专利名称：柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度的预测方法
技术领域：
本发明涉及柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器(DOC)下游的氧气浓度的预 测(estimation)。
背景技术：
柴油发动机系统通常包括进气歧管、至少一个燃烧室、排气歧管和设置有柴油氧 化催化转换器(DOC)的排气管路。常规地提供该柴油氧化催化转换器用于降解残留的碳氢 化合物和碳氧化物，该碳氢化合物和碳氧化物在发动机的燃烧过程中形成，并且容纳在废 气流中。为了贯彻更严格的排放法规，大部分柴油发动机系统还装备有柴油颗粒过滤器 (DPF)，该柴油颗粒过滤器位于DOC下游的排气管路中，用于捕获和去除废气流中的柴油颗 粒物质(烟灰)。柴油颗粒过滤器通常包括外壳，该外壳容纳多孔材料的过滤器主体，并且一端封 闭的孔从其相对侧延伸到该过滤器主体。在正常操作中，废气从过滤器主体的一侧进入到 一端封闭的孔，并且经过过滤器材料进入另一侧的闭塞端孔内，从而废气携带的颗粒物质 保留在过滤器主体的表面和气孔内。累积的颗粒物质增加经过过滤器的压降。当压降变得过多时，这可导致过滤器主体破裂，致使过滤器无效，或这可影响柴油 发动机的效率。为了避免过滤器的过度阻塞，当在过滤器主体内积累了临界量的颗粒物质时，必 须去除这些颗粒物质。该处理通常称为柴油颗粒过滤器的再生。传统地，通过将DPF加热到积累的颗粒物质烧掉的温度来实现再生，从而使得过 滤器主体再次洁净。过滤器的加热借助于进入到DPF的废气的温度增加来提供。该温度增加(典型地 等于630°C )必须在所有可能的驱动条件(即，城市驱动、高速公路驱动等)下保持一定时 间(典型地600秒)。废气温度增加用专用多喷射模式来获得，借助于该专用多喷射模式，在活塞已经 经过其上死点中心位置之后，一定量的燃料喷射到燃烧室中，之前喷射的燃料已经燃烧。这样的迟的喷射的燃料(late-injected fuel)能够由于燃烧室内的燃料燃烧而 得到第一温度增加，以及由于排气管路的催化转换器(DOC)内的燃料氧化而得到第二温度 增加。更具体地，第一温度增加通过燃料的通常称为后喷射(after-injection)的单一 喷射而实现。在排气阀打开之前，且充分地接近TDC，开始后喷射，以相当完全地进入燃烧室进 行燃烧。
后喷射的燃料的燃烧产生高温废气，该高温废气随后从燃烧室排放并且由排气管 路引导以经过PDF，从而使得PDF加热。第二温度增加通过燃料的通常称为过后喷射(post-injection)的一次或多次喷 射而实现。充分地远离TDC，典型地在排气阀打开之后，开始过后喷射，以不在燃烧室燃烧。因此，过后喷射的燃料没有燃烧地从燃烧室喷出，并且由排气管路朝向柴油氧化 催化转换器(DOC)引导。当DPF内承载的颗粒物质较高时，在达到合适的再生温度之后，每个单一颗粒的 燃烧进一步生成热，该热被相当有效地传递到邻近颗粒，导致邻近颗粒也燃烧。当DPF内的颗粒浓度减小时，该类型的热传递倾向于变得不有效。这意味着，在再 生处理的开始时，DPF内的温度迅速地增加。如果颗粒物质的燃烧不被控制，那么所述温度增加将比所需要的更快且更高，并 且在特定情况下，还可损坏柴油颗粒过滤器。DOC下游的废气内的氧气量影响DPF内的颗粒的燃烧，因此在再生处理期间，该氧 气量是控制DPF内的温度梯度的关键参数。然而，实际上没有可用的控制系统用于测量和控制柴油氧化催化转换器下游的氧 气浓度，或许是因为依赖于氧气传感技术的控制系统具有许多缺陷。事实上，所述控制系统通常令人满意地用于管理稳定状态或缓慢改变的氧气水 平，但是不能令人满意地用于管理在柴油发动机系统内一些点处可以发现的快速改变的氧 气水平。另外，公知的宽范围的氧气传感技术受温度和压力条件影响，使得它们常常需要合 适的补偿，以产生精确的氧气浓度信息。此外，当传感器在废气流内具有高浓度的碳氢化合物的状况下工作时，氧气传感 器测量不精确，其中该状况是DPF再生条件的情况。本发明的目的是预测柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器(DOC)下游的氧气 浓度。本发明的另一目的是满足相当简单、合理和便宜的技术方案的目标。这些目的通过本发明的特征而达到。还描述了本发明的优选的和/或特别有利的 方面。
发明内容
