用于预测发动机系统中的尿素晶体堆积的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在发动机系统根据期望的驱动循环(intended drivecycle)运行时预测发动机系统中的尿素晶体堆积(urea crystal build-up)的方法，其中，所述发动机系统包括内燃发动机和设有尿素 溶液剂量装置的排气后处理系统。

背景技术

在某个车辆或机器应用中应该选择和使用哪种类型和尺寸的内燃 发动机系统例如取决于该车辆或机器的所述期望的驱动循环，即，例如 发动机速度和发动机扭矩/负载随时间的期望分布或预期分布。如果发 动机太小，则发动机可能经常在非常高的负载下运行，这可能导致相当 大的磨损，而如果发动机太大，则发动机可能在过低负载下运行，这可能导致漏油等。

对于商用车辆，诸如卡车和公共汽车，所述期望的驱动循环通常 可以从已知的道路或路线数据计算出，或者根据从已经沿着期望用于待 选择的发动机系统的新车辆的路线运行的车辆获得的GPS数据计算 出。

对于固定式应用和某些车辆应用，诸如发电机、破碎机和叉车， 计算所述驱动循环可能更加困难，因而更难以正确选择发动机系统。另 外，在这样的固定式应用和特定车辆应用中，执行形成发动机系统的一 部分的排气后处理单元(例如柴油微粒过滤器(DPF))的再生可能更 成问题。虽然卡车和公共汽车的发动机系统的DPF通常会在车辆的运 行期间经受主动再生，或者在不过多影响运行时间的情况下经受强制 “停车”再生，但在导致产生大量烟尘和颗粒的驱动循环下运行的固定 式应用或某些车辆应用中的许多发动机系统不能在运行期间主动再生 DPF，这导致需要频繁的强制再生，这又导致机器或车辆在该应用中的 不可接受的长停机时间。

对于包括设有用于还原氮氧化物(在SCR单元中，选择性催化还 原)的尿素溶液剂量装置的排气后处理系统的发动机系统，还希望避免 尿素晶体在排气系统中的堆积。这样的晶体例如可能导致该系统中的背 压增加，并且尿素晶体通常难以去除。

本发明的目的是提供一种用于在发动机系统根据期望的驱动循环 运行时预测发动机系统中的尿素晶体堆积的方法。该方法可以用于预测 尿素晶体堆积的风险，这进而可用于不仅为上述类型的固定式应用和某 些车辆应用而且为其它应用正确地选择内燃发动机系统。该预测方法对 于规划特定发动机系统的驱动循环也很有用，即，最初的期望的驱动循 环可被调整或调节以避免尿素晶体堆积。

发明内容

本发明涉及一种用于在发动机系统根据期望的驱动循环运行时预 测发动机系统中的尿素晶体堆积的方法，其中，该发动机系统包括内燃 发动机和设有尿素溶液剂量装置的排气后处理系统(EATS)。该方法 包括：

-(S10)提供代表在期望的驱动循环期间内燃发动机的发动机运 行条件的数据，其中，所述数据包括在代表所述期望的驱动循环的时间 段上分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值；

-(S20)确定当发动机系统根据发动机运行条件数据运行时，至 少一个排气参数在所述期望的驱动循环的时间段期间的值和时间变化 (time variation)；

-(S30)提供当发动机系统在不同的发动机运行条件下运行时， 所述至少一个排气参数的值和时间变化与发动机系统中的预期尿素晶体 堆积之间的参考关系；

-(S40)通过将至少一个排气参数的所确定的值和时间变化与所 述参考关系进行比较来预测当发动机系统根据所述期望的驱动循环运行 时所述发动机系统中的尿素晶体堆积；

其中，所述排气参数是以下项中的至少一个：排气温度、排气质 量流量和/或排气能量比，所述排气能量比反映了排气的能量含量与蒸 发所计量供应(dosed)的尿素溶液所需的能量之间的关系。

简而言之，该方法因此可以包括：模拟/计算所述发动机系统根据 所述期望的驱动循环的运行，并确定所述至少一个排气参数(即排气温 度、质量流量和/或能量比)在该驱动循环期间如何变化；将所确定的 排气参数历史与参考数据进行比较；以及，预测针对所讨论的发动机系 统和驱动循环的尿素晶体堆积(的风险)。

