專利名稱：基于氮氧化物排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及重型電控柴油發(fā)動機(jī)油耗與排放，具體涉及一種基于氮氧化物(NOx) 排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放與油耗平衡方法。
背景技術(shù)：
國家法規(guī)對重型車用柴油發(fā)動機(jī)排放要求越來越嚴(yán)，而油耗問題是用戶關(guān)注的永 恒話題，如何平衡柴油機(jī)排放及油耗是業(yè)內(nèi)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于氮氧化物排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡 方法，能平衡柴油機(jī)排放與油耗。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于NOx排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油 耗平衡方法，包括如下步驟(1)選定柴油機(jī)機(jī)型，設(shè)定發(fā)動機(jī)的外特性曲線及調(diào)速特性曲線，進(jìn)而計算13工 況點的轉(zhuǎn)速和功率，得到除怠速點外的12工況點的功率矩陣；(2)以一定的采樣頻率采集發(fā)動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速和功率，根據(jù)采樣頻率統(tǒng)計除怠速 點外的12工況點的的運行時間，得到12工況點的運行時間矩陣；(3)根據(jù)發(fā)動機(jī)各工況點的渦前排氣溫度及增壓器轉(zhuǎn)速設(shè)置除怠速點外的12工 況點的可靠性風(fēng)險系數(shù)，得到12工況點的可靠性風(fēng)險系數(shù)矩陣；(4)根據(jù)12工況點的功率矩陣、12工況點的運行時間矩陣、以及12工況點的可靠 性風(fēng)險系數(shù)矩陣確定12工況點氮氧化物綜合權(quán)重系數(shù)矩陣；(5)確定以各工況點的比排放量計算總的氮氧化物比排放量時各工況點的加權(quán)系 數(shù)，進(jìn)而確定各工況點的加權(quán)系數(shù)矩陣；(6)確定怠速點氮氧化物排放貢獻(xiàn)值和12工況點總氮氧化物排放目標(biāo)值；(7)根據(jù)氮氧化物綜合權(quán)重系數(shù)矩陣、加權(quán)計算系數(shù)矩陣、12工況點總氮氧化物 排放設(shè)計目標(biāo)值建立發(fā)動機(jī)的氮氧化物排放設(shè)計值模型，該氮氧化物排放設(shè)計值模型包含 12工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值；(8)調(diào)整柴油機(jī)的噴油正時、軌壓、預(yù)噴油量、預(yù)噴時間、后噴油量、后噴時間、循環(huán) 噴油量參數(shù)，直到柴油機(jī)12工況點的排放實際值等于所述氮氧化物排放設(shè)計值模型中12 工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值。在本發(fā)明的一個實施例中，所述方法還包括(9)對所述氮氧化物排放設(shè)計值模型進(jìn)行線性插值，得到氮氧化物排放設(shè)計擴(kuò)展 模型，該氮氧化物排放設(shè)計擴(kuò)展模型包含排放控制區(qū)內(nèi)各工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值。由上可知，本發(fā)明基于NOx排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法先通過確 定發(fā)動機(jī)ESC各工況點的NOx綜合權(quán)重系數(shù)，建立NOx排放設(shè)計值模型，然后按照該NOx排放設(shè)計值模型中12工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值調(diào)整柴油機(jī)燃燒參數(shù)，最終實現(xiàn)柴 油機(jī)的排放滿足國家法規(guī)要求，同時實際工作過程中常用工況區(qū)能夠獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì) 性。通過以下的描述 并結(jié)合附圖，本發(fā)明將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明 的實施例。


圖1為本發(fā)明基于NOx排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法的流程圖。圖2為圖1所述方法中確定12工況點的運行時間矩陣涉及的實車運行實測發(fā)動 機(jī)運行工況圖。圖3為圖1所述方法中確定12工況點NOx綜合權(quán)重系數(shù)矩陣的NOx權(quán)重系數(shù)示 意圖。圖4為圖1所述方法得到的12工況NOx排放設(shè)計值模型示意圖。圖5為圖1所述方法得到的NOx排放設(shè)計擴(kuò)展模型。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例，附圖中類似的元件標(biāo)號代表類似的元件。在說明本發(fā)明基于NOx排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法的具體步驟 之前，先說明本方法的理論原理。GB17691-2005排放法規(guī)中ESC排放中NOx計算式如下
