一种基于Lambda响应与热历史融合的三元催化器储氧能力衰退估计及ROL自适应控制方法及系统与流程

本发明涉及天然气发动机排放控制、排气后处理状态估计以及车载智能控制，具体涉及一种基于三元催化器上游和下游lambda响应特征以及催化器热历史信息，对三元催化器最大可利用储氧能力的衰退状态进行在线估计，并依据所述衰退状态对发动机基准rol目标储氧脉谱进行自适应修正的控制方法及系统。其中，rol（relative oxygen level）用于表征三元催化器内部当前可利用储氧量相对于当前最大可利用储氧能力的相对水平；本发明所称rol目标脉谱，是指以发动机转速、负荷及可选的催化器温度等工况量为索引的目标相对储氧水平标定关系。

背景技术：

1、理论空燃比附近运行的天然气发动机通常采用三元催化器同时净化氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢化合物以及甲烷。三元催化器中的铈锆储氧材料能够在偏稀排气条件下吸收氧、在偏浓排气条件下释放氧，从而缓冲发动机lambda波动并扩大高转化效率窗口。催化器内部储氧状态及最大可利用储氧能力直接影响贫、富组分突破时刻以及尾气排放。

2、发动机量产控制中，可以针对不同转速和负荷工况标定rol目标脉谱，并根据实时估计的催化器实际储氧状态与目标rol之间的偏差修正燃料供给，使催化器工作在排放较优的储氧区域。该类控制结构具有可解释、响应快以及便于在发动机控制器中实现等优点。

3、然而，三元催化器在全寿命使用过程中会受到高温热暴露、热循环、贵金属烧结、储氧材料晶相变化以及化学中毒等因素影响，其最大可利用储氧能力和吸放氧动力学随寿命发生变化。特别是天然气发动机甲烷氧化活性对催化器温度和贵金属状态较为敏感，同一发动机工况下，新鲜催化器与老化催化器对应的排放最优储氧工作区可能发生漂移。由新鲜或特定寿命阶段催化器标定得到的固定rol目标脉谱，在催化器老化后不一定仍对应排放最优状态。

4、相关技术已经公开了利用前后氧传感器和氧盈亏积分估计催化器储氧量或储氧能力的方法，也存在基于催化器劣化系数修正目标空燃比的方法；此外，机器学习或神经网络也已用于催化器储氧量或rol的估计。因此，如果仅采用“神经网络估计储氧量后调整空燃比”的技术路径，难以充分区分当前瞬态储氧状态、长期储氧能力衰退以及氧传感器响应迟滞等不同因素，且容易与已有技术重合。

5、另一方面，仅依据里程、运行时间或单一最高温度判定催化器老化，难以反映不同发动机实际热历史和富稀运行历史造成的个体差异；仅依赖偶发停喷或主动富稀诊断事件计算osc，又存在更新频率低、易受传感器迟滞和工况波动影响的问题。由此，需要一种将正常运行中的lambda动态响应信息、寿命级热历史信息和低频高可信osc锚定事件相结合的在线估计方法，并将所估计的长期储氧能力衰退状态作为慢速外环，仅对原发动机rol目标脉谱进行受限、自验证的自适应修正，在保留原有快速rol偏差闭环的同时，使控制目标能够随催化器寿命状态迁移。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于 lambda 响应与热历史融合的三元催化器储氧能力衰退估计及 rol 自适应控制方法及系统，以解决固定rol目标脉谱不能随三元催化器储氧能力和反应动力学衰退同步变化，以及现有储氧量在线估计难以同时兼顾短时动态、长期热老化和低频可信标定的问题。

2、为实现上述目的，本发明首先提供一种基于 lambda 响应与热历史融合的三元催化器储氧能力衰退估计及 rol 自适应控制方法，用于理论空燃比附近运行的天然气发动机；所述天然气发动机的排气通道布置有三元催化器、设于三元催化器上游的第一 lambda检测装置、设于三元催化器下游的第二 lambda 检测装置以及用于获取三元催化器温度状态的温度检测装置；包括如下步骤：

