用于控制NOx的系统和方法与流程

本申请要求2011年11月22日提交的韩国专利申请第 10-2011-0122438号的优先权，该申请的全部内容并入此处作为参考用于所有目的。

技术领域

本发明涉及用于控制NO_x的系统和方法。更特别地，本发明涉及用于控制NO_x的系统和方法，所述系统和方法能够在没有额外的NO_x传感器的情况下预测车辆的发动机中生成的NO_x量，并能通过使用预测的NO_x量控制NO_x。

背景技术：

由于对具有内燃机的车辆的排气规范变得越来越严格，所以要求在内燃机的操作过程中减少排放。一种减少排放的方法是，在空气/燃料混合物的燃烧过程中，减少在内燃机的每个气缸中生成的排放。

另一种减少排放的方法是，在内燃机中使用排放气体的后处理系统。排放气体的后处理系统适用于将在空气/燃料混合物的燃烧过程中在每个气缸生成的有毒材料转化为无害材料。为了这个目的，使用催化转化器以将一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物转化为无害材料。

为了有效地通过使用排放气体的催化转化器转化有毒材料，用于控制NO_x的技术是必须的。为了控制NO_x，必须精确地预测发动机中生成的NO_x量。

根据常规技术，使用用于分析排放气体的装置或用于检测NO_x量的传感器以精确地预测NO_x量。如果使用用于分析排放气体的装置或用于检测NO_x量的传感器，成本可能增加。此外，发动机排放气体中的组合物可能污染用于分析排放气体的装置或用于检测NO_x量的传感器，且传感器自身会发生故障。

为了解决上述问题，开发了用于预测NO_x量的技术。然而，根据该技术由于非常复杂的计算过程和非常简化的假定（为了简化计算过程），可靠性可能下降。

因为根据该技术难以得到精确的和可靠的NO_x量，因而不可依靠基于预测的NO_x量的用于控制NO_x的方法。

公开于此背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的多个方面提供用于控制NO_x的系统和方法，所述系统和方法具有通过使用发动机的燃烧压力和发动机的驱动变量而不使用用于额外的分析排放气体的装置或用于检测NO_x量的传感器，而精确地预测NO_x量的优点，以及通过使用精确地预测的NO_x量提高NO_x控制可靠性的优点。

本发明的多个方面提供用于控制NO_x的方法，所述方法可包括通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量；比较NO_x预测量与预定的NO_x目标量；和控制NO_x生成量从而使得NO_x预测量遵循NO_x目标量。

本方法可在车辆行驶过程中连续地重复。

可控制NO_x生成量，使得当NO_x预测量小于NO_x目标量时控制车辆进入燃料消耗模式或输出提高模式，而当NO_x预测量大于NO_x目标量时，控制车辆进入排放模式。

NO_x生成量的控制可通过控制燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力中的至少一种进行。

NO_x生成量的预测可包括：通过使用发动机的燃烧压力和发动机的驱动变量计算NO生成速率；通过使用发动机的燃烧压力得到NO 生成周期；基于NO生成速率和NO生成周期计算NO生成量；以及根据NO生成量和发动机的驱动条件，基于NO和NO₂之间的比例得到 NO₂生成量，预测NO_x生成量。

发动机的驱动变量可括燃料量、发动机速度（RPM）、空气/燃料比（AF）和EGR信息中的至少一个。

可如下计算NO生成速率：

其中d[NO]/dt为NO生成速率对时间，T为经燃烧的气体温度，[O₂] 为燃烧室中的氧浓度，[N₂]为燃烧室中的氮浓度，且A和B是常数。

可通过使用MFB40-80区域或MFB50-90区域得到NO生成周期。

本发明的多个方面提供用于控制NO_x的系统，所述系统可包括适用于通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量的测量部分；适用于比较NO_x预测量与预定的NO_x目标量的确定部分；和适用于控制NO_x生成量使得NO_x预测量遵循NO_x目标量的控制部分。

控制部分可适用于当NO_x预测量小于NO_x目标量时控制车辆进入燃料消耗模式或输出提高模式，而当NO_x预测量大于NO_x目标量时，控制车辆进入排放模式。

控制部分可通过控制燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力中的至少一种来控制NO_x生成量。

