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CN101761377B - NOx排放物估算系统及方法 - Google Patents

NOx排放物估算系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及NOX排放物估算系统及方法。该NOx估算系统包括确定发动机运行模式的运行模式确定模块以及排放物预测模块。排放物预测模块基于所述运行模式、多个感测到的发动机参数以及映射图来估算NOx排放物。所述映射图基于所述运行模式将所述多个感测到的参数关联到所述NOx排放物。

Description

NOx排放物估算系统及方法
技术领域
本发明总体上涉及排气系统，更具体而言，涉及NOx估算系统和估算NOx排放物的方法。 
背景技术
本文提供的背景技术描述仅仅为了总体上介绍本发明的背景。在此背景技术部分中所描述的当前署名发明人的工作以及在提交时在不同情形下可能不构成现有技术的该描述的各方面，既不明示地也不默示地被承认为是针对本发明的现有技术。 
柴油发动机的运行涉及会产生排气的燃烧。在燃烧期间，空气/燃料混合物通过进气歧管输送到气缸中并在其中燃烧。燃烧之后，气缸内的活塞迫使气缸中的排气进入排气系统。 
排气系统可包括选择性催化还原(SCR)单元，该单元在排气释放到大气中之前减少NOx排放物。定量给料系统将还原剂(如，仅作为示例，尿素)喷射到在SCR单元上游的排气中。 
为了在SCR单元中有效地减少NOx排放物，监测SCR单元上游排气中的NOx浓度确保NOx排放物的有效减少。例如，示例性排气系统通常包括在SCR单元上游的第一NOx传感器和布置在SCR单元下游的第二NOx传感器。第一NOx传感器测量处理之前的排气中NOx的量。定量给料系统基于测量到的NOx排放物而喷射预定量的还原剂。第二NOx传感器监测释放到大气中的NOx排放物。NOx传感器是昂贵的，而且为精确起见也需要监测来自NOx传感器的读数。 
发明内容
因此，根据本发明教导的NOx估算系统包括确定发动机运行模式的运行模式确定模块，以及排放物预测模块。排放物预测模块基于运行模式、多个感测到的参数以及映射图(map)来估算NOx排放物。映射图基于运行模式将该多个感测到的参数与NOx排放物关联。 
在其它特征中，映射图创建为所喷射的燃料量和发动机速度 的函数。可对基于映射图估算的NOx排放物进行修正以补偿环境温度的变化。 
估算发动机NOx排放物的方法包括：确定发动机的运行模式；以及基于运行模式、多个感测到的参数和映射图来确定NOx排放物。映射图基于运行模式将所述多个感测到的参数与NOx排放物关联。 
从本文提供的描述中将清楚本发明的进一步应用领域。应该理解，描述和具体示例仅用于说明之目的，并非意图限制本发明的范围。 
附图说明
本文描述的附图仅用于说明之目的，并非意图以任何方式限制本发明的范围。 
图1是根据本发明教导的包含NOx估算模块的发动机系统的功能框图； 
图2是根据本发明教导的NOx估算模块的功能框图；以及 
图3是根据本发明教导的NOx排放物估算方法的流程图。 
具体实施方式
下面的描述实质上仅为示例性的，并非意图限制本发明及其应用或使用。为清楚起见，附图中将使用相同的附图标记来表示相似的元件。在本文中所用时，术语“模块”是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或成组的)和存储器、组合逻辑电路、或其它提供所述功能的合适构件。 
根据本发明教导的NOx估算模块包括运行模式确定模块和排放物预测模块。排放物预测模块包括与多个发动机运行模式相对应的多个映射图。排放物预测模块基于多个感测到的参数和与由运行模式确定模块所确定的运行模式相对应的其中一个映射图来估算NOx排放物。 
现在参照图1，柴油发动机系统10包括柴油发动机12、进气歧管14、排气歧管16、排气再循环(EGR)系统17以及排气系统18。尽管示出的是柴油发动机系统，但应该认识到，稍后将作描述的NOx估算模块可应用于汽油发动机。 
空气通过节气门20被吸入到进气歧管14中并被分配给气缸(未示出)。燃料由共轨喷射系统(未示出)喷射到气缸中。空气在气 缸中压缩，压缩空气的热点燃空气/燃料混合物。空气/燃料混合物的燃烧产生燃烧力以驱动活塞(未示出)，活塞可旋转地驱动曲轴(未示出)。排气通过排气歧管16从气缸排出并进入到排气系统18中。 
排气系统18包括选择性催化还原(SCR)单元24和柴油机微粒过滤器(DPF)26。SCR单元24通过排气管28与排气歧管16连通。尾气管30设置在DPF26的下游。 
SCR单元24通过SCR过程从排气中去除NOx。定量给料系统32将还原剂(如，仅作为示例，尿素)喷射到在SCR单元24上游的排气中。为实现有效的SCR过程所要喷射的还原剂的量，取决于离开排气歧管16的排气中NOx排放物(即，“发动机排出的NOx排放物”)的浓度。 
DPF26设置在SCR单元24的下游，用于从排气中去除柴油微粒物质和/或碳烟。DPF26在排气释放到大气中之前从排气中滤出微粒。尽管图1中所示的DPF26设置在SCR单元24的下游，但SCR单元24和DPF26的布置可以颠倒。 
EGR系统17包括与排气管28连通的EGR导管34、EGR阀36以及EGR冷却器38。EGR阀36控制需要再循环到进气歧管14的排气的量。EGR冷却器38冷却再循环的排气。 
当排气离开排气歧管16时，排气的一部分通过EGR阀36被引向EGR导管34，到达进气歧管14。排气的剩余部分被引向SCR单元24和DPF 26以便在释放到大气中之前进行处理。再循环的排气在进气歧管14处与来自进气节气门20的空气混合。进入的空气的量由进气节气门20控制。再循环的排气的量由EGR阀28控制。进入的空气和再循环的排气的混合物被送至发动机12。 