3、s101，获取发动机转速、负荷、燃料供给量、进气量或排气流量、第一lambda信号、第二lambda信号以及三元催化器温度信号，并对不同信号进行时间同步、异常值筛除和有效性判断；

4、s102，在预设短时响应窗口内，根据第一lambda信号和第二lambda信号构建lambda响应特征集，所述lambda响应特征集至少包括前后lambda响应延迟特征和幅值传递或衰减特征，并可进一步包括富转稀与稀转富响应非对称特征、相关系数、相位差、后氧突破时间以及氧盈亏积分残差中的一种或多种；

5、s103，根据三元催化器温度随时间的历史序列构建热历史特征，所述热历史特征至少包括等效热老化剂量，并可包括不同温度阈值以上的累计暴露时间、热循环次数、最高温度、温升速率以及高温持续时间中的一种或多种；

6、s104，在满足预设可辨识条件的停喷事件、自然富稀跃迁事件或受控lambda微扰事件中，确定储氧积分起点和下游突破终点，对进入三元催化器的等效氧盈余或氧亏损进行积分，并进行温度、排气流量和氧传感器动态修正，得到可信储氧能力锚点osc_event及事件质量评分；

7、s105，将所述lambda响应特征集、热历史特征、发动机工况特征以及最近一次或最近多次可信储氧能力锚点输入储氧能力衰退时序估计模型，获得当前最大可利用储氧能力估计值osc_hat、osc健康度h_osc以及模型置信度；

8、s106，根据h_osc、模型置信度和排放劣化指标判断是否满足rol目标自适应修正触发条件；在满足触发条件时，根据当前发动机工况和h_osc从老化修正关系中确定rol修正量δrol，并将δrol叠加至基准rol目标脉谱对应工况单元，得到修正后的rol目标值rol_ref*；

9、s107，保留发动机原有快速rol偏差闭环，根据修正后的rol目标值rol_ref*与实时rol_actual之间的偏差调节燃料供给量，使实际储氧状态跟踪修正后的目标储氧状态；

10、s108，在连续预设数量的可信控制窗口内评价修正前后的排放劣化指标、发动机扭矩、催化器温度和lambda约束，当修正产生有效改善且满足安全约束时固化所述修正量或修正脉谱版本，否则回滚至基准rol目标脉谱或上一可信修正版本。

11、进一步地，在本发明中，在步骤s102中，lambda响应特征集还包括富转稀响应延迟τ_rl、稀转富响应延迟τ_lr、下游与上游lambda扰动均方根比g_λ、前后lambda互相关峰值ρ_λ、富稀响应非对称指数、下游lambda突破时间及氧盈亏积分残差中的至少一种。

12、更进一步地，在本发明中，在步骤s102中，lambda响应延迟采用第一lambda信号与第二lambda信号的互相关峰值位置、化学计量点穿越时间差或后氧突破时间进行表征；以互相关方法为例，可定义：

13、τ_λ = arg max_{τ∈ω} corr(δλ_u(t), δλ_d(t+τ))

14、其中，τ_λ为上下游 lambda 互相关得到的响应延迟时间；δλ_u(t)和δλ_d(t)分别为去除慢变趋势后的上游和下游lambda扰动分量，ω为允许的响应延迟搜索区间。

15、更进一步地，在本发明中，在步骤s102中，幅值传递特征可表示为：

16、g_λ = rms[δλ_d(t)] / (rms[δλ_u(t)] + ε)

17、其中，g_λ为幅值传递特征，下游扰动 rms 除以上游扰动 rms；ε为防止分母过小的正数；随着催化器储氧缓冲能力下降，在同等工况和相近激励幅值条件下，g_λ通常呈增大趋势，前后lambda响应延迟通常呈缩短趋势。