虚拟传感器可适用于通过使用发动机的燃烧压力和发动机的驱动变量计算NO生成速率，通过使用发动机的燃烧压力得到NO生成周期，基于NO生成周期计算NO生成量，以及根据NO生成量和发动机的驱动条件，基于NO和NO₂之间的比例得到NO₂生成量，预测NO_x生成量。

发动机的驱动变量可括燃料量、发动机速度（RPM）、空气/燃料比（AF）和EGR信息中的至少一个。

可如下计算NO生成速率：

其中d[NO]/dt为NO生成速率对时间，T为经燃烧的气体温度，[O₂] 为燃烧室中的氧浓度，[N₂]为燃烧室中的氮浓度，且A和B是常数。

可通过使用MFB40-80区域或MFB50-90区域得到NO生成周期。

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。

附图说明

图1为根据本发明的用于控制NO_x的示例性系统的示意图。

图2A和图2B为用于显示EGR率或喷射正时与NO_x生成量之间的关系的图。

图3为根据本发明的用于控制NO_x的示例性方法的流程图。

图4为根据本发明的预测NO_x生成量的示例性流程图。

图5为根据本发明的预测NO_x生成量的示例性方框图。

图6为用于显示氧浓度、氮浓度或经燃烧的气体温度与NO生成速率之间的关系的图。

图7为用于显示根据本发明的NO生成周期的示例性图。

图8为用于显示根据本发明的NO生成量的示例性图。

具体实施方式

下面将对本发明的多个实施方案详细地作出引用，这些实施方案的实施例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等价形式及其它实施方案。

图1为根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的系统的示意图。

如图1中所示，根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的系统1包括用于通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量的测量部分10、用于比较NO_x预测量与预定的NO_x目标量的确定部分20、和用于控制 NO_x生成量使得NO_x预测量遵循NO_x目标量的控制部分30。

测量部分10适用于预测NO_x生成量。测量部分10，不同于传统技术，适用于通过使用虚拟传感器而不使用额外的用于检测NO_x量的传感器来预测NO_x生成量。

由于本发明的多个实施方案通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量，排放气体中含有的组合物不会污染传感器，且传感器不会发生故障。

将在后文中描述通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量的方法。

同时，确定部分20实时比较由测量部分10预测的NO_x生成量与预定的NO_x目标量。NO_x目标量可根据环境条件或车辆的驾驶状况而变化。因此，可考虑到环境条件或车辆的驾驶状况而预先存储NO_x目标量。

控制部分30适用于控制NO_x生成量使得NO_x预测量为NO_x目标量。车辆的ECU（电控单元）可为控制部分30。

在多个实施方案中，控制部分30可适用于当NO_x预测量小于NO_x目标量时控制车辆进入燃料消耗模式或输出提高模式，而当NO_x预测量大于NO_x目标量时，控制车辆进入排放模式。

当确定部分20的比较结果显示NO_x预测量小于NO_x目标量时，可增加NO_x生成量。因此，控制部分30控制车辆在燃料消耗模式或输出提高模式下运行，并相应地增加NO_x生成量以达到NO_x目标量。测量部分10实时检测NO_x生成量，而确定部分20连续地确定NO_x生成量是否达到NO_x目标量。因此，控制部分30连续地控制车辆的驱动模式。

同时，当确定部分20的比较结果显示NO_x预测量大于NO_x目标量时，控制部分30控制车辆在排放模式下运行以减少NO_x。

在多个实施方案中，控制部分30可通过控制燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力中的至少一种来控制NO_x生成量。如图2A 中所示，随着EGR率降低，NO_x排放增加。相反，如图2B中所示，随着燃料喷射正时提前，NO_x排放增加。由于燃料量和增压压力与NO_x排放相关，控制部分30控制燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力中的至少一种，从而使得由测量部分10预测的NO_x预测量达到 NO_x目标量。

下面将参考所附附图对根据本发明的多个实施方案的用于控制 NO_x的方法进行具体描述。

如图3中所示，根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的方法可包括：在步骤S10通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量，在步骤 S20比较NO_x预测量与预定的NO_x目标量，以及在步骤S30控制NO_x生成量从而使得NO_x预测量遵循NO_x目标量。

即，根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的方法适用于，通过使用不具有实际的NO_x传感器的虚拟传感器，实时预测NO_x生成量，以及控制预测的NO_x生成量以达到预定的NO_x目标量。