控制模块40与多个用于监测发动机运行的传感器通信并相应地控制发动机运行。该多个传感器包括，但不限于，进气歧管绝对压力(MAP)传感器42、发动机速度传感器44、质量空气流量(MAF)传感器46、进气温度(IAT)传感器48、大气压力传感器49以及设置在尾气管30处的NOx传感器50。MAP传感器42测量至发动机12的进气歧管压力(增压)。发动机速度传感器44测量发动机速度(RPM)。MAF传感器46测量进入进气歧管14的MAF。IAT传感器48测量IAT。大气压力传感器49测量大气压力。NOx传感器50测量经SCR单元24和DPF26处理之后的排气中的NOx排放物。 
控制模块40包括NOx估算模块54，NOx估算模块54基于由所述 多个传感器42、44、46、48和49感测到的多个发动机参数提供估算的发动机排出的NOx排放物。 
参照图2，NOx估算模块54包括运行模式确定模块56、海拔确定模块58、燃料量确定模块59以及排放物预测模块60。发动机12可以多个运行模式之一运行，该多个运行模式包括，但不限于，稳态模式、瞬态模式和EGR关闭模式。运行模式确定模块56可基于——仅作为示例——发动机速度、EGR速率、燃料喷射正时和/或所喷射的燃料量，来确定发动机的运行模式。海拔确定模块58基于环境条件(如，仅作为示例，大气压力)确定车辆的海拔。燃料量确定模块59基于所期望的发动机转矩确定所期望的燃料量。 
排放物预测模块60与运行模式确定模块56和海拔确定模块58通信并从其接收分别指示发动机运行模式和车辆海拔的信号。排放物预测模块60还接收来自燃料量确定模块59和发动机速度传感器44的数据。 
排放物预测模块60包括多个映射图64、66和68，这些映射图包括NOx排放物与对NOx排放物有影响的多个发动机参数之间的关联。该多个发动机参数包括，但不限于，EGR速率(Kg/min)、增压(Kpa)、喷射正时(上止点前的度数)、发动机速度(RPM)、所喷射的燃料量(mm3/冲程)、大气压力(KPa)、进气温度(℃)。可基于发动机测功器测试来确定发动机排出的NOx排放物与该多个发动机参数之间的关联。 
所述多个映射图64、66和68与所述多个发动机运行模式相对应并且可进一步基于车辆的海拔。与映射图相对应的车辆海拔可包括，但不限于，海平面、5500英尺和12000英尺。所述多个映射图64、66和68创建为发动机速度和所喷射的燃料量的函数。 
排放物预测模块60识别出与发动机运行模式和海拔相对应的合适映射图并基于该映射图以及燃料量和发动机速度来确定NOx排放物水平。这样，可估算出特定发动机速度下在特定运行模式和/或海拔的发动机排出的NOx排放物。 
更具体地，排放物预测模块60识别出与发动机运行模式和海拔相对应的合适映射图。然后，排放物预测模块60在该合适映射图上将所喷射的燃料量和发动机速度对应到NOx排放物。尽管所喷射的燃料量和发动机速度之外的发动机参数也会影响发动机排出的NOx排放物，但这些发动机参数是EGR速率的函数，而EGR速率可基于所喷射的燃料量和发动 机速度来确定。因此，排放物预测模块60通过仅仅利用燃料量和发动机速度而无需复杂的标定就将所述多个感测到的发动机参数关联到映射图上。 
可替代地，所述多个映射图64、66、68可以创建为EGR速率的函数。在这种情况下，排放物预测模块60可包括EGR确定模块62，EGR确定模块62基于所期望的燃料量和发动机速度来确定EGR速率。当发动机处于EGR打开模式时，排放物预测模块60可识别出EGR速率与NOx排放物关联的映射图并基于EGR速率和该映射图来估算NOx排放物。当发动机处于EGR关闭模式时，排放物预测模块60可识别出所喷射的燃料量、发动机速度和NOx排放物相互关联的映射图并基于所喷射的燃料量、发动机速度以及该映射图来估算NOx排放物。 
排放物预测模块60还包括修正曲线69，用于修正环境温度的变化。由于所感测到的发动机参数取决于环境温度，因此可利用修正曲线69来修正所估算的NOx排放物以补偿环境温度的变化。IAT传感器48所测量的进气温度提供对环境温度的指示。 
排放物预测模块60可将所估算的发动机排出的NOx排放物输出到定量给料系统控制模块70，定量给料系统控制模块70基于所估算的发动机排出的NOx排放物控制定量给料系统32。可替代地，当安装了NOx传感器来测量发动机排出的NOx排放物时，排放物预测模块60可将所估算的NOx排放物输出到NOx传感器诊断模块72以供诊断。 
在再生模式期间可关闭NOx估算模块54。在发动机再生期间可通过利用尾气管30处的NOx传感器50来估算NOx排放物水平。 
参照图3，发动机排出的NOx排放物的估算方法80开始于步骤82。在步骤84中，多个传感器测量并感测多个发动机参数并将所感测到的参数发送到NO x估算模块。在步骤86中，运行模式确定模块56确定运行模式。在步骤88中，海拔确定模块58确定车辆的海拔。在步骤90中，燃料量确定模块59基于所期望的发动机转矩确定所期望的燃料量。在步骤92中，排放物预测模块60识别出与发动机运行模式和车辆海拔相对应的映射图。在步骤94中，排放物预测模块60基于发动机速度、燃料量以及该映射图估算NOx排放物。然后在步骤96中，排放物预测模块60利用修正曲线69修正由环境温度所引起的变化，若有的话。该方法结束于步骤98。 
根据本发明的NOx估算模块54可以更精确地监测和估算发动 机排出的NOx排放物，而不使用昂贵的NOx传感器或任何新的硬件并且无需复杂的校准。因此，本发明的NOx估算模块54可节省排气系统18的制造成本。 
从以上描述中本领域技术人员现在可以认识到，本发明的广泛教导可以多种形式实施。因此，尽管本发明包括特定示例，但本发明的真实范围不应该如此局限，因为在研究了附图、说明书和所附权利要求之后本领域技术人员将明显看出其它的修改。 