18、更进一步地，在本发明中，在步骤s103中，热历史特征采用arrhenius形式构造等效热老化剂量d_t：

19、d_t(k)=d_t(k-1)+δt·exp[-e_a/r·(1/t_cat(k)-1/t_ref)]·i[t_cat(k)≥t_min]

20、其中，d_t(k)为第k计算时刻等效热老化剂量，d_t(k-1) 上一计算时刻等效热老化剂量；e_a为等效活化能标定参数，r为气体常数，t_cat为催化器代表温度，t_ref为参考温度，t_min为计入热老化的最低温度阈值，i[·]为指示函数；上述参数可依据催化器样件加速老化试验标定，不要求采用固定数值。

21、更进一步地，在本发明中，在步骤s104中，可信储氧能力锚点osc_event按照下式获得：

22、osc_event = c_t·c_f·c_s · |∫_{t0}^{tb} q_o2(t) dt|

23、q_o2(t)=k_o2(t)·m_f(t)·[λ_u(t)-1]

24、其中，t0为积分起点，tb为下游lambda达到预设贫侧或富侧突破阈值的终点，k_o2为与燃料组分或理论空燃比相关的等效氧换算系数，m_f为燃料质量流量，c_t、c_f和c_s分别为温度、流量和传感器动态修正系数；对于采用进气质量流量计算氧盈亏的实施方式，也可基于空气质量流量、燃料质量流量及理论空燃比构造q_o2。

25、更进一步地，在本发明中，在步骤s104中，储氧能力衰退时序估计模型采用双时间尺度lstm，第一lstm接收毫秒至秒级的lambda响应序列、工况序列和催化器温度序列，输出快速动态表征h_f；第二lstm接收分钟至寿命级的等效热老化剂量、高温暴露统计、热循环统计及可信osc锚点历史，输出慢速老化表征h_s；融合层将h_f、h_s、当前工况和最近可信锚点进行融合，输出osc_hat、h_osc及可选的不确定度σ_osc。

26、h_osc = sat(osc_hat / osc_fresh, 0, 1)

27、其中，osc_fresh为新鲜催化器或出厂阶段获得的基准最大可利用储氧能力；如果发生催化器更换，可重新初始化osc_fresh和对应热历史。

28、更进一步地，在本发明中，在步骤s104中，储氧能力衰退时序估计模型的训练损失至少包括数据拟合损失、可信锚点一致性损失、osc健康度边界损失和不可逆热老化趋势损失中的两项，使输出满足0≤h_osc≤1，并在无催化器更换或明确恢复事件时限制不可逆热老化分量无依据回升。

29、更进一步地，在本发明中，在步骤s106中排放劣化指标由三元催化器下游nox、ch4、co或hc中的至少一种实测排放量构成，或者由以发动机工况、第一lambda信号、第二lambda信号、三元催化器温度及h_osc为输入的排放估计模型获得。

30、更进一步地，在本发明中，在步骤s106中，rol目标自适应修正触发条件包括：传感器健康评价通过；模型置信度不低于预设置信度；h_osc低于第一健康阈值或osc衰退速率超过预设阈值；以及排放劣化指标连续多个可信窗口超过第二阈值；通过多条件门控，避免短时工况扰动、氧传感器迟滞或模型外工况造成rol目标误修正。

31、更进一步地，在本发明中，在步骤s106中rol修正量并不预设为正向或负向，而是根据发动机转速、负荷、催化器温度、h_osc以及可选的排放劣化指标，从离线构建的老化修正脉谱、分段函数或受约束优化器中确定，使老化催化器在当前工况下重新进入排放较优的储氧工作区。修正后的目标满足：

32、rol_ref* = sat[rol_base(n,l)+α·δrol(n,l,h_osc,j_e), rol_min, rol_max]

