尾气处理装置的中心温度修正方法、系统和可读存储介质与流程

1.本发明涉及发动机排放物处理技术领域，特别涉及一种尾气处理装置的中心温度修正方法、系统和可读存储介质。


背景技术：

2.汽车发动机的排气温度是监控发动机工作状况的重要参数，保证发动机工作在安全范围，过高的排气温度会影响排气系统零部件的寿命，甚至损坏排气系统。发动机管理系统(engine manage system，简称ems)往往通过建立发动机排气温度模型、匹配合理参数，以实时监控排气系统零部件的温度，并对其进行必要的保护，如排气歧管、涡轮增压器、尾气处理装置等。尾气处理装置例如有三元催化器、四元催化器、颗粒捕捉器等。
3.以三元催化器为例，现有技术中，发动机管理系统ems的排气温度模型主要根据发动机运行工况来模拟催化器中心温度。催化器是发动机排气系统中的重要零部件，承载着净化发动机尾气的功能，其通过催化器载体贵金属涂层作为催化剂，促进发动机尾气一氧化碳co、碳氢hc和氮氧化物nox等有害气体进行化学反应，生成无害的水、二氧化碳和氮气。化学反应会产生大量热量，导致催化器中心温度升高。然而，现有的排气温度模型无法实时监测由于化学反应导致的温度变化，因此，如果出现催化器积累过多碳氢而ems无法识别到风险的情况，催化器中心温度容易出现超限的情况，从而加速催化器老化，直至损坏。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种尾气处理装置的中心温度修正方法、系统和可读存储介质，以提高尾气处理装置中心温度的监测精度，有效避免尾气处理装置高温失效和损坏。具体技术方案如下：
5.为实现上述技术目的，本发明提供一种尾气处理装置的中心温度修正方法，预先建立一发动机尾气模型，所述发动机尾气模型用于计算由所述尾气处理装置内发生的化学反应导致的温度变化速率；
6.所述方法包括：
7.监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；
8.根据所述发动机尾气模型，计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率；
9.计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化量，并修正所述尾气处理装置的中心温度。
10.可选的，所述排放物包括一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个。
11.可选的，所述监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量，包括：
12.通过发动机管理系统的排放物含量模型，获取发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；或，
13.通过传感器监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量。
14.可选的，所述排放物含量模型是根据发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比建立的。
15.可选的，所述发动机尾气模型是根据参与所述化学反应的各个排放物的总量反应热建立的，所述发动机尾气模型包括以下匹配参数：与空燃比和转换效率相关的修正系数、与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
16.可选的，所述排放物包括：一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物；
17.所述发动机尾气模型还包括以下匹配参数：碳氢化合物的热值、一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例。
18.可选的，所述发动机尾气模型为：
[0019][0020]
其中，表示所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率，分别为所述发动机尾气中一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物的质量流量，q
hc
为碳氢化合物的热值，r为一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例，f(λ,η)为与空燃比和转换效率相关的修正系数，f(nmot,rl)为与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0021]
基于同一发明构思，本发明还提供一种尾气处理装置的中心温度修正系统，包括：
[0022]
模型建立模块，用于预先建立一发动机尾气模型，所述发动机尾气模型用于计算由所述尾气处理装置内发生的化学反应导致的温度变化速率；
[0023]
监测模块，用于监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；
[0024]
计算模块，用于根据所述发动机尾气模型，计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率；
[0025]
修正模块，用于计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化量，并修正所述尾气处理装置的中心温度。
[0026]
可选的，所述排放物包括一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个。
[0027]
可选的，所述监测模块监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量的方法包括：
[0028]
通过发动机管理系统的排放物含量模型，获取发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；或，
[0029]
通过传感器监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量。
[0030]
可选的，所述排放物含量模型是根据发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比建立的。
[0031]