本发明部分地基于以下认识：即，每一个排气参数的值和时间变 化实际上可用作尿素晶体堆堆积的指示器。所述参考关系可以基于对发 动机系统的相对大量测试，在这些测试中，发动机系统已经根据各种驱 动循环运行，然后检查实际尿素晶体堆积的量值。通过计算排气参数在 这些测试循环期间的值和时间变化并与实际尿素晶体堆积进行比较，可 以获得排气参数历史与尿素晶体堆积之间的参考关系。

例如，所述参考关系可以说是：如果所述排气参数中的至少一个 在总驱动循环时间段的至少最小部分期间高于对应的阈值绝对值，则不 太可能会发生任何尿素晶体堆积。作为示例，这种参考关系可以用于得 出下列结论：如果所述至少一个排气参数在所述期望的驱动循环期间的 所确定的值和时间变化满足所述阈值/最小时间标准，那么，若发动机系统根据所述期望的驱动循环运行，则所讨论的发动机系统中的尿素晶 体堆积的风险是“低的”或“可接受的”。可以使用更复杂的参考关 系，例如两个排气参数或甚至所有三个排气参数的阈值和最小时间部分 的组合。

不同排气参数的值和时间阈值在不同发动机系统之间可能不同。 作为示例，对于某个发动机系统，可能得出这样的结论：如果进入 EATS的排气的温度(即，在设有涡轮增压器的发动机系统中的涡轮增 压器涡轮下游的温度)在所述期望的驱动循环的总时间的至少50％期间 为至少350℃，或者如果排气质量流量在所述期望的驱动循环的总时间 的至少50％期间为至少0.20kg/s，和/或如果排气能量比在所述期望的 驱动循环的总时间的至少50％期间为至少40，则预计发动机系统中不 会有任何尿素晶体堆积(或者，则尿素晶体堆积的风险是低的/可接受 的)。

至于提供代表在所述期望的驱动循环期间所述内燃发动机的发动 机运行条件的数据的步骤(S10)，该数据可以基于从已经根据所述期 望的驱动循环运行的发动机系统收集的真实运行数据。如果两个发动机 系统的类型和尺寸相同，即，如果要预测其尿素晶体堆积的发动机系统 与已经对其收集了运行数据的发动机系统类似，则在计算排气参数时可 以使用相同的发动机速度和发动机扭矩值。然而，如果例如要预测其尿 素晶体堆积的发动机系统大于已经对其收集了数据的发动机系统，则可 以调整所述真实运行数据以适配于要预测其尿素晶体堆积的发动机系 统。为了将来自第一发动机系统的速度和扭矩转换到大于或小于第一系 统的第二发动机系统，可能涉及到所述驱动循环期间的公共功率输出。 代表在所述期望的驱动循环期间内燃发动机的发动机运行条件的该数据 并非必须是所收集的真实数据，而是例如可以是基于关于所述期望的驱 动循环的信息的模拟数据。

运行数据优选包括在分布在所述期望的驱动循环的总时间上的不 同时间点处的发动机速度和发动机扭矩。每个数据点可以代表某个时间 段元素，并且所有时间段元素可以一起加和成所述期望的驱动循环的时 间段，以便覆盖整个驱动循环。作为示例，所述驱动循环的长度可以在 1-24小时的范围内，而时间段元素的数量可以在3600-850000的范围内。

步骤“(S20)确定当发动机系统根据发动机运行条件数据运行时 至少一个排气参数在所述期望的驱动循环的时间段期间的值和时间变 化”可以通过如下方式执行：将速度和扭矩发动机运行数据导入到发动 机系统计算模型中，该发动机系统计算模型被设置为模拟要确定其适用 性的发动机系统，从而在所述驱动循环的(在某些时间段元素期间的)某些时间点上计算多个结果值，例如排气温度和排气质量流量。

为了计算能量比，还需要有关被计量供应到EATS中的尿素溶液的 量的信息。这样的信息可以根据运行条件(即，发动机速度和扭矩)与 尿素溶液剂量之间的预设关系获得，即在每个时间段元素上根据在该时 间点的速度和扭矩而计量供应的尿素溶液的某个量。因而，用于确定排 气参数的值和时间变化的每个数据点可能与某个时间段元素有关，并且包括发动机速度和扭矩(来自运行数据)以及尿素溶液剂量的量。

虽然通常方便的是在步骤S20中确定所有三个排气参数的值和时 间变化并由此获得预测尿素晶体堆积可能需要的所有数据，但在执行步 骤S40之前不必做出所有的确定，因为仅使用例如排气温度来预测是否 可能发生尿素晶体堆积可能就足够了。