33、其中，α为0至1之间的渐变系数，用于避免目标储氧水平突变；rol_min和rol_max为允许的目标边界。

34、更进一步地，在本发明中，当第一lambda检测装置或第二lambda检测装置存在偏置、冻结、响应迟滞异常，三元催化器温度超出可辨识范围，发动机发生失火、燃料切换或模型置信度低于阈值时，禁止利用当前数据更新osc健康度适配参数和rol修正脉谱，并切换至基准rol目标脉谱或上一可信版本。

35、本发明还提供一种基于 lambda 响应与热历史融合的三元催化器储氧能力衰退估计及 rol 自适应控制方法的控制系统，包括数据获取模块、lambda响应特征构建模块、热历史构建模块、可信储氧能力锚定模块、储氧能力衰退时序估计模块、rol目标修正模块、快速rol偏差控制模块以及效果验证与回滚模块；数据获取模块，用于采集发动机运行参数、第一 lambda 信号、第二 lambda 信号、三元催化器温度信号，完成时间同步、异常过滤、有效性判断；  lambda 响应特征构建模块，用于短时滚动窗口内计算 lambda 响应延迟特征、幅值传递衰减特征，生成 lambda 响应特征集； 热历史构建模块，用于基于催化器温度历史序列计算等效热老化剂量以及配套热统计特征； 可信储氧能力锚定模块，用于在满足条件的停喷、自然富稀跃迁、受控 lambda 微扰事件中完成氧盈亏积分、多维度修正、事件质量校验，输出可信储氧能力锚点 osc_event； 储氧能力衰退时序估计模块，配置快速时序编码器、慢速时序编码器、融合输出层；接收 lambda 响应特征集、热历史特征、工况特征、可信储氧能力锚点，输出最大可利用储氧能力估计值、osc 健康度\模型置信度；rol 目标修正模块，用于校验 rol 自适应修正触发条件，计算 rol 修正量，经渐变加载、限幅得到修正后 rol 目标值； 快速 rol 偏差控制模块，保留原有快速闭环逻辑，依据偏差输出燃料供给调节指令； 所述效果验证与回滚模块，用于多可信窗口监测排放、扭矩、温度约束，实现修正版本固化或者回滚； 各模块协同执行权利要求 1-12 任一项所述的方法。

36、进一步地，本发明的控制系统，还包括独立于原发动机控制单元的车载算力单元，车载算力单元通过车载通信总线获取发动机及后处理信号，并向原发动机控制单元输出rol修正量、修正rol目标值、修正脉谱索引或修正使能信号中的至少一种，原发动机控制单元保留燃料执行器的快速闭环控制权限。

37、本发明还包括一种发动机控制器或车载计算装置，包括处理器和存储器，存储器中存储有程序，程序被所述处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。

38、本发明还包括一种天然气发动机系统，包括天然气发动机本体、布置在排气通道的三元催化器、上游第一 lambda 检测装置、下游第二 lambda 检测装置、三元催化器温度检测装置以及发动机控制器或车载计算装置。

39、本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

40、本发明采用“慢速老化自适应外环+快速rol偏差内环”的分层控制结构。慢速外环根据h_osc和排放劣化状态低频更新rol目标脉谱；快速内环仍由原发动机控制器按照实际rol与目标rol的偏差进行燃料供给调节，从而无需让数据驱动模型直接输出喷气阀或喷油器控制指令。

41、在本发明中，氧能力衰退估计与rol修正算法部署在独立算力单元、发动机控制单元协处理器、后处理控制器中；独立算力单元通过车载通信总线读取发动机和后处理信号，并仅向原发动机控制器输出受限的rol目标修正量、修正脉谱索引或使能信号。

