基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制系统及其方法与流程

1.本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制系统及其方法。


背景技术：

2.随着国六排放法规的实施及新能源技术的推广，天然气发动机的技术日益成熟。在众多技术方案中，当量比燃烧模式匹配三元催化转化器是当前的主要技术路线之一。三元催化转化器对发动机的燃烧状态及空燃比的控制要求较高，燃烧不良、失火、空燃比偏差较大等因素都会影响三元催化器的转化效率及使用寿命。
3.当前燃气机的空燃比主要是基于目标空燃比、三元催化器效率窗口脉谱及空燃比闭环修正模块进行控制。
4.当前的燃气机空燃比控制策略主要有如下问题：
5.1.催化器的效率窗口脉谱标定后为一固定值脉谱，未考虑催化转化器的老化对催化器效率窗口的影响。
6.2.随着催化器的老化，其效率窗口发生偏移，排放超过法规限值的风险增加，相应地会缩短催化器的使用寿命。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制系统及其方法，能更好地控制排放，延长催化器的有效使用寿命。
8.本发明采用的技术方案是：一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制系统，其特征在于：包括目标空燃比输出模块、催化器效率窗口控制模块、空燃比闭环修正模块和空燃比控制模块；目标空燃比输出模块、催化器效率窗口控制模块、空燃比闭环修正模块的输出端与空燃比控制模块的输入端电连接；目标空燃比模块输出目标空燃比至空燃比控制模块；催化器效率窗口控制模块输出与催化器老化系数相对应的催化器效率窗口脉谱；空燃比闭环修正模块输出空燃比闭环修正系数；空燃比控制模块基于接收到的催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比并输出。
9.上述技术方案中，所述催化器效率窗口控制模块包括燃气机催化转化器老化模型生成模块、催化转化器的老化系数计算模块和催化器效率窗口脉谱匹配模块；燃气机催化转化器老化模型生成模块基于燃气机的运行状态信息建立燃气机催化转化器老化模型，催化转化器的老化系数计算模块基于燃气机催化转化器老化模型计算得到催化转化器的老化系数；催化器效率窗口脉谱匹配模块基于计算得到的催化转化器的老化系数匹配相对应的催化器效率窗口脉谱并输出。
10.上述技术方案中，所述燃气机催化转化器老化模型生成模块基于燃气机的排气温度、排气流量、运行时间，建立燃气机催化转化器老化模型；所述燃气机催化转化器老化模型为基础催化转化器老化脉谱，其横坐标为排气温度、纵坐标为排气流量，脉谱值代表基础
老化系数。
11.上述技术方案中，催化转化器的老化系数计算模块采用如下公式计算催化转化器的老化系数：
[0012][0013]
式中：l1、l2、li代表基于催化转化器基础老化脉谱得到的相应工况老化系数；t1、t2、ti代表相应工况的运行时间；∑t代表总运行时间。
[0014]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块基于发动机转速和负荷计算得到催化器老化系数分级区间的阈值。
[0015]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块基于催化器老化系数分级区间设置与各个区间相匹配的催化器效率窗口脉谱。
[0016]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块判断计算得到的催化转化器的老化系数数值大小所属的分级区间，并输出该分级区间对应的催化器效率窗口脉谱。
[0017]
上述技术方案中，空燃比控制模块基于接收到的催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比并输出。
[0018]
本发明还提供了一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0019]
基于燃气机的排气温度、排气流量及相应工况的累计运行时间，建立燃气机催化转化器老化模型；
[0020]
基于燃气机的催化转化器老化模型，计算得到催化转化器的老化系数；
[0021]
根据催化器的老化系数对应的分级区间，匹配相对应的催化器效率窗口脉谱；
[0022]
基于催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比输出值。
[0023]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质上存储有基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法程序，所述基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制程序被车辆控制器执行时实现上述技术方案中所述基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法的步骤。
[0024]
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制策略，以保证燃气机在运行过程中，随着催化器的老化，匹配更合适的催化器效率窗口脉谱。本发明相较于现有技术，可以更好地控制排放，延长催化器的有效使用寿命。本发明基于燃气机的排气温度、排气流量及相应工况的累计运行时间，建立催化器的老化模型，所述催化器的老化模型能够有效反映发动机当下的工况。本发明根据催化器的老化模型可以得到催化器的老化系数，通过上述方法获得的催化器的老化系数有效体现了发动机当下的工况。本发明对催化器的老化系数进行分级定义，根据分级来匹配相应的催化器效率窗口脉谱，使得输出的催化器效率窗口脉谱更能够适应当下发送机运行状态的实际需求。
附图说明
[0025]
图1为本发明的示意图；
[0026]
图2为本发明的催化器效率窗口控制模块示意图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0028]
如图1所示，本发明提供了一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制系统，包括目标空燃比输出模块、催化器效率窗口控制模块、空燃比闭环修正模块和空燃比控制模块；目标空燃比输出模块、催化器效率窗口控制模块、空燃比闭环修正模块的输出端与空燃比控制模块的输入端电连接；目标空燃比模块输出目标空燃比至空燃比控制模块；催化器效率窗口控制模块输出与催化器老化系数相对应的催化器效率窗口脉谱；空燃比闭环修正模块输出空燃比闭环修正系数；空燃比控制模块基于接收到的催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比并输出。