对于步骤S30中提供的参考关系，可以注意到，该步骤通常在该 方法的其它步骤之前执行。

步骤“(S40)通过将所述至少一个排气参数的所确定的值和时间 变化与所述参考关系进行比较来预测当发动机系统根据所述期望的驱动 循环运行时所述发动机系统中的尿素晶体堆积”可以包括：关于所述期 望的驱动循环的总时间的绝对值和时间份额(timefraction)，评估一 个或多个排气参数所具有的值是否高于或低于对应的预设阈值极限。

至于确定排气参数所用的计算，通常可以说该计算能够以各种方 式完成，并且可以使用发动机系统计算模型。这样的模型可能或多或少 有些复杂。下面进一步描述涉及查找表和热力学模拟的有用模型示例的 原理。

排气温度和排气质量流量本身是众所周知的发动机参数，尽管是 在除预测尿素晶体堆积之外的其它应用中。排气能量比反映了排气的能 量含量与蒸发所计量供应的尿素溶液所需的能量之间的关系。该能量比 的分子通常包括取决于排气温度和排气质量流量二者的项，而分母可以 至少包括第一项和第二项，第一项涉及将尿素溶液(通常是水基的)从 喷射温度加热到蒸发温度，第二项涉及(水基)溶液的蒸发热。排气能 量比可以通过至少稍微不同的方式来计算。通常，随着排气参数(即， 排气温度、排气质量流量和排气能量比中的任一个)的增加，尿素晶体 堆积的风险降低。如上所述，至少对于某些发动机系统和某些驱动循 环，如果这三个排气参数中的一个高于给定值/时间阈值，则足以推断 尿素晶体堆积的风险足够小。

在实施例中，代表在所述期望的驱动循环期间的发动机运行条件 的数据是基于在与所述期望的驱动循环相对应的驱动循环期间收集的真 实发动机运行数据。

在实施例中，该方法包括：确定当发动机系统根据所述发动机运 行条件数据运行时，至少两个、优选所有三个排气参数在所述期望的驱 动循环的时间段期间的值和时间变化。

在实施例中，(S20)确定所述至少一个排气参数在所述期望的驱 动循环的时间段期间的值和时间变化的步骤包括：确定所述至少一个排 气参数在代表所述期望的驱动循环的时间段上分布的多个时间点的值。 如上所述，这些时间点中的每一个都可以代表一个时间段元素。

在实施例中，排气温度和/或排气质量流量是从使用发动机速度和 发动机扭矩作为输入数据的发动机计算模型获得的。可以针对所有运行 点(即，针对所有时间段元素)计算排气温度和/或排气质量流量的 值。

在实施例中，排气能量比是从下列分子和分母获得的：i)所述分 子至少取决于排气温度和排气质量流量，和ii)所述分母包括取决于尿 素溶液剂量的量的至少一个项。分子可以是排气质量流量乘以排气(或 空气)的热容量乘以排气温度的乘积。该温度可以是实际温度，或者在 变型例中，该温度可以是高于尿素溶液沸点的温度。分母可以包括各种项，这取决于例如为简化计算中使用的表达式的期望。在一些应用中， 可能适合使用更复杂的表达式以获得足够的准确性。取决于尿素溶液剂 量的量的所述至少一个项可以是i)尿素溶液剂量的量(在某一时间间 隔期间，即速率)乘以将尿素溶液从喷射温度加热到蒸发所需的比能量 (specific energy)的乘积，和/或ii)尿素溶液剂量(或速率)乘以尿素溶液蒸发所需的比能量的乘积。蒸发能量可以包括与蒸发水的能量和蒸 发尿素的能量有关的单独的项。分母中可包括另外的项，例如加热水蒸 气所需的能量。尽管可以以不同的方式计算排气能量比，但它提供了排 气的能量含量与蒸发尿素溶液所需的能量之间的关系的量度。可以为所 有运行点(即，为所有时间段元素)计算排气能量比的值。

在实施例中，(S20)确定所述至少一个排气参数在所述期望的驱 动循环的时间段期间的值和时间变化的步骤包括：确定排气能量比的值 和时间变化，其中，该方法进一步包括：根据发动机运行条件和尿素溶 液剂量的量之间的预设关系，选择与在对应时间点施加的发动机运行条 件相对应的尿素溶液剂量的量。例如，可以提供表格或矩阵，在该表格或矩阵中，作为运行点的函数(即，作为某一发动机速度和某一发动机 扭矩的函数)给出尿素溶液剂量的某个量。由此，可以获得每个时间段 元素的尿素溶液剂量的量。然后，如上所述，可以将尿素溶液剂量的量 与排气温度和排气质量流量一起用于计算每个时间段的排气能量比。