42、在本发明的实施过程中，首先，获取发动机运行参数、第一lambda信号、第二lambda信号及三元催化器温度信号，形成时间序列数据；在短时响应窗口内根据所述第一lambda信号与第二lambda信号构建lambda响应特征集，lambda响应特征集至少包括前后lambda响应延迟特征以及幅值传递或衰减特征；根据三元催化器温度信号的历史序列构建至少包括等效热老化剂量的热历史特征；而后，在满足预设可辨识条件的停喷事件、自然富稀跃迁事件或受控lambda微扰事件中，根据上游氧盈亏积分与下游lambda突破时刻获得可信储氧能力锚点osc_event；将lambda响应特征集、所述热历史特征、发动机工况特征以及至少一个可信储氧能力锚点输入储氧能力衰退时序估计模型，获得当前最大可利用储氧能力估计值osc_hat、osc健康度h_osc以及模型置信度；

43、根据osc健康度、模型置信度以及排放劣化指标判断rol目标自适应修正是否使能，在使能时根据当前发动机工况和osc健康度确定rol修正量δrol，并将所述rol修正量叠加于基准rol目标脉谱以得到修正rol目标值rol_ref*；最后，根据修正rol目标值rol_ref*与实时rol_actual之间的偏差调节发动机燃料供给量，使实时rol_actual跟踪所述修正rol目标值rol_ref*；以及在连续预设数量的可信控制窗口内评价修正效果，在排放改善且安全约束满足时固化对应rol修正量或修正脉谱版本，在不满足时回滚至基准rol目标脉谱或上一可信修正版本。

44、lambda响应特征集还包括富转稀响应延迟τ_rl、稀转富响应延迟τ_lr、下游与上游lambda扰动均方根比g_λ、前后lambda互相关峰值ρ_λ、富稀响应非对称指数、下游lambda突破时间及氧盈亏积分残差中的至少一种。等效热老化剂量按照三元催化器温度的arrhenius加权时间积分递推获得，并进一步结合至少一个温度阈值以上的累计暴露时间、热循环次数、最高温度、温升速率或高温持续时间形成慢速热历史特征。获得可信储氧能力锚点osc_event包括：确定第一lambda信号越过化学计量点或停喷开始时刻作为积分起点t0；确定第二lambda信号达到预设贫侧或富侧突破阈值的时刻作为积分终点tb；对t0至tb之间进入三元催化器的等效氧盈余或氧亏损进行积分；并根据三元催化器温度、排气流量及lambda检测装置响应迟滞进行修正；仅当事件质量评分超过预设阈值且质量守恒残差满足要求时，将所得osc_event写入可信锚点池。

45、储氧能力衰退时序估计模型包括第一时间尺度时序编码器、第二时间尺度时序编码器及融合输出层；所述第一时间尺度时序编码器接收毫秒至秒级的lambda响应序列和发动机工况序列，所述第二时间尺度时序编码器接收分钟至寿命级的热历史特征和可信储氧能力锚点历史；所述第一时间尺度时序编码器和第二时间尺度时序编码器均为长短期记忆网络lstm、门控循环单元gru或其他循环时序网络中的一种，优选为lstm。储氧能力衰退时序估计模型的训练损失至少包括数据拟合损失、可信锚点一致性损失、osc健康度边界损失和不可逆热老化趋势损失中的两项，使输出满足0≤h_osc≤1，并在无催化器更换或明确恢复事件时限制不可逆热老化分量无依据回升。

46、排放劣化指标由三元催化器下游nox、ch4、co或hc中的至少一种实测排放量构成，或者由以发动机工况、第一lambda信号、第二lambda信号、三元催化器温度及h_osc为输入的排放估计模型获得；所述rol目标自适应修正的使能条件至少包括传感器健康评价通过和模型置信度达到预设要求，并包括h_osc低于健康阈值、osc衰退速率超过阈值或排放劣化指标超过阈值中的至少一种。rol修正量δrol由以发动机转速、负荷、可选的三元催化器温度、h_osc及可选的排放劣化指标为索引的老化修正脉谱、分段函数或受约束优化器确定；δrol允许为正值或负值，并仅对当前工况单元及其邻近工况单元进行局部更新。修正rol目标值满足rol_ref*=sat[rol_base+α·δrol, rol_min, rol_max]，其中α为0至1之间的渐变系数；rol修正量、rol目标变化率、空燃比、发动机扭矩及三元催化器温度均受预设安全边界限制。