本发明提供了一种用于预测柴油发动机系统内柴油氧化催化转换器下游的氧气 浓度的方法，该方法即使在DPF的再生处理期间也有效。柴油发动机系统通常至少包括进气歧管、燃烧室、排气歧管和位于柴油颗粒过滤 器(DPF)上游的排气管路中的柴油氧化催化转换器(DOC)。该方法包括-确定从燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量，_确定排气歧管中的空气质量分数，-预测柴油氧化催化转换器下游的空气质量分数，该空气质量分数是该未燃烧燃 料质量流量和排气歧管中的空气质量分数的函数，-预测柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度，该氧气浓度是柴油氧化催化转换器下游的预测的空气质量分数的函数。未燃烧燃料质量流量包括在柴油颗粒过滤器再生处理期间喷射到燃烧室的过后 喷射的燃料质量流量。该未燃烧燃料质量流量还包括一部分后喷射燃料质量流量，该部分 后喷射燃料质量流量在柴油颗粒过滤器再生处理期间喷射到燃烧室内，但在燃烧室内不燃烧。优选地，两个以经验确定的数据集用于确定总的未燃烧燃料质量流量，该两个数 据集使得过后喷射的燃料质量流量和未燃烧部分的后喷射燃料质量流量与多个发动机运 行参数相关联。预测柴油氧化催化转换器下游的空气质量分数包括预测在柴油氧化催化转换器 中通过其中的所述未燃烧燃料质量流量的氧化处理而转化的碳氢化合物质量流量，优选地 借助于-确定柴油氧化催化转换器效率，_确定空气对燃料的化学计量比，和-预测柴油氧化催化转换器中转化的所述碳氢化合物质量流量，该碳氢化合物质 量流量是未燃烧燃料质量流量、柴油氧化催化转换器效率和燃料的化学计量比的函数。优选地，两个以经验确定的数据集用于预测碳氢化合物质量流量，该两个数据集 使得柴油氧化催化转换器效率和空气对燃料的化学计量比与多个发动机运行参数相关联。本发明还提供一种用于柴油内燃机的控制系统。该控制系统包括-用于提供多个发动机运行参数的分别测量的装置，-用于将所述发动机运行参数测量应用于计算机编码的基于控制器的微处理器， 用于实施上述方法以预测柴油氧化催化转换器下游的氧气浓度，和-响应于柴油氧化催化转换器下游的所述预测的氧气浓度而受控的至少一个致动器。优选地，所述至少一个致动器包括用于调节影响柴油氧化催化转换器下游的氧气 浓度的发动机运行参数的致动器，使得控制系统能够在再生处理期间在DPF中控制烟尘的燃烧。
现在将通过例子参考附图来描述本发明，其中图1是根据本发明一个实施例的柴油发动机系统和发动机控制器的示意图；图2是模型的示意图，在该模型中柴油发动机系统被网格化为发动机子系统；图3A至3F分别是进气歧管子系统模型、燃烧室子系统模型、排气歧管子系统模 型、EGR设备子系统模型、涡轮增压设备子系统模型和柴油氧化催化转换器子系统模型的示 意图。
具体实施例方式本发明的优选实施例应用于在图1中通常标注为1的涡轮增压的柴油发动机系 统。
柴油发动机系统1包括具有进气歧管3和排气歧管4的发动机2，进气歧管3和 排气歧管4中的每一个都包括数量上与发动机2的各个汽缸的数量相一致的多个流道 (runner)。进气歧管3位于进气管路30的端部，而排气歧管4位于排气管路40的开始。进气管路30包括基本上在大气压力下吸入空气的入口 31。在入口 31下游，公知 的涡轮增压器5位于进气管路30中，用于压缩气流并用于将气流提供给中间冷却器32。另 外在下游，进气管路30包括进气节流阀33，该进气节流阀是可电控的，用于改变进气限制。废气从发动机2的各个汽缸中排出到相应的多个流道，并且进入排气歧管4。排气管路40引导来自排气歧管4的废气以驱动涡轮增压器5的涡轮，此后通过出 口 41进入大气。在涡轮增压器5和排气端口 41之间，排气管路40包括柴油氧化催化转换器 6 (DOC)，该柴油氧化催化转换器被设置用于降解发动机2内的燃料燃烧产生的以及包含在 废气流中的残留碳氢化合物和碳氧化合物。在柴油氧化催化转换器6的下游，柴油颗粒过滤器7 (DPF)位于排气管路40中，用 于在柴油颗粒到达排气端口 41之前，从废气流中捕捉和去除柴油颗粒物质(烟灰)。在排气歧管4和涡轮增压器5之间，存在废气再循环管路8，借助于该再循环管路 8，一部分废气流被引导到节流阀33下游的进气管路30中，在此与新鲜的进气气流相混合， 以建立摄入的汽缸充气气体混合。再循环管路8设置有传统的气体冷却器80，并且具有废气再循环阀81 (EGR)，该废 气再循环阀是可电控的，用于改变阀的开口面积，因此一部分废气流被引导到进气管路30。柴油发动机系统1必不可少的部分是控制系统，该控制系统包括传感装置，用于 提供多个发动机运行参数的各个测量，以及基于控制器的微处理器9 (ECM)，该基于控制器 的微处理器包括计算机编码，用于将发动机运行参数测量应用于发动机控制程序。