Claims (16)

1.一种NOx估算系统，包括：
运行模式确定模块，其确定发动机的运行模式；
排放物预测模块，其基于所述运行模式、由所述发动机供能的车辆的海拔、多个感测到的发动机参数以及基于所述运行模式及所述海拔将所述多个感测到的发动机参数关联到NOx排放物的映射图，来估算所述发动机的NOx排放物；以及
定量给料系统控制模块，其基于所述估算的NOx排放物确定为实现有效的选择性催化还原过程所要喷射的还原剂的量。
2.如权利要求1所述的NOx估算系统，其中，所述映射图为所期望喷射的燃料量和发动机速度的函数。
3.如权利要求1所述的NOx估算系统，其中，所述映射图为EGR速率的函数。
4.如权利要求1所述的NOx估算系统，其中，所述多个感测到的发动机参数包括EGR速率、进气歧管压力、燃料喷射正时、发动机速度、所喷射的燃料量、质量绝对压力和进气温度。
5.如权利要求1所述的NOx估算系统，其中，所述运行模式是稳态模式、瞬态模式和EGR关闭模式中的一种。
6.如权利要求1所述的NOx估算系统，其中，所述多个感测到的发动机参数和所述NOx排放物之间的关联是基于发动机测功器测试来确定的。
7.如权利要求1所述的NOx估算系统，还包括海拔确定模块，其基于大气压力确定所述车辆的所述海拔。
8.如权利要求1所述的NOx估算系统，还包括燃料量确定模块，该燃料量确定模块基于所期望的发动机转矩确定所期望喷射的燃料量。
9.一种估算发动机NOx排放物的方法，包括：
确定发动机的运行模式；
接收多个感测到的发动机参数；
基于所述运行模式、由所述发动机供能的车辆的海拔、所述多个感测到的发动机参数以及基于所述运行模式及所述海拔将所述多个感测到的发动机参数关联到NOx排放物的映射图，来确定所述发动机的NOx排放物；以及
基于所述确定的NOx排放物确定为实现有效的选择性催化还原过程所要喷射的还原剂的量。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述映射图为所喷射的燃料量和发动机速度的函数。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述映射图为EGR速率的函数。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述多个感测到的发动机参数包括EGR速率、进气歧管压力、燃料喷射正时、发动机速度、所喷射的燃料量、质量绝对压力和进气温度。
13.如权利要求9所述的方法，其中，所述运行模式是稳态模式、瞬态模式和EGR关闭模式中的一种。
14.如权利要求9所述的方法，还包括：基于发动机测功器测试来确定所述多个感测到的发动机参数和所述NOx排放物之间的关联。
15.如权利要求9所述的方法，还包括：基于大气压力确定所述车辆海拔。
16.如权利要求9所述的方法，还包括：基于所期望的发动机转矩确定所期望喷射的燃料量。
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