[0029]
上述技术方案中，所述催化器效率窗口控制模块包括燃气机催化转化器老化模型生成模块、催化转化器的老化系数计算模块和催化器效率窗口脉谱匹配模块；燃气机催化转化器老化模型生成模块基于燃气机的运行状态信息建立燃气机催化转化器老化模型，催化转化器的老化系数计算模块基于燃气机催化转化器老化模型计算得到催化转化器的老化系数；催化器效率窗口脉谱匹配模块基于计算得到的催化转化器的老化系数匹配相对应的催化器效率窗口脉谱并输出。
[0030]
上述技术方案中，所述燃气机催化转化器老化模型生成模块基于燃气机的排气温度、排气流量、运行时间，建立燃气机催化转化器老化模型；所述燃气机催化转化器老化模型m
cat
为基础催化转化器老化脉谱，其横坐标为横坐标为排气温度t
exh
、纵坐标为排气流量g
exh
，脉谱值代表基础老化系数l0。
[0031]
基础催化转化器老化脉谱示意如下：
[0032]
x/y2002503003504004505005506006507007508008509002001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0053001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0054001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0055001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0056001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0057001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0058001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0059001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00510001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00511001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00512001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00513001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00514001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.00515001.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.0051.005
[0033]
上表中，横坐标x为排气温度t
exh
，纵坐标y为排气流量g
exh
，脉谱值表示对应的基础老化系数l0(示例)。
[0034]
基础老化系数由如下方法获取：在催化转化器单品试验室，用达到一定条件(温度及流量)的空气来通过催化转化器，即通过人为制造条件来达成催化转化器老化的目的。老化时间为100 小时，并在0小时及100小时时，在发动机试验室，搭载相应的催化转化器进行排放测试。记录对应的发动机系统排放g0、g
100
，该催化器的基础老化系数l0采用如下公式计
算得到：
[0035]
l0＝g
100
/g0[0036]
g0、g
100
分别表示0小时、100小时时，发动机(带后处理)运行相应的排放法规循环而得到的排放物的排放量。
[0037]
上述技术方案中，催化转化器的老化系数计算模块采用如下公式计算催化转化器的老化系数l
α
：
[0038][0039]
式中：l1、l2、li代表基于催化转化器基础老化脉谱得到的相应工况老化系数；t1、t2、ti代表相应工况的运行时间；∑t代表总运行时间。其中i取整数，其数值可以根据实际的计算需求设置。
[0040]
根据基础催化转化器老化脉谱的横纵坐标，对发动机的运行工况进行分区定义，l1、l2、li为直接读取相应的脉谱值得到。对每一分区设置一对应的计时器ti来计算发动机在该区域的运行时间，t1、t2、ti即为相应的计时器的计算结果。
[0041]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块基于发动机转速和负荷计算得到催化器老化系数分级区间的阈值。
[0042]
分级区间的阈值由催化转化器耐久性试验得到(根椐不同机型要求及耐久性试验情况进行分级)，如下：在耐久性试验0小时、250小时、500小时、750小时及1000小时时，分别测试发动机搭载催化器的系统排放，即发动机(带后处理)运行相应的排放法规循环而得到的排放物的排放量g0、g
250
、g
500
、g
750
、g
1000
，初始阈值为1，第一阈值y1由如下公式计算得到：
[0043]
y1＝g
250
/g0[0044]
第二阈值y2由如下公式计算得到：
[0045]
y2＝g
500
/g0[0046]
根据不同机型及耐久性试验情况，以次类推，可得到阈值y3、 y4等。
[0047]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块基于催化器老化系数分级区间设置与各个区间相匹配的催化器效率窗口脉谱。
[0048]
各个区间对应的催化器效率窗口脉谱m1，m2和m3等由具体的试验标定得到，如下：在催化转化器耐久性试验0小时、250 小时、500小时、750小时及1000小时时，分别测试催化转化器在各个工况下转化效率最高时的空燃比水平，即可得到此时催化转化器的最佳效率窗口脉谱。0小时对应的效率窗口脉谱定义为 m1，250小时对应的效率窗口定义为m2，以此类推。
[0049]
上述技术方案中，催化器效率窗口脉谱匹配模块判断计算得到的催化转化器的老化系数数值大小所属的分级区间，并输出该分级区间对应的催化器效率窗口脉谱。
[0050]
具体地，当催化转化器的老化系数l
α
大于等于1且小于第一阈值l1时，输出第一脉谱m1作为的催化器效率窗口脉谱m
x
。
[0051]
当催化转化器的老化系数l
α
大于等于第一阈值l1且小于第二阈值l2时，输出第二脉谱m2作为的催化器效率窗口脉谱m
x
。
[0052]
当催化转化器的老化系数l
α
大于等于第二阈值l2且小于第三阈值l3时，输出第三脉谱m3作为的催化器效率窗口脉谱m