首先，在步骤S10通过使用虚拟传感器预测NOx生成量。

将参考所附附图详细地描述步骤S10，在所述步骤S10中通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量。

通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量可被应用至用于控制NO_x的系统。

图4为根据本发明的多个实施方案预测NO_x生成量的流程图，而图5为根据本发明的多个实施方案预测NO_x生成量的方框图。

如图4和图5中所示，其中根据本发明的多个实施方案预测NO_x生成量的步骤S10包括：在步骤S11通过使用发动机的燃烧压力100 和发动机的驱动变量200计算NO生成速率300；在步骤S12通过使用发动机的燃烧压力100得到NO生成周期400；在步骤S13基于NO生成速率300和NO生成周期400计算NO生成量500；以及在步骤S14 根据NO生成量500和发动机的驱动条件，基于NO和NO₂之间的比例得到NO₂生成量，预测NO_x生成量。

首先，在步骤S11通过使用发动机的燃烧压力100和发动机的驱动变量200计算NO生成速率300。

发动机的驱动变量200包括燃料量210（m_燃料）、发动机速度220 （RPM）、空气/燃料比230（AF）和EGR信息240如EGR量和EGR 率（EGR_率）。基于发动机的驱动变量200计算NO生成速率300。

在多个实施方案中，NO生成速率300从方程1计算。

方程1：

在方程1中，d[NO]/dt为NO生成速率300，T为经燃烧的气体温度310，[O₂]为燃烧室中的氧浓度320，[N₂]为燃烧室中的氮浓度330，且A和B是通过实验或分析得到的常数。在多个实施方案中，A可为 6*10¹⁶和B可为-69090。

因此，为了计算NO生成速率300（d[NO]/dt），应当知道燃烧室中的经燃烧的气体温度（T）310、氧浓度[O₂]320和氮浓度[N₂]330。

下文中将描述得到燃烧室中的经燃烧的气体温度（T）、氧浓度[O₂] 和氮浓度[N₂]的方法。

燃烧室中的经燃烧的气体温度（T=T_{经燃烧的气体}）310可通过考虑绝热火焰温度（T_ad）以及由燃烧时的压力升高导致的燃烧室中的经燃烧的气体的温度升高而计算得到。

在多个实施方案中，燃烧室中的经燃烧的气体温度310可从方程2 计算。

方程2：

在方程2中，T_{经燃烧的气}体为经燃烧的气体温度（T）310，T_ad为绝热火焰温度，P_i为燃烧开始时的压力，P_max为最大燃烧压力，且k为比热比，即Cv（恒定体积下的比热）与Cp（恒定压力下的比热）的比。

P_i（燃烧开始时的压力）和P_max（最大燃烧压力）可通过检测发动机的燃烧压力100的发动机的燃烧压力传感器进行检测，且其上的信息被转化为电讯号并传送至车辆的控制部分如ECU（电控单元）。

在多个实施方案中，方程2中的绝热火焰温度（T_ad）可从方程3 计算。

方程3：

T_ad＝(5.7401×[O₂]²-4.6043×[O₂]+1.2616)×T_SOC+(-22072×[O₂]²+16718×[O₂]-302.76)

在方程3中，T_soc为在燃烧开始时燃烧室中的温度，且[O₂]为燃烧室中的氧浓度320。

如图5中所示，从燃烧室中的燃烧压力100和放热率（HRR）确定燃烧开始（SOC），在燃烧开始时燃烧室中的温度（T_soc）通过使用确定的燃烧开始（SOC）得到。

在多个实施方案中，在燃烧开始时燃烧室中的温度（T_soc）可从方程3-1得到。

方程3-1：

T_SOC＝P_iV/mR

这里，P_i为燃烧开始时的压力，并在上述确定的燃烧开始（SOC）通过发动机的燃烧压力传感器检测，且R为理想气体方程的气体常数。

此外，m代表气缸中气体混合物的量，并可从方程3-2得到。

方程3-2：

m＝AF×m_燃料/(1-EGR_率)