_ V NOx χ WFNOx = nt T 胃‘< 5.0g/(kWh)( 1 )
ZuP(^)1 XWF1式中為總的NOx比排放量，應(yīng)該滿足ESC試驗NOx限值5g/ (kffh)，i為工況 的序號，取值為1至13 ；WFi為法規(guī)給定的第i工況的加權(quán)系數(shù)；P (Ii)i為第i工況的功率， 單位為kW ；NOxfflass為NOx質(zhì)量流量，由稀釋排氣中的NOx的平均濃度計算得到，單位為(g/ h)。以各工況點的比排放量計算總的NOx比排放量—的公式為
-YNOx χ WF
「00281 NOx = --r^i-L
Σ Pin), xWF,
NOx
y-^ X WFi χ Ρ(η).= Pin),__
“ YPi^1XWF1= Σ BSNOxi χ WFri式中，BSNOxi =表示第i個工況點的NOx比排放量，
哪P(Tr)1XWF1
WFr, =^P(nyxWFi表示以各工況點的比排放量計算總的NOx比排放量時第i個工況點 的加權(quán)系數(shù)。由于第i工況的功率P(Ii)i可以采集得到，而WFi為定值，故第i個工況點的加權(quán)系數(shù)WFri可以計算得到。為了使13工況點總排放量滿足ESC試驗NOx限值5g/(kWh)，因此只需要對各個工況點的NOx比排放量BSNOxi進(jìn)行設(shè)計。在加權(quán)計算結(jié)果滿足ESC試驗NOx限值5g/(kWh)的前提下，設(shè)計各個工況點的 NOx比排放量BSNOxi時，可以結(jié)合油耗的因素，使得各個工況點的NOx比排放量BSNOxi既 滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足用戶對油耗的要求，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和排放的平衡。得到最佳組合方式的13工況點的NOx比排放設(shè)計值后，根據(jù)該最佳組合方式的13 工況點的NOx比排放設(shè)計值來調(diào)整柴油機(jī)燃燒參數(shù)(循環(huán)噴油量、噴油正時、軌壓、預(yù)噴油 量、預(yù)噴正時、后噴油量、后噴正時等)，可實現(xiàn)柴油機(jī)工作過程的排放與油耗平衡。式(2)是某個工況點的油耗計算公式工況點油耗A = ρ · t · ge (2)式中，A是該工況點的油耗，t為發(fā)動機(jī)在該工況點的運行時間，單位為h ；ρ為該 工況點的負(fù)荷即功率，單位為kW ；ge是該工況的比油耗，單位為g/(kWh)。由⑵式可知，在發(fā)動機(jī)的比油耗ge—定時，功率ρ與運行時間t的乘積越大，油 耗A越高。即功率ρ和運行時間t是表征油耗權(quán)重的因子，而油耗與NOx直接相關(guān)，所以pt 為表征NOx權(quán)重的因子，pt越大，NOx權(quán)重越高。對于指定工況，降低NOx排放值會導(dǎo)致渦前排溫和增壓器轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)NOx降低 到一定程度時，會導(dǎo)致增壓器轉(zhuǎn)速和排溫超過可靠性設(shè)計限值，增加發(fā)動機(jī)的零件失效風(fēng) 險。因此，在設(shè)定NOx排放設(shè)計值時應(yīng)考慮該工況點的增壓器轉(zhuǎn)速和排溫超過設(shè)計限值的 風(fēng)險，風(fēng)險系數(shù)越大，NOx權(quán)重越高。根據(jù)以上分析，得到指定工況點在某種特定運行工況下的NOx綜合權(quán)重系數(shù)計算 公式fi = ρ · t · r (3)式中4為NOx權(quán)重系數(shù)，r為可靠性風(fēng)險系數(shù)。基于上述NOx排放值設(shè)計需考慮的因素，下面具體說明本方法。如圖1，所述基于 NOx排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法包括如下步驟步驟Si，對以指定機(jī)型的柴油機(jī)，首先綜合客戶需求及產(chǎn)品特點設(shè)定發(fā)動機(jī) 的外特性曲線和調(diào)速特性曲線，并根據(jù)發(fā)動機(jī)的外特性曲線及調(diào)速特性曲線依據(jù)法規(guī) GB17691-2005計算ESC13工況點的轉(zhuǎn)速、功率，由轉(zhuǎn)速及功率確定工況點，進(jìn)而得到該發(fā)動 機(jī)除怠速點外的12工況點所對應(yīng)的功率矩陣，如下式所示
Pal Pbl PclP =凡2 Pb2 Pc2
Pa3 Pb3 Pc3