在实施例中，所述参考关系基于对发动机系统的多个测试，在所 述多个测试中，发动机系统已经根据各种驱动循环运行，之后检查实际 的尿素晶体堆积的量值。详细记录所述驱动循环的运行点，以便可以根 据上述内容获得每个时间段元素的排气参数。然后，可将实际的尿素晶 体堆积与每个排气参数的值和时间变化相关。

在实施例中，所述参考关系包括排气参数的阈值和所述期望的驱 动循环的总时间段的对应的最小部分，其中，所述阈值和时间的最小部 分被设置成使得：如果所述至少一个排气参数在所述期望的驱动循环期 间的所确定的值和时间变化使得在总时间段的至少所述最小部分期间超 过排气参数阈值，则发动机系统中的尿素晶体堆积的预测量为零，或低 于尿素晶体堆积的阈值水平。这样的阈值和时间的最小部分可以作为 “可接受性限制”。对于一些发动机系统，排气参数之一满足标准可能 就足够了。即使排气参数中没有一个单独地满足其对应的标准，两个或 多个排气参数的组合标准可用于例如达到“可接受性限制”。

在实施例中，该方法包括确定发动机系统对于所述期望的驱动循 环的适用性的步骤，并且进一步包括关于排气后处理系统中的尿素晶体 堆积确定发动机系统是否适合所述期望的驱动循环。这样的方法中的第 一步骤可以是基于发动机速度和负载来确定适用性。在下一步骤中，可 以关于EATS确定适用性。

在实施例中，该方法包括：确定多个发动机系统对于所述期望的 驱动循环的适用性，其中每个发动机系统均包括内燃发动机和设有尿素 溶液剂量装置的排气后处理系统，并且其中，内燃发动机和/或排气后 处理系统在所述多个发动机系统之间是不同的；以及关于排气后处理系 统中的尿素晶体堆积，比较所述多个发动机系统的适用性。

在实施例中，所述内燃发动机是压燃式发动机，例如是柴油发动 机。通常，发动机系统设有涡轮增压装置，在该装置中，由排气涡轮驱 动的压缩机将进气送入到内燃发动机。由此，优选地，在用于预测尿素 晶体堆积的方法中使用的排气温度应是涡轮下游的温度。

在实施例中，排气后处理系统包括SCR单元，即被配置成使用从 尿素溶液(分解和蒸发之后)获得的化合物还原NO

本发明还涉及计算机实施的发明：

-计算机程序产品，其包括程序代码组件，用于当所述程序在计算 机上运行时执行上述步骤。

-承载计算机程序的计算机可读介质，该计算机程序包括程序代码 组件，用于当所述程序产品在计算机上运行时执行上述步骤。

-用于控制确定发动机系统对于期望的驱动循环的适用性的方法的 控制单元，该控制单元被配置成执行根据上文所述的方法的步骤。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。

在附图中：

图1示出了代表在期望的驱动循环期间的发动机运行条件的数据 图。

图2示意性地示出了根据本公开的方法的图示。

具体实施方式

图1示出了代表在期望的驱动循环期间的发动机运行条件的数据 的图。每个数据点示出了在整个驱动循环时间段的某个时间段元素处的 发动机速度和发动机扭矩。

图1中的不同的线指示不同尺寸的不同发动机系统的满载曲线， 其中，最上面的线代表最大发动机，最下面的线代表最小发动机。如图 1中所示，最大发动机似乎不必要地大，该最大发动机将必须对于所述 期望的驱动循环而言以可能太低的负载运行，而最小发动机太小，尽管 该最小发动机对于平均负载/扭矩可能是足够的，但在所述期望的驱动 循环的大部分时间段元素上无法提供足够的扭矩。因而，图1基于发动 机速度和发动机负载指示了各种发动机系统对于期望的驱动循环的适用 性，但不包括与EATS性能有关的适用性。

本公开的方法的示例在图2中示意性地示出并且可以描述如下：

S10-提供代表在所述期望的驱动循环期间内燃发动机的发动机运 行条件的数据，其中，所述数据包括在代表所述期望的驱动循环的时间 段上分布的至少发动机速度和发动机扭矩的值。