根据本发明的方法，柴油发动机系统1被网格化为互连的子系统，建立如图2所示 的系统模型100。系统模型100包括进气歧管300、燃烧室200、排气歧管400、废气再循环设备800、 涡轮增压设备500和柴油氧化催化转换器600的子系统模型。各个子系统模型之间的互连由实线示出，并且相应于与子系统质量流量相关的模 型参数的各种模型交互作用和互相依存。与网格化的发动机系统100相应的具体子系统模型分别地呈现在3A至3F的各个 附图中。对于每个单个的子系统模型，相应的图沿模型块的左侧示出多个模型输入，并且 沿模型块的顶侧示出多个模型输出。模型输出提供至其它子系统模型的输入，这对于另外的描述以及参考附图而言将 是显而易见的。在没有提供特别规定的地方，模型使用的参数、常数和其它量将被考虑为存储在 ECM内，或根据发动机控制程序由ECM确定。进气歧管模型300在图3A中示出。有效的模型输入确定为进入进气歧管的质量 流量，包括EGR流量和新鲜空气摄入量A&，以及来自进气歧管的进入燃烧室的质量流量^>。在当前例子中，新鲜空气摄入量成&是涡轮增压器升压的压缩机质量流量。下面的代 数和微分模型方程描述进气歧管
权利要求
一种用于预测柴油发动机系统(1)内的柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的方法，所述柴油发动机系统至少包括进气歧管(4)、燃烧室、排气歧管(3)、用于将废气从排气歧管(4)引导到大气的排气管路(40)、以及位于柴油颗粒过滤器(7)上游的所述排气管路(40)中的柴油氧化催化转换器(6)，所述方法包括 确定从所述燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量 确定所述排气歧管(4)中的空气质量分数 预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质量分数所述空气质量分数是所述未燃烧燃料质量流量和所述排气歧管(4)中的所述空气质量分数的函数， 预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度，所述氧气浓度是所述柴油氧化催化转换器(6)下游的预测的空气质量分数的函数。FSA00000240626600011.tif,FSA00000240626600012.tif,FSA00000240626600013.tif,FSA00000240626600014.tif,FSA00000240626600015.tif,FSA00000240626600016.tif
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述未燃烧燃料质量流量包括确定在所述 柴油颗粒过滤器(7)再生期间喷射到所述燃烧室的过后喷射燃料质量流量(rhp )。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述过后喷射燃料质量流量(mp)从以经验确定 的数据集中确定，所述数据集使得所述过后喷射燃料质量流量(mp )与多个发动机运行参 数相关联。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定所述排气歧管内的所述未燃烧燃料质量 流量包括确定在所述柴油颗粒过滤器(7)再生期间，喷射到所述燃烧室内但在所述燃烧 室内未燃烧的一部分后喷射燃料质量流量( rnANotTorqFormDOC /o
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述未燃烧部分的后喷射燃料质量流量 v rnANotTorqFormDOC )从以经验确定的数据集中确定，所述数据集使得所述未燃烧部分的后喷 射燃料质量流量(mANotTorqFormDOC )与多个发动机运行参数相关联。
6.根据权利要求1所述的方法，其中预测所述柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质 量分数(fairDPF )包括预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中通过其中的所述未燃烧燃料 质量流量(mD , mA NotTorqFormDOC )的氧化处理而转化的碳氢化合物质量流量(mnri )。