_Pa4 PbA Pc4_其中，P為12工況點所對應(yīng)的功率矩陣，Pal、Pa2、Pa3、Pa4分別表示A轉(zhuǎn)速100%負(fù) 荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的功率，Pbl、pb2、pb3、Pb4分別表示B轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、 75%負(fù)荷、50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的功率，PwPc^Pd4分別表示C轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75% 負(fù)荷、50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的功率步驟S2，使用測試工具以一定的采樣頻率采集所述柴油機(jī)發(fā)動機(jī)在實際工況下的 轉(zhuǎn)速、扭矩(負(fù)荷)，由轉(zhuǎn)速及功率確定工況點，根據(jù)采樣頻率統(tǒng)計ESC12工況點(除怠速外)的的運行時間，進(jìn)而確定該發(fā)動機(jī)除怠速點外的12工況點所對應(yīng)的運行時間矩陣，如 下式所示
^al hi Kl
T — ta2 tbl t 2
丄一
t a3 tb3 tc3 Ja4 ^bA ^cA _其中！“表示運行時間矩陣，‘”^^^‘表示六轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50% 負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的運行時間，tbl、tb2、tb3、tb4表示B轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù) 荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的運行時間，t^tmtmU表示C轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75%負(fù)荷、50%負(fù)荷， 25%負(fù)荷對應(yīng)的運行時間。其中，采樣頻率一般為1Hz。圖2是實車運行實測的一種運行工況圖，底面即由轉(zhuǎn) 速和負(fù)荷決定的發(fā)動機(jī)工況面，縱坐標(biāo)即為該工況運行時間。步驟S3，根據(jù)發(fā)動機(jī)ESC各工況點的渦前排氣溫度及增壓器轉(zhuǎn)速設(shè)置ESC12工況 點(除怠速外)的可靠性風(fēng)險系數(shù)，進(jìn)而確定該發(fā)動機(jī)除怠速點外的12工況點的可靠性風(fēng) 險系數(shù)矩陣。對于ESC試驗工況點B及C轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷工況，如果NOx排放設(shè)計值過小會導(dǎo)致 增壓器轉(zhuǎn)速與渦前排溫超過可靠性設(shè)計限值，影響發(fā)動機(jī)的可靠性，故應(yīng)適當(dāng)加大這些點 的NOx權(quán)重。
ra\ rb\ rc\ Γλλι_λ πra2 rb2 rc2R=
rai rb3 rc3
JaA rb4 rc4 _其中，R表示可靠性風(fēng)險系數(shù)矩陣，ral、ra2、ra3、ra4表示A轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75%負(fù) 荷、50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的可靠性風(fēng)險系數(shù)，rbl、rb2、rb3、rb4表示B轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、75% 負(fù)荷、50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對應(yīng)的可靠性風(fēng)險系數(shù)，rcl, r。2、rc3> rc4表示C轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷、 75 %負(fù)荷、50 %負(fù)荷，25 %負(fù)荷對應(yīng)的可靠性風(fēng)險系數(shù)。一般rel最大，rbl、ral次之，其余可取1。步驟S4，步驟Sl確定的對應(yīng)12工況點的功率矩陣、步驟S2確定的12工況點的運 行時間矩陣、以及步驟S3確定的12工況點的可靠性風(fēng)險系數(shù)矩陣確定12工況點的NOx綜 合權(quán)重系數(shù)矩陣，如下式
fal fbl fc\f-