可选的，所述发动机尾气模型是根据参与所述化学反应的各个排放物的总量反应热建立的，所述发动机尾气模型包括以下匹配参数：与空燃比和转换效率相关的修正系数、与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0032]
可选的，所述排放物包括：一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物；
[0033]
所述发动机尾气模型还包括以下匹配参数：碳氢化合物的热值、一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例。
[0034]
可选的，所述发动机尾气模型为：
[0035][0036]
其中，表示所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率，分别为所述发动机尾气中一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物的质量流量，q
hc
为碳氢化合物的热值，r为一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例，f(λ,η)为与空燃比和转换效率相关的修正系数，f(nmot,rl)为与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0037]
基于同一发明构思，本发明还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现本发明所述的发动机尾气处理装置的中心温度修正方法。
[0038]
与现有技术相比，本发明提供的方案，利用发动机尾气模型对催化器中心温度进行修正，可准确计算发动机稳态工况和动态工况下的催化器内部反应导致的温度变化速率以及产生的温度升高量，从而提高催化器中心温度模型的精度，实时监测，及时保护催化器，避免催化器的剧烈化学反应导致的催化器损坏风险，减少了售后维护成本。同时，应用于实际驾驶循环中，更精确的催化器模型精度避免了非必要的零部件加浓保护，有效地提高了燃油经济型。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是催化器的物理模型图；
[0041]
图2是对图1简化后的逻辑简图；
[0042]
图3是本发明一实施例提供的尾气处理装置的中心温度修正方法的流程示意图；
[0043]
图4是本发明一实施例提供的尾气处理装置的中心温度修正系统的结构示意图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的技术方案作详细的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。此外，需要说明的是，本文的框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机程序指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
[0045]
本发明的技术方案用于对发动机的尾气处理装置的中心温度进行修正，具体可适用于三元催化器、四元催化器、颗粒捕捉器等尾气处理装置，本发明对尾气处理装置的具体类型不做限定。
[0046]
以下以三元催化器(以下简称催化器)为例，对本发明的尾气处理装置的中心温度修正方法进行详细介绍。
[0047]
如背景技术所述，催化器内部持续进行的氧化还原的化学反应会释放出大量热量，使得催化器中心温度显著升高。请参考图1和图2，催化器中心温度主要受以下4部分热量影响，催化器入口传递过来的热量q
e1
、催化器内部氧化还原反应产生的热量q
exoa
、催化器向大气环境的热辐射损失热量q
hla
、以及催化器传递给下游部件的热量q
e2
，因此，因此
[0048]
通常情况下，相比催化器入口温度t
e1
，催化器中心温度t
bra
高50k到200k之间。这部分多出来的温度，主要与催化器内部氧化还原反应产生的热量和催化器向大气环境的热辐射损失热量等有关。由于催化器本身结构特征，催化器中心温度的升高量主要受内部氧化还原反应影响。更进一步分析，发动机尾气中的co和hc等碳氢含量越高，催化器内部的氧化还原反应越剧烈，催化器中心温度越高。
[0049]
催化器不同于排气系统的其他零部件，其中心温度与其内部碳氢等排放物的化学反应热有很大关系。催化剂内的碳氢等排放物是个持续积累并同时反应的过程，因此发动机的工况也对催化剂内部的排放物积累起着至关重要的作用。换句话说，即便发动机运行在相同工况时，因催化器内部碳氢含量不同，其中心温度也会有较大差异。因此，获取由催化器内部化学反应产生的热量导致的温度变化量，对监测催化器的中心温度具有十分重要的作用。
[0050]
基于以上原理，本发明着重关注催化器内部化学反应产生的热量导致的温度变化，预先根据化学反应建立发动机尾气模型，所述发动机尾气模型用于计算由尾气处理装置内发生的化学反应导致的温度变化速率。
[0051]
具体的，所述发动机尾气模型是根据参与所述化学反应的各个排放物的总量反应热建立的，其中，所述排放物包括一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个。所述发动机尾气模型包括以下匹配参数：与空燃比和转换效率相关的修正系数、与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0052]
优选的，所述排放物包括一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物，所述发动机尾气模型还包括以下匹配参数：碳氢化合物的热值、一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例。
[0053]
下面对所述发动机尾气模型的建立过程进行介绍。
[0054]
考虑催化器内部的化学反应非常复杂，很多反应是同时进行的，与尾气的成分、催化器温度和涂层催化剂的活性等有很大关系。即使尾气中含量较高的少量几种气体，它们参与的化学反应也是分步进行的。根据热力学第一定律、盖斯定律，对于分步进行的化学反应，其最终化学反应热遵循能量守恒。发动机尾气中含量较高的排放物包括一氧化碳co、碳氢化合物hc、氮氧化合物(包括no和no
x