7.根据权利要求6所述的方法，其中预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中转化的所 述碳氢化合物质量流量(rhoxi )包括-确定柴油氧化催化转换器效率(nDQC)，-确定空气对燃料的化学计量比，-预测在所述柴油氧化催化转换器(6)中转化的所述碳氢化合物质量流量(m0Xl )，所 述碳氢化合物质量流量是所述未燃烧燃料质量流量(< ,rhANotTorqFormDOC )、所述柴油氧化催化转换器效率和所述空气对燃料的化学计量比的函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述柴油氧化催化转换器效率(IIto)和所述空气 对燃料的化学计量比从相应的以经验确定的数据集中确定，所述数据集使得所述柴油氧化 催化转换器效率和所述空气对燃料的化学计量比分别与多个发动机运行参数相关联。
9.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述排气歧管(4)内的空气质量分数(fainm) 包括-确定经过进气阀进入所述燃烧室的质量(m。)，-确定所述进气歧管(3)内的空气分数(Llfem )，_确定喷射到所述燃烧室的燃料质量(mf)，-确定空气对燃料的化学计量比，-预测所述排气歧管(4)内的空气质量分数(falrem )，所述空气质量分数(falrem )是经 过所述进气阀进入所述燃烧室的所述确定的质量(m。)、所述进气歧管(3)内的空气分数 (faKm )、喷射到所述燃烧室的燃料质量(Hlf)以及所述空气对燃料的化学计量比的函数。
10.一种用于柴油发动机系统(1)的控制系统，所述柴油发动机系统至少包括进气歧 管(3)、燃烧室、排气歧管(4)、用于将废气从排气歧管(4)引导到大气的排气管路(40)、以 及位于柴油颗粒过滤器(7)上游的所述排气管路(40)中的柴油氧化催化转换器(6)，所述 控制系统包括-用于提供多个发动机运行参数的分别测量的装置，-包括计算机编码的基于控制器(9)的微处理器，用于使用所述发动机运行参数测量 值作为输入，实施根据前述权利要求中任一项所述的方法，-响应于所述柴油氧化催化转换器(6)下游的所述预测的氧气浓度而受控的至少一个 致动器。
11.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器包括用于调节影响所 述柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的发动机运行参数的致动器。
12.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器包括节流阀(33)致动器。
13.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述内燃机还包括废气再循环设备(8，80， 81)，所述废气再循环设备用于从所述排气歧管(4)到所述进气歧管(3)的废气的可变再循 环，并且其中所述至少一个致动器包括废气再循环阀(81)致动器。
14.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器适合于调节过后喷射 的喷射开始或过后喷射的燃料量。
15.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述至少一个致动器适合于调节后喷射的 喷射开始或后喷射的燃料量。
全文摘要
一种用于预测柴油发动机系统(1)内的柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度的方法，该柴油发动机系统至少包括进气歧管(4)、燃烧室、排气歧管(3)和位于柴油颗粒过滤器(7)上游的排气管路中的柴油氧化催化转换器(6)，该方法包括确定从燃烧室喷出的未燃烧燃料质量流量，确定排气歧管(4)中的空气质量分数，预测柴油氧化催化转换器(6)下游的空气质量分数，该空气质量分数是所述未燃烧燃料质量流量和排气歧管(4)中的所述空气质量分数的函数，预测柴油氧化催化转换器(6)下游的氧气浓度，该氧气浓度是柴油氧化催化转换器(6)下游的预测的空气质量分数的函数。
文档编号G01N15/06GK101995370SQ20101026073
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者伊戈尔·赞恩蒂, 斯蒂法诺·卡萨尼, 西莫内·巴贝罗 申请人:通用汽车环球科技运作公司