在图1中示出了这样的数据的示例。该数据可以通过收集目前在 应用中使用的(旧)发动机系统的运行数据来获得，在该应用中，希望 将发动机系统替换为新的发动机系统(待确定新发动机系统的适用性， 并预测新发动机系统的尿素晶体堆积)。如果新发动机系统和旧发动机 系统的内燃发动机具有相同的尺寸和类型，则可以使用相同的发动机速度和扭矩值。如果新的内燃发动机具有(显著)不同的尺寸和类型，则 在确定排气参数的值和时间变化之前，可以调整原始速度和扭矩值(以 例如给出相同的功率输出)。

S20-确定当发动机系统根据发动机运行条件数据运行时，至少一 个排气参数在所述期望的驱动循环的时间段期间的值和时间变化。

如何执行步骤S20的示例的原理可以描述如下：

图1中例证的数据点形成计算模型的输入数据，即，在所述期望 的驱动循环的不同时间点上的发动机转速和发动机扭矩数据。从查找表 中获得经计算的发动机系统的涡轮增压器涡轮下游的排气温度和排气质 量流量。查找表是从发动机系统在从怠速到最大速度的所有发动机速度 以及从零到最大负载的所有负载下的运行获得的。(这种运行可以在前 一个阶段完成，诸如在开发发动机时完成)取决于发动机的运行模式， 使用两个可替选的查找表，一个表用于冷的EATS，一个表用于暖/热的 EATS。使用哪个查找表取决于该时间点处的模拟EATS温度。在启动 发动机时，假定EATS处于冷状态。

然后把针对某个运行点获得的有关排气温度和质量流量的数据提 供给在涡轮与EATS之间延伸的管道的数值模型。数值模型规定了任何 温度变化的延迟以及由于远离管道的热传导而导致的温度降低。在该管 道下游，柴油氧化催化剂(DOC)和DPF被热力学模拟为热惯性。另 外的数值模型模拟另外的管道，并且在该另外的管道下游，可以以与 DOC和DPF类似的方式模拟SCR单元(选择性催化还原)。排出的排 气的所计算出的温度用于为下一运行数据点(即，下一时间段元素)选 择查找表。

提供另外的查找表，以获得每个时间段元素的尿素溶液剂量的 量。该查找表提供了作为发动机速度和扭矩的函数的尿素溶液剂量的 量。然后，将该尿素溶液剂量的量与例如排气温度和排气质量流量一起 用于计算每个时间段元素的排气能量比，例如根据下列公式计算：

能量比＝

(排气质量流量·排气温度·空气的热容量)，

除以

(尿素溶液剂量的量·水的热容量·(100℃–尿素溶液被计量 供应到EATS中时的温度(℃))+(尿素溶液剂量的量·水的蒸发 热)。

由此，这些计算的输出是排气参数中的每一个在各运行数据点上 的值。由于这些点分布在驱动循环时间段上，因此获得了对发动机系统 根据发动机运行条件数据运行时所有三个排气参数在所述期望的驱动循 环的时间段期间的值和时间变化的确定。

S30-提供当在不同发动机运行条件下运行发动机系统时，所述至 少一个排气参数的值和时间变化与发动机系统中的预期尿素晶体堆积之 间的参考关系。

如上所述，各种参考关系都是可能的。进一步，参考关系在不同 的发动机系统之间可能不同。在一示例中，为每个排气参数设置阈值和 对应的最小时间份额，因此可以说，如果某个排气参数的值在总驱动循 环时间段的至少Y％期间至少为X，则预期不会有(或只有很少)尿素 晶体堆积。

S40-通过将所述至少一个排气参数的所确定的值和时间变化与所 述参考关系进行比较来预测当发动机系统根据所述期望的驱动循环运行 时所述发动机系统中的尿素晶体堆积。

如果所有时间段元素具有相同的长度并且如果所述参考关系包括 针对每个排气参数的阈值和对应最小时间份额，则所述比较是相对容易 的，如关于步骤S30所解释的。然后视需要，可以一次针对每个排气参 数检查排气参数值在时间段元素的Y％上是否高于X。如果对于排气参 数中的第一个是这种情况，则可以得出结论：当发动机系统根据所述期望的驱动循环运行时，发动机系统中的预测尿素晶体堆积是可忽略或可 接受的。如果第一排气参数不是这种情况，则可以对第二(必要时还有 第三)排气参数进行类似的评估。取决于所述参考关系的结构，另一过 程可能更合适。

应当理解，本发明不限于上文所述和附图所示的实施例；相反， 本领域技术人员应认识到，可以在所附权利要求的范围内做出许多改变 和修改。