Ja , Jb3 Jc3 _fa4 fb4 fc4 _式中:f為 NOx 綜合權(quán)重系數(shù)矩陣，fal = PalXtalXral, fa2 = Pa2Xta2Xra2, fa3 = Pa3Xta3Xra3, fa4 = Pa4Xta4Xra4，表示 A 轉(zhuǎn)速 100%負(fù)荷，75%負(fù)荷，50%負(fù)荷，25%負(fù)荷對 應(yīng)的 NOx 綜合權(quán)重系數(shù)；fbl = PblXtblXrbl, fb2 = Pb2Xtb2Xrb2, fb3 = Pb3Xtb3Xrb3, fb4 = Pb4 X tb4 X rb4，表示B轉(zhuǎn)速100 %負(fù)荷，75 %負(fù)荷，50 %負(fù)荷，25 %負(fù)荷對應(yīng)的NOx綜合權(quán)重系 數(shù)；fci = PdXtclXrcl,fc2 = pc2Xtc2Xrc2,fc3 = Pc3Xtc3Xrc3^c4 = Pc4X tc4Xrc4，表示 C 轉(zhuǎn)速1OO %負(fù)荷，75 %負(fù)荷，50 %負(fù)荷，25 %負(fù)荷對應(yīng)的NOx綜合權(quán)重系數(shù)。 根據(jù)上式，得到如圖3所示的發(fā)動機(jī)NOx綜合權(quán)重系數(shù)圖。步驟S5，計算以各工況點的比排放量計算總的NOx比排放量時各工況點的加權(quán)系 數(shù)，進(jìn)而確定各工況點的加權(quán)系數(shù)矩陣。其中，各工況點的加權(quán)系數(shù)的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于氮氧化物排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法，包括如下步驟(1)選定柴油機(jī)機(jī)型，設(shè)定發(fā)動機(jī)的外特性曲線及調(diào)速特性曲線，進(jìn)而計算13工況點 的轉(zhuǎn)速和功率，得到除怠速點外的12工況點的功率矩陣；(2)以一定的采樣頻率采集發(fā)動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速和功率，根據(jù)采樣頻率統(tǒng)計除怠速點外 的12工況點的的運行時間，得到12工況點的運行時間矩陣；(3)根據(jù)發(fā)動機(jī)各工況點的渦前排氣溫度及增壓器轉(zhuǎn)速設(shè)置除怠速點外的12工況點 的可靠性風(fēng)險系數(shù)，得到12工況點的可靠性風(fēng)險系數(shù)矩陣；(4)根據(jù)12工況點的功率矩陣、12工況點的運行時間矩陣、以及12工況點的可靠性風(fēng) 險系數(shù)矩陣確定12工況點氮氧化物綜合權(quán)重系數(shù)矩陣；(5)確定以各工況點的比排放量計算總的氮氧化物比排放量時各工況點的加權(quán)系數(shù)， 進(jìn)而確定各工況點的加權(quán)系數(shù)矩陣；(6)確定怠速點氮氧化物排放貢獻(xiàn)值和12工況點總氮氧化物排放目標(biāo)值；(7)根據(jù)氮氧化物綜合權(quán)重系數(shù)矩陣、加權(quán)計算系數(shù)矩陣、12工況點總氮氧化物排放 設(shè)計目標(biāo)值建立發(fā)動機(jī)的氮氧化物排放設(shè)計值模型，該氮氧化物排放設(shè)計值模型包含12 工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值；(8)調(diào)整柴油機(jī)的噴油正時、軌壓、預(yù)噴油量、預(yù)噴時間、后噴油量、后噴時間、循環(huán)噴油 量參數(shù)，直到柴油機(jī)12工況點的排放實際值等于所述氮氧化物排放設(shè)計值模型中12工況 點氮氧化物的比排放設(shè)計值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于氮氧化物排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法，其 特征在于，還包括(9)對所述氮氧化物排放設(shè)計值模型進(jìn)行線性插值，得到氮氧化物排放設(shè)計擴(kuò)展模型， 該氮氧化物排放設(shè)計擴(kuò)展模型包含排放控制區(qū)內(nèi)各工況點氮氧化物的比排放設(shè)計值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于氮氧化物排放設(shè)計值模型的柴油機(jī)排放油耗平衡方法，包括步驟確定12工況點對應(yīng)的功率矩陣；確定12工況點的運行時間矩陣；確定12工況點的可靠性風(fēng)險系數(shù)矩陣；確定12工況點NOx綜合權(quán)重系數(shù)矩陣；確定以各工況點的比排放量計算總的比排放量時的加權(quán)系數(shù)矩陣；確定怠速點NOx排放貢獻(xiàn)值和12工況點NOx總排放目標(biāo)值；建立發(fā)動機(jī)NOx排放設(shè)計值模型；根據(jù)NOx排放設(shè)計值模型中12工況點NOx比排放設(shè)計值調(diào)整柴油機(jī)燃燒參數(shù)以平衡柴油機(jī)排放與油耗。按照本方法NOx排放設(shè)計值模型中12工況點NOx比排放設(shè)計值調(diào)整柴油機(jī)燃燒參數(shù)后，柴油機(jī)實際工作中的常用工況區(qū)油耗顯著改善，總排放滿足法規(guī)要求。
文檔編號G06F19/00GK102063561SQ20101058325
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者劉亞貴, 劉利, 肖彬, 舒宇舟, 高峻 申請人:東風(fēng)康明斯發(fā)動機(jī)有限公司