)。在建立所述发动机尾气模型时，可以考虑基于产生热量较高的化学反应进行建模，例如将一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个参与的化学反应作为建模基础。优选的，将一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物三个均参与的化学反应共同作为建模基础。下面以将一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物三个均参与的化学反应共同作为建模基础为例，介绍如何建立所述发动机尾气模型。
[0055]
本发明通过理想化催化器内部化学反应的边界条件，研究co和hc的放热反应，旨
在得到碳氢含量与催化器化学反应热之间的关系，认为热机状态的发动机稳态工况：
[0056]
1)催化器内部属于定压定容状态，即忽略化学反应的膨胀功；
[0057]
2)催化器的转化效率η较高，不同发动机工况的η基本恒定；
[0058]
3)仅考虑co、hc和no三种高组分气体含量的总量化学反应热；
[0059]
4)其他理想边界条件。
[0060]
co和hc是化学燃料在燃烧过程中生成的主要中间产物，它们的总量反应为：
[0061][0062][0063]
no是排气中的氮氧化物的主要成分，与co等还原剂进行还原反应，因此对co、hc的氧化反应起一定的抑制作用。no的总量反应为：
[0064][0065][0066]
其中，反应物中的氢气h2来源于水煤气反应或水蒸气重整反应。
[0067]
上述反应与发动机混合气空燃比的关系较大：当发动机以当量空燃比混合气运行时，反应最终产物大多是h20和co2；当发动机以较稀混合气(非失火边界)运行时，no的消失速率会显著降低，co和hc会被充分反应；当发动机以较浓混合气(非失火边界)运行时，co和hc的反应量受限于自由氧浓度，no可能被还原剂co、h2等进行更彻底的还原反应生成氨。
[0068]
根据反应物和生成物的标准摩尔生成焓可计算出上述四个总量反应的化学反应热，如下，即反应热等于生成物生成晗与反应物生成晗之差。
[0069][0070]
通过查表得到co、co2、no、h20的标准摩尔生成焓，如下表；而hc化学式复杂不固定，很难用一种化学式表达，需在发动机进行测量匹配。
[0071]
[0072]
可得，co的总量反应热no的总量反应热而hc化学式复杂、不固定，难以用一种化学式表达，其总量反应热在实验中测量得到，用表示。
[0073]
至此，催化器内部化学反应产生的热量变化速率可通过如下公式获得：
[0074][0075]
其中，f
co
(λ)、f
no
(λ)、f
hc
(λ)分别为空燃比对co、no、hc的热值修正系数，m
co
、m
no
、m
hc
分别为co、no、hc的摩尔质量。
[0076]
将上述公式1右边的摩尔质量转换成质量后，结合无相变的热量方程，上式可表达为：
[0077][0078][0079]
式中，为催化器反应导致的温度变化速率，单位k/s；
[0080]
f
co
(λ)、f
no
(λ)、f
hc
(λ)，空燃比分别对co、no、hc的热值修正系数，用f(λ)表示；
[0081]
固体或气体的单位质量流量，单位为kg/s；
[0082]
r，no消失反应中co no反应的比例，0-1之间，其值大小与空燃比有关；
[0083]
q
hc
，hc的热值，单位为kj/g；
[0084]
η，催化器转换效率，0-1之间；
[0085]
f(nmot,rl)，与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0086]
可以理解的是，发动机排放物的质量流量与发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比等有直接关系，往往通过ems的排放物数学模型能够获得较高精度的单位质量流量而特定催化器状态下，催化器质量m
bra
、比热容cp
bra
、转换效率η是相对固定的值。
[0087]
将公式2简化后，得：
[0088][0089]
至此，公式3即为发动机尾气模型。其中，所述发动机尾气模型需要输入的变量有：co、no和hc的质量流量m
hc
，单位为kg/s。匹配参数包括：碳氢排放物的热值
q
hc
，单位为kj/g；no消失反应中co no反应的比例r，0-1之间，其值大小与空燃比有关；与空燃比和催化器转换效率相关的修正系数f(λ,η)，单位为k/j；与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数f(nmot,rl)，稳态工况时无修正f(nmot,rl)＝1。模型输出的变量为催化器中化学反应导致的温度变化速率：单位为k/s。
[0090]
由此，通过公式3可计算出催化器内部化学反应导致的温度变化速率。上述发动机尾气模型考虑了co、no和hc三种排放物，在其它实施例中，也可以增加或减少模型中的气体成分，例如只考虑co和hc，可参照上述描述建立相应的发动机尾气模型，此处不做赘述。
[0091]
在实际应用中，请参考图3，本发明一实施例提供一种尾气处理装置的中心温度修正方法，可以包括如下步骤：
[0092]
s101，监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；
[0093]
s102，根据所述发动机尾气模型，计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率；
[0094]
s103，计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化量，并修正所述尾气处理装置的中心温度。
[0095]
如上所述，所述发动机尾气模型可以基于一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个建立，因此相应的，步骤s101中可监测一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个的含量。
[0096]
具体的，可以通过传感器监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量，即设置传感器用于监测流入催化器的各个排放物的含量。
[0097]