47、在本发明中，osc_event为可信储氧能力锚点，单位为g；osc_hat为前最大可利用储氧能力估计值，单位为g；h_osc为osc 储氧健康度，取值 [0,1]，无量纲；δrol为rol修正量，无量纲；rol_ref*为修正之后的 rol 目标值，无量纲；rol_actual为实时实际相对储氧水平 rol，无量纲；τ_rl为富转稀响应延迟，单位为s；τ_lr为稀转富响应延迟，单位为s；g_λ为幅值传递特征，下游与上游lambda扰动均方根比，无量纲；ρ_λ为前后lambda互相关峰值；τ_λ为上下游 lambda 互相关得到的响应延迟时间，单位s；δλ_u(t)和δλ_d(t)分别为去除慢变趋势后的上游和下游lambda扰动分量，无量纲；ω为允许的响应延迟搜索区间，单位s；rms为均方根，无量纲；为防止分母过小的正数，无量纲；d_t为等效热老化剂量，无量纲；d_t(k)为第k计算时刻等效热老化剂量，无量纲；d_t(k-1) 上一计算时刻等效热老化剂量，无量纲；e_a为等效活化能标定参数，单位为j/mol；r为气体常数，单位为；t_cat(k) 第k时刻催化器代表温度，单位k；t_ref为参考温度，单位k；t_min为计入热老化的最低温度阈值，单位k；i[·]为指示函数；c_t为温度修正系数，无量纲；c_f为流量修改系统，无量纲；c_s为传感器动态修正系数，无量纲；t0为积分起点，单位s；tb为下游lambda达到预设贫侧或富侧突破阈值的终点，单位s；q_o2(t)为进入催化器的瞬时等效氧盈亏质量流量，单位g/s；k_o2(t)为与燃料组分或理论空燃比相关的等效氧换算系数，单位为g 氧 /g 燃料；m_f为燃料质量流量，单位为单位g/s；lstm为长短期记忆网络；h_f为快速 lstm 输出催化器瞬态动态表征向量，模型隐状态向量，无物理单位；h_s为慢速 lstm 输出催化器寿命老化表征向量，模型隐状态向量，无物理单位；osc_fresh为为新鲜催化器或出厂阶段获得的基准最大可利用储氧能力，单位g；rol_base(n,l)为基准 rol 目标脉谱，n为转速，l为负荷；α为0至1之间的渐变系数，无量纲；rol_min和rol_max为允许的目标边界，无量纲；j_e为排放劣化指标，无量纲；σ_osc为储氧能力估计模型不确定度，单位g；a_asym为富稀响应非对称指数，无量纲。

48、有益效果：第一，本发明估计的是最大可利用储氧能力的寿命级衰退状态”，而不是仅预测瞬时rol或瞬时储氧量，能够将长期催化器老化与短时储氧波动区分开；第二，通过将前后lambda响应延迟、幅值传递和富稀非对称等可观测动态特征与等效热历史共同输入时序模型，可反映不同发动机实际热暴露和运行历史造成的个体化老化差异；第三，通过停喷、自然富稀跃迁或受控微扰生成低频高可信osc_event锚点，使连续时序估计具有可审计的物理标尺，降低纯数据驱动模型长期漂移；第四，采用慢速rol目标脉谱自适应外环和原有快速rol偏差控制内环的分层结构，避免神经网络直接驱动燃料执行器，便于在现有ecu控制架构上增量部署；第五， rol修正量根据老化状态和工况确定，可正向或负向调整，并通过限幅、渐变、效果验证及回滚机制避免因误估计造成排放、扭矩或催化器温度恶化；第六，当催化器老化造成原rol目标脉谱失配时，本发明能够在无需重新拆车标定全部脉谱的情况下，对受影响工况区域进行个体化目标迁移，使排放恢复至预设目标范围或提高相对基准控制的排放裕度。