这里，AF为空气/燃料比230，且m_燃料为可从车辆的ECU讯号得知的燃料量210。AF和m_燃料两者均被输入作为发动机的驱动变量200。

同时，V为燃烧开始时的体积，并可从方程3-3计算。

方程3-3：

R＝r·a

这里，V_c为余隙容积，r_c为压缩比，r为连杆的长度，a为曲柄偏心，B为气缸直径，且S为活塞的冲程。

因此，燃烧开始时燃烧室中的温度（T_soc）可通过将从方程3-2和方程3-3计算得到的m和V代入方程3-1得到。

同时，应当计算燃烧室中的氧浓度[O₂]从而得到绝热火焰温度（T_ad），而该方法将在后文中描述。

如果得到了燃烧室中的氧浓度[O₂]320，可从方程3得知绝热火焰温度（T_ad），如图5中所示，且燃烧室中的经燃烧的气体温度（T=T_经燃烧的气体）310也可通过使用绝热火焰温度（T_ad）得到。

在多个实施方案中，方程1中所示的燃烧室中的氧浓度[O₂]和氮浓度[N₂]可由方程4计算得到。

方程4：

O_{2_in}＝(1-EGR_率)×O_{2_Atr}[体积,％]+EGR_率×O_{2_EGR}[体积,％]

N_{2_in}＝(1-EGR_率)×N_{2_Atr}[体积,％]+EGR_率×N_{2_EGR}[体积,％]

在方程4中，O_{2_in}和N_{2_in}为燃烧室中的氧浓度[O₂]和氮浓度[N₂]， EGR率为EGR率，O_{2_Air}[体积%]和N_{2_Air}[体积%]为在空气中的氧和氮浓度，且O_{2_EGR}[体积%]和N_{2_EGR}[体积%]为在EGR气体中的氧和氮浓度。

即，可基于在进入的空气中的氧浓度O_{2_Air}[体积%]和在EGR气体中的氧浓度O_{2_EGR}[体积%]得到燃烧室中的氧浓度[O₂]320，且可基于在进入的空气中的氮浓度N_{2_Air}[体积%]和在EGR气体中的氮浓度 N_{2_EGR}[体积%]得到燃烧室中的氮浓度[N₂]330。

EGR率（EGR率）为排放气体的再循环比，且可从EGR气体量 /(EGR气体量+进入的空气量)*100，或从（进气管道中的二氧化碳浓度-大气中的二氧化碳浓度）/（排放气体中的二氧化碳浓度-大气中的二氧化碳浓度）的比值计算得到。

O_{2_Air}[体积%]和N_{2_Air}[体积%]为进入的空气中的氧浓度和氮浓度，并可用大气中的氧浓度和氮浓度替代。

O_{2_EGR}[体积%]和N_{2_EGR}[体积%]为在EGR气体中的氧浓度和氮浓度，并可从方程4-1至方程4-3计算得到。

方程4-1：

O_{2_EGR}[体积,％]＝O_{2_EGR}/总_体积

N_{2_EGR}[体积,％]＝N_{2_EGR}/总_体积

总_体积＝O_{2_EGR}+N_{2_EGR}+CO_{2_EGR}+H₂O_{_EGR}

方程4-2：

O_{2_EGR}＝1-z

N_{2_EGR}＝Q

CO_{2_EGR}＝z×e

H₂O_{_EGR}＝2×(1-e)×z

方程4-3：

z＝AF_stoi/AF

e＝4/(4+y)

y＝H/C_率

在方程4-3中，AF为空气/燃料比230并表示燃烧中使用的空气的重量与燃料的重量的比值。在本发明的多个实施方案中，作为发动机的驱动变量200中的一个检测并输入AF。此外，AF_stoi为化学计量的空气/燃料比，并根据燃料的种类确定。AF_stoi为相应的燃料的理想的空气/燃料比。y根据燃料的种类确定，并被定义为在每个相应的燃料的分子式中氢（H）对碳（C）的比值（y=H/C比）。

在方程4-2中，Q为在EGR气体中氮的组分比，并根据燃料确定。例如在柴油燃料中，Q可为3.773。

即，仅仅空气/燃料比（AF）230被检测并代入方程4-1至方程4-3，而剩下的Q、AF_stoi和y均通过燃料的种类确定。

因此，方程4-1中的O_{2_EGR}[体积%]和N_{2_EGR}[体积%]可从方程4-3 和方程4-2计算得到，且燃烧室中的氧浓度[O₂]和氮浓度[N₂]可通过将 O_{2_EGR}[体积%]和N_{2_EGR}[体积%]代入方程4计算得到。

如图5中所示，如果将在上述方法中得到的燃烧室中的氧浓度 [O₂]320代入方程3，可计算得到绝热火焰温度（T_ad），且基于该T_ad从方程2可计算得到经燃烧的气体温度（T）310。