x
。
[0053]
上述技术方案中，空燃比控制模块基于接收到的催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比并输出。
[0054]
燃气机的空燃比l
lam
的计算公式如下：
[0055][0056]
上式中，l
lams
代表目标空燃比，l
laso
代表基于催化器效率窗口脉谱得到的空燃比修正值，f代表空燃比闭环修正系数。
[0057]
本发明还提供了一种基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0058]
s1，基于燃气机的排气温度t
exh
、排气流量g
exh
及相应工况的累计运行时间t，建立燃气机催化转化器老化模型m
cat
；所述燃气机催化转化器老化模型m
cat
为基础催化转化器老化脉谱，其横坐标为横坐标为排气温度t
exh
、纵坐标为排气流量g
exh
，脉谱值代表基础老化系数l0。
[0059]
发动机配置有排气温度传感器、进气流量传感器，排气温度传感器实测值即为t
exh
。排气流量由如下公式得到：
[0060]gexh
＝g
air
g
fuel
[0061]
式中，g
air
为进气流量传感器实测值，g
fuel
为燃气喷射系统模型计算得到的燃料消耗量。
[0062]
s2，基于燃气机的催化转化器老化模型m
cat
，计算得到催化转化器的老化系数l
α
；
[0063]
采用如下公式计算催化转化器的老化系数：
[0064][0065]
式中：l1、l2、li代表基于催化转化器基础老化脉谱得到的相应工况老化系数；t1、t2、ti代表相应工况的运行时间；∑t代表总运行时间。
[0066]
s3，根据催化器的老化系数对应的分级区间，匹配相对应的催化器效率窗口脉谱；
[0067]
具体地，当催化转化器的老化系数lα大于等于1且小于第一阈值y1时，输出第一脉谱m1作为的催化器效率窗口脉谱mx。
[0068]
当催化转化器的老化系数lα大于等于第一阈值y1且小于第二阈值y2时，输出第二脉谱m2作为的催化器效率窗口脉谱mx。
[0069]
当催化转化器的老化系数lα大于等于第二阈值y2且小于第三阈值y3时，输出第三脉谱m3作为的催化器效率窗口脉谱mx。
[0070]
s4，基于催化器效率窗口脉谱、目标空燃比及空燃比闭环修正系数，计算得到燃气机的空燃比输出值。
[0071]
燃气机的空燃比l
lam
的计算公式如下：
[0072][0073]
上式中，l
lams
代表目标空燃比，l
laso
代表基于催化器效率窗口脉谱得到的空燃比修正值，f代表空燃比闭环修正系数。
[0074]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介
质上存储有基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法程序，所述基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制程序被车辆控制器执行时实现上述技术方案中所述基于催化器老化模型的燃气机空燃比控制方法的步骤。
[0075]
在此，需要说明的是，上述技术方案的描述是示例性的，本说明书可以以不同形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的技术方案。相反，提供这些说明将使得本发明公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本说明书所公开的范围。此外，本发明的技术方案仅由权利要求的范围限定。
[0076]
用于描述本说明书和权利要求的各方面公开的形状、尺寸、比率、角度和数字仅仅是示例，因此，本说明书和权利要求的不限于所示出的细节。在以下描述中，当相关的已知功能或配置的详细描述被确定为不必要地模糊本说明书和权利要求的重点时，将省略详细描述。
[0077]
在使用本说明书中描述的“包括”、“具有”和“包含”的情况下，除非使用否则还可以具有另一部分或其他部分，所用的术语通常可以是单数但也可以表示复数形式。
[0078]
应该指出，尽管在本说明书可能出现并使用术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”等来描述各种不同的组件，但是这些成分和部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个成分和部分和另一个成分和部分。例如，在不脱离本说明书的范围的情况下，第一部件可以被称为第二部件，并且类似地，第二部件可以被称为第一部件，顶部和底部的部件在一定情况下，也可以彼此对调或转换；一端和另一端的部件可以彼此性能相同或者不同。
[0079]
此外，在构成部件时，尽管没有其明确的描述，但可以理解必然包括一定的误差区域。
[0080]
在描述位置关系时，例如，当位置顺序被描述为“在...上”、“在...上方”、“在...下方”和“下一个”时，除非使用“恰好”或“直接”这样的词汇或术语，此外则可以包括它们之间不接触或者接触的情形。如果提到第一元件位于第二元件“上”，则并不意味着在图中第一元件必须位于第二元件的上方。所述部件的上部和下部会根据观察的角度和定向的改变而改变。因此，在附图中或在实际构造中，如果涉及了第一元件位于第二元件“上”的情况可以包括第一元件位于第二元件“下方”的情况以及第一元件位于第二元件“上方”的情况。在描述时间关系时，除非使用“恰好”或“直接”，否则在描述“之后”、“后续”、“随后”和“之前”时，可以包括步骤之间并不连续的情况。本发明的各种实施方案的特征可以部分地或全部地彼此组合或者拼接，并且可以如本领域技术人员可以充分理解的以各种不同地构造来执行。本发明的实施方案可以彼此独立地执行，或者可以以相互依赖的关系一起执行
[0081]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0082]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序
指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0083]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0084]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0085]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。
[0086]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。