数2)によって計算できる。
そして、(数2)において、断熱火炎温度(Tad)は、一つまたは種々の実施例において下記の(数3)によって計算できる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼開始時点の燃焼室温度(Tsoc)は下記の(数3−1)によって求められる。
したがって、(数3−2)と(数3−3)から求めたmとV値を(数3−1)に代入して、燃焼開始時点の燃焼室温度(Tsoc)が分かる。
図5に示すように、燃焼室内の酸素濃度[O2]320を求めると、(数3)から断熱火炎温度(Tad)を分かり、これを利用して燃焼室の燃焼ガス温度(T=Tburned gas)310を求めることができる。
一つまたは種々の実施例において、(数1)の燃焼室内の酸素濃度[O2]と窒素濃度[N2]は下記(数4)によって計算できる。
EGR率(EGR_rate)は排気ガスの再循環率であって、一般に、EGRガス量/(EGRガス量+吸入空気量)×100で計算するか、吸気管内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値と、排気ガス内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値との比を測定して算出できる。
O2_Air[vol、%]とN2_Air[vol、%]は、吸入空気中酸素と窒素の濃度を示し、空気中酸素の濃度と窒素の濃度を用いる。
(数4−2)において、QはEGRガスでの窒素の組成比であって、燃料によって決定される値である。例えば、ディーゼル燃料の場合、Q値は3.773である。
結局、(数4−1)乃至(数4−3)で測定され入力される値は空燃比(AF)230一つであり、それ以外のQ、AFstoi及びy値は燃料の種類によって決定される値となる。
一方、図5に示すように、前記過程で求めた燃焼室内の酸素濃度[O2]320を(数3)に代入すれば断熱火炎温度(Tad)が求められ、Tadから(数2)によって燃焼ガス温度(T)310が求められる。
結局、本発明の実施例によれば、燃焼ガス温度310(T)と酸素濃度[O2]320及び窒素濃度[N2]330を全て求めることになるので、これらの値を(数1)に適用してNO発生率(d[NO]/dt)300を求める。
そして、エンジン燃焼圧力100を利用してNO生成期間400を算出する(S12)。
燃焼圧力からの燃焼解釈を通してMFB(Mass Fraction Burned)の変化推移を示すグラフ(図7の一点鎖線参照)を表し、グラフを用いてNO生成期間400を決める。
NO生成期間400が算出されると、図8に示すように、(数1)から求めたNO発生率(d[NO]/dt)300とNO生成期間(t)400からNO発生量500が計算できる(S13)。
その後、NO発生量500とエンジンの運転領域によるNOとNO2の比率からNO2発生量を算出して、ノックス(NOx)発生量600を予測する(S14)。
一つまたは種々の実施例において、ノックス(NOx)発生量600は、NO発生量500とNO2発生量を合わせた値で予測できる。
次に、図3に示すように、予測されたノックス発生量の予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する(S20)。ノックス目標値は車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮して、ノックス目標値を予め設定することができる。
そして、ノックス予測値とノックス目標値とに差がある場合、ノックス予測値がノックス目標値に追従するようにノックス発生量を制御する(S30)。
一つまたは種々の実施例において、制御段階(S30)では、図3に示すように、ノックス予測値が目標値より小さい場合(S31)には車両が燃費または出力向上モードで運行されるようにし、ノックス予測値が目標値より大きい場合(S32)には車両が排気モードで運行されるように制御することができる。
特に、図6に示すように、酸素濃度[O2]と燃焼ガス温度(T)は、窒素濃度[N2]に比べてノックス発生量に大きな影響を与える。
したがって、一つまたは種々の実施例において、酸素濃度[O2]と燃焼ガス温度(T)を変化させることでノックス発生量を制御することができ、このために車両の燃料量、燃料噴射時期、EGR率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することができる。一般に、燃焼ガス温度(T)は酸素濃度[O2]、噴射燃料量及び燃料噴射時期などによって決定され、酸素濃度[O2]はEGR率やブースト圧力などによって決定されるためである。
一方、本発明の実施例によるノックス制御方法は、車両の運行中には連続的に繰り返すことができる。
上述の通り、本発明の実施例によるノックス制御システム及び方法によれば、複雑な過程なしにいくつかの変数だけで燃焼過程で生成されるノックスの量を予測することができ、計算時間が短いことでリアルタイムでノックスの予測が可能である。そして、このように予測されたノックス発生量を利用して運転状況に応じる目標値を設定することによって、ノックスの排出を減らすように制御することが可能であり、排気性能を向上させる効果がある。 また、仮想のセンサーを利用してノックス発生量を予測する技術は、LNTまたはSCRのようなノックス後処理装置の制御にも適用することができる。
10 測定部
20 判断部
30 制御部
100 エンジン燃焼圧力
200 エンジン運転変数
210 燃料量(mfuel)
220 エンジン回転数(RPM)
230 空燃比(AF)
240 EGR情報
300 NO発生率
310 燃焼ガス温度(T)
320 酸素濃度[O2]
330 窒素濃度[N2]
400 NO生成期間
500 NO発生量
600 NOx発生量
Claims (13)
- ノックス制御方法において、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を推定する段階と、
前記ノックスの推定値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階と、
前記ノックスの推定値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階と、を含み、
前記ノックスの発生量を推定する段階は、
エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してNO発生率を計算する段階と、
前記エンジン燃焼圧力を利用してNO生成期間を算出する段階と、
前記NO発生率と前記NO生成期間からNO発生量を計算する段階と、
前記NO発生量とエンジン運転領域によるNOとNO 2 の比率からNO 2 発生量を算出してノックス(NOx)発生量を推定する段階と、を含むことを特徴とするノックス制御方法。 - 前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返されることを特徴とする請求項1に記載のノックス制御方法。
- 前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックスの推定値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックスの推定値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする請求項1に記載のノックス制御方法。
- 前記ノックス発生量を制御する段階は、燃料量、燃料噴射時期、EGR率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって行われることを特徴とする請求項1に記載のノックス制御方法。
- 前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数(RPM)、空燃比(AF)、及びEGR情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項1に記載のノックス制御方法。
- 前記NO生成期間は、MFB40−80区間またはMFB50−90区間を用いて算出することを特徴とする請求項5に記載のノックス制御方法。
ここで、MFBは、Mass Fraction Burnedを示す。 - ノックス制御システムにおいて、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を推定する測定部と、
前記ノックスの推定値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部と、
前記ノックスの推定値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部と、を含み、
前記仮想のセンサーは、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してNO発生率を計算し、前記エンジン燃焼圧力を利用してNO生成期間を算出し、前記NO生成期間からNO発生量を計算し、前記NO発生量とエンジン運転領域によるNOとNO 2 の比率からNO 2 発生量を算出してノックス(NOx)発生量を推定することを特徴とするノックス制御システム。 - 前記制御部は、前記ノックスの推定値が前記目標値より小さい場合には車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックスの推定値が前記目標値より大きい場合には車両が排気モードで運転するように制御することを特徴とする請求項8に記載のノックス制御システム。
- 前記制御部は、燃料量、燃料噴射時期、EGR率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって前記ノックス発生量を制御することを特徴とする請求項8に記載のノックス制御システム。
- 前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数(RPM)、空燃比(AF)、及びEGR情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項8に記載のノックス制御システム。
- 前記NO生成期間は、MFB40−80区間またはMFB50−90区間を用いて算出することを特徴とする請求項11に記載のノックス制御システム。
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