即，根据本发明的多个实施方案，因为可计算得到经燃烧的气体温度（T）310、氧浓度[O₂]320和氮浓度[N₂]330，也可通过将这些值代入方程1计算得到NO生成速率（d[NO]/dt）300。

此外，在步骤S12通过使用发动机的燃烧压力100得到NO生成周期400。

NO生成周期400通过使用NO生成类似于MFB（燃烧质量分数）的变化的现象得到。为此目的，从发动机的燃烧压力100得到放热率（HRR），放热率（HRR）被整合，且基于放热率最大的点计算得到 MFB，如图5中所示。

分析燃烧压力从而作图（参见图7中的单点链线）以表示MFB（燃烧质量分数）的变化，并通过使用该图确定NO生成周期400。

在多个实施方案中，可通过使用MFB40-80区域或MFB50-90区域得到NO生成周期400。如果假定NO生成周期400为其中生成 20%-90%的NO的区域，对应于该区域的MFB区域为MFB40-80区域，如图7中所示。因此，可通过使用MFB40-80区域或MFB50-90区域有效地得到NO生成周期400。即，NO生成周期400为对应于MFB 40-80区域或MFB50-90区域的时期。

如果得到NO生成周期400，在步骤S13基于从方程1得到的NO 生成速率（d[NO]/dt）300和NO生成周期（t）400，计算得到NO生成量500，如图8中所示。

在此之后，在步骤S14通过根据NO生成量500和发动机的驱动条件，基于NO和NO₂之间的比例得到NO₂生成量，预测NO_x生成量 600。

在多个实施方案中，根据发动机的驱动条件从经验式通过NO生成量500和NO₂生成量之间的比例得到NO₂生成量。

在多个实施方案中，可通过NO生成量500和NO₂生成量相加来预测NO_x生成量600。

在此之后，在步骤S20比较预测NO_x生成量与预定的NO_x目标量，如图3中所示。NO_x目标量可根据环境条件或车辆的驾驶状况而变化，并可考虑到环境条件或车辆的驾驶状况而被预先定义。

如果NO_x预测量与NO_x目标量不同，在步骤S30控制NO_x生成量从而使得NO_x预测量遵循NO_x目标量。

在多个实施方案中，当NO_x预测量小于NO_x目标量时在步骤S31 控制车辆进入燃料消耗模式或输出提高模式，而当NO_x预测量大于NO_x目标量时，在步骤S32控制车辆进入排放模式，如图3中所示。

如从方程1中可知，如果控制了经燃烧的气体温度（T）、氧浓度 [O₂]、和氮浓度[N₂]，可控制NO生成速率，因此也可控制NO_x生成量。

特别地，与氮浓度[N₂]相比，氧浓度[O₂]和经燃烧的气体温度（T）对NO_x生成量具有较大影响，如图6中所示。

因此，在多个实施方案中，可通过改变氧浓度[O₂]和经燃烧的气体温度（T）控制NO_x生成量。为了这个目的，可控制车辆的燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力中的至少一种。通常，经燃烧的气体温度（T）根据氧浓度[O₂]，燃料喷射量、燃料喷射正时确定，而氧浓度[O₂]根据EGR率和增压压力确定。

例如，EGR率或燃料喷射正时与NO_x生成量之间的关系在图2中例示。考虑到该关系，车辆的控制部分如ECU可通过控制车辆的燃料量、燃料喷射正时、EGR率、和增压压力来控制NO_x生成量。

同时，根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的方法可在车辆行驶过程中连续地重复。

如上所述，根据本发明的多个实施方案的用于控制NO_x的系统和方法可通过使用数个变量而不使用复杂的计算过程和假定来预测燃烧中生成的NO_x量。此外，由于缩短的计算周期，可实时预测NO_x。由于考虑到预测的NO_x生成量而根据驾驶状况设定NO_x目标量，可减少 NO_x排放并可提高排放性能。此外，通过使用虚拟传感器预测NO_x生成量的技术可应用于NO_x后处理装置，如LNT或SCR。

为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语上或下，前或后，内或外等通过参考附图中所显示的这些特征的位置被用来描述示例性实施方案的特征。

前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不想要成为毫无遗漏的，也不是想要把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等价形式所限定。