优选的，可以通过发动机管理系统的排放物含量模型，获取发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量。如前所述，发动机排放物的质量流量与发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比等有直接关系，因此，发动机管理系统的排放物含量模型可以根据发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比建立。如此，在监测排放物含量时，通过所述排放物含量模型能够获得较高精度的排放物含量，并且无需增加额外的昂贵传感器，降低了成本。同时，通过建立发动机排放物含量模型，可以准确预测不同工况下催化器内部化学反应产生的热量，从而提高催化器中心温度模型的精度，实时监测，及时保护催化器。
[0098]
在步骤s102中，将监测到的排放物含量输入所述发动机尾气模型用于计算催化器内部化学反应导致的温度变化速率。例如，将监测的co、no和hc的质量流量m
hc
输入上述公式3，同时获取不同工况下各匹配参数的值，从而根据上述公式3计算得到催化器内部化学反应导致的温度变化速率。
[0099]
在计算得到催化器内部化学反应导致的温度变化速率后，可进一步计算得到催化器内部化学反应导致的温度变化量，并以此对现有方案监测的催化器的中心温度进行修正。
[0100]
本发明提供的方案，利用发动机尾气模型对催化器中心温度进行修正，可准确计算发动机稳态工况和动态工况下的催化器内部反应导致的温度变化速率以及产生的温度升高量，从而提高催化器中心温度模型的精度，实时监测，及时保护催化器，避免催化器的剧烈化学反应导致的催化器损坏风险，减少了售后维护成本。同时，应用于实际驾驶循环
中，更精确的催化器模型精度避免了非必要的零部件加浓保护，有效地提高了燃油经济型。
[0101]
请参考图4，本发明一实施例还提供一种尾气处理装置的中心温度修正系统，包括：
[0102]
模型建立模块200，用于预先建立一发动机尾气模型，所述发动机尾气模型用于计算由所述尾气处理装置内发生的化学反应导致的温度变化速率；
[0103]
监测模块201，用于监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；
[0104]
计算模块202，用于根据所述发动机尾气模型，计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率；
[0105]
修正模块203，用于计算所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化量，并修正所述尾气处理装置的中心温度。
[0106]
优选的，所述排放物包括一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物中的至少一个。
[0107]
优选的，所述监测模块201监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量的方法包括：
[0108]
通过发动机管理系统的排放物含量模型，获取发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量；或，
[0109]
通过传感器监测发动机尾气中参与所述化学反应的排放物的含量。
[0110]
优选的，所述排放物含量模型是根据发动机转速、发动机负荷、点火提前角、混合气空燃比建立的。
[0111]
优选的，所述发动机尾气模型是根据参与所述化学反应的各个排放物的总量反应热建立的，所述发动机尾气模型包括以下匹配参数：与空燃比和转换效率相关的修正系数、与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0112]
优选的，所述排放物包括：一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物；
[0113]
所述发动机尾气模型还包括以下匹配参数：碳氢化合物的热值、一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例。
[0114]
优选的，所述发动机尾气模型为：
[0115][0116]
其中，表示所述尾气处理装置内部化学反应导致的温度变化速率，分别为所述发动机尾气中一氧化碳、一氧化氮和碳氢化合物的质量流量，q
hc
为碳氢化合物的热值，r为一氧化氮消失反应中一氧化碳和一氧化氮反应的比例，f(λ,η)为与空燃比和转换效率相关的修正系数，f(nmot,rl)为与发动机转速和负荷有关的动态工况修正系数。
[0117]
基于同一发明构思，本发明一实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被一处理器执行时能实现本发明一实施例所述的尾气处理装置的中心温度修正方法。
[0118]
这里参照根据本发明实施例的方法、系统和可读存储介质的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序实现。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计
算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些程序在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机程序存储在可读存储介质中，这些计算机程序使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有该计算机程序的可读存储介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
[0119]
也可以把计算机程序加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的计算机程序实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
[0120]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统、可读存储介质实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0121]
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0122]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。