兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择及调整方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车技术领域，尤其是涉及兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择及调整方法。

背景技术

柴油发动机排放是受国家排放法规严格限制的，并且，随着国家对环境保护的日益重视，柴油机的排放法规也越来越严格。柴油发动机的排放包括CO、NOx、HC和PM，由于柴油发动机使用的混合气的平均空燃比比较大，故其CO和HC的排放问题并不严重，而PM和NOx的排放问题则非常突出。PM主要来自燃烧过程中的高温缺氧区域，，而NOx则正好相反，来自燃烧过程中的高温富氧区域，也正因为此，在NOx生成越多的条件下，PM生成越少，反之亦然。随着排放法规的日益严格，仅通过对发动机机械结构和软件控制的优化已无法满足目前的排放要求，需要通过排放后处理装置对NOx和PM进行处理。

对于NOx，有两种处理方式，即NOx吸附催化还原净化技术(LNT)和NOx选择催化还原技术(SCR)。和SCR相比，LNT结构更加紧凑，制造成本更底，并且，可以直接使用燃料作为还原剂，不需要提供还原剂的专门车载容器和其供应基础设施，特别适宜于结构紧凑、布置空间难度大的排量小于2.0-2.5L的柴油车，因此，通常乘用车选择LNT，而商用车更多的选择SCR。柴油机在稀混合气运行时，NOx被吸附在LNT的碱性金属上。当LNT吸附的NOx达到饱和后，将无法继续吸附NOx，需要在排气中形成浓的混合气，将排气中的NOx直接还原，并在吸附催化剂的周围形成大量的HC、CO和CO

在LNT再生过程中，需要的浓混合气可以通过降低柴油机的效率来实现，例如推迟柴油机的喷油提前角，在燃油的主喷之后增加二次喷射，或者向排气管喷射燃油，特别前两种方式，在现有的硬件基础上即可实现，对硬件的要求最低。在燃油的主喷之后增加二次喷射，增加了燃烧结束后的排气温度，增加了PM的氧化，减少了PM的排放，但是，对燃烧过程中的缸内最高压力影响很小，因此，对NOx的排放影响也比较小。相比之下，改变喷油提前角对燃油消耗，NOx排放以及PM的排放均有影响。

传统柴油发动机，在采用氮氧化物吸附催化还原技术(LNT)时，需要定期对LNT再生，通常都是在LNT饱和时候选择对LNT进行再生，并且，对于传统汽车，发动机的工作点(发动机转矩和转速)由驾驶工况决定，无法调整。

和传统柴油汽车相比，柴油混合动力汽车，可以对发动机的工作点进行灵活的调整，因为柴油发动机的高效区比较宽，因此，存在保证燃油经济性的同时，通过发动机工作点和发动机喷油提前角的同时优化，可以更好的控制LNT的再生产生的额外的油耗。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择及调整方法，考虑了LNT再生工况下整个混动系统的系统效率，将NOx排放和PM排放这算成等效油耗考虑进来，优化LNT再生工况时候的燃油增量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一个目的是提供一种兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法，混合动力汽车行驶过程中包括多个不同的工况点，每个工况点下存在不同的发动机候选工作点，对于混合动力汽车的一个工况点，获取当前PM的氧化速度、和NO

其中，be″′表示该候选工作点考虑PM的氧化速度、和NO

其中P′的公式如下：

当动力电池的充放电功率为充电时，P′的公式为：

P′

其中，P

当动力电池的充放电功率为放电时，P′的公式为：

P′

其中，Q′

Q′

其中，Q

进一步地，ΔQ″

ΔQ″

其中，ΔQ

进一步地，ΔQ″

其中，对PM，NO

进一步地，k

进一步地，k

进一步地，所述兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法包括以下步骤：

S1：确定工况点的变速箱目标输出扭矩；

S2：将CDPF的碳载量调整为当前CDPF碳载量；

S3：调整发动机的扭矩和电机的扭矩，使得发动机和电机的扭矩分配满足工况点的变速箱目标输出扭矩，得到发动机的多个候选工作点，组合不同候选工作点；

S4：获取在DOC后的当前PM的氧化速度、和NO

本发明的第二个目的是提供一种兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点调整方法，包括工况表建立阶段和工况表应用阶段；

工况表建立阶段为：

确定混合动力汽车行驶过程中的多个工况点，分别获取每个工况点在不同兼顾CDPF和LNT和喷油提前角下的发动机最优工作点并将其写入工况表中，发动机最优工作点是基于如上述的兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法获取的。

进一步地，工况表建立阶段包括以下步骤：

T1：确定一个CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角，确定一个工况点的车速和变速箱输出扭矩；

T2：调整发动机的扭矩和电机的扭矩，计算该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T3：保持车速不变，改变变速箱目标输出扭矩，得到一个新的工况点，重复步骤T2-T3，直至得到该车速下所有工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T4：改变车速，得到一个新的工况点，重复步骤T2-T4，直至得到所有工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T5：调整CDPF碳载量和LNT氮排量，确定一个工况点的车速和变速箱输出扭矩，重复步骤T2-T5，直至得到所有工况点在不同CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表。

进一步地，工况表应用阶段为：

获取当前PM的氧化速度、和NO

进一步地，工况表应用阶段具体为：

将工况表写入混合动力汽车的控制器；

获取混合动力汽车的动力电池SOC、当前车速、当前变速箱目标输出扭矩，基于CDPF累计减少的碳载量和累计消耗的燃油确定当前CDPF碳载量，基于LNT累计减少的NOx质量和累计消耗的燃油确定当前LNT氮排量，确定推迟喷射提前角引起的油耗增加；

如果动力电池SOC的值在预设置的阈值范围内，则找到工况表中与当前车速和当前变速箱目标输出扭矩最接近的工况点，找到该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷射提前角下的发动机最优工作点并应用；

如果动力电池SOC的值不在预设置的阈值范围内，则找到工况表中与当前车速和当前变速箱目标输出扭矩最接近的工况点，以该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷射提前角下的发动机最优工作点为基准，以动力电池SOC与阈值范围的差值为比例，增加或减少用于为动力电池充电的发动机有效功率，得到发动机最优工作点并应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明的兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择及调整方法，设计了柴油混合动力汽车发动机工作点的评价指标，考虑了LNT再生工况下整个混动系统的系统效率，将NOx排放和PM排放这算成等效油耗，考虑进来，优化LNT再生工况时候的燃油增量。

2)本发明的兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择及调整方法，基于通过推迟燃油喷射角的方式对于LNT进行主动再生，本发明考虑了推迟喷射提前角引起的油耗增加以及产生还原气体的速率，即考虑了LNT中的NOx还原效率，通过本发明的优化指标，可以对LNT再生时机的选择，LNT再生工况下的发动机基础工作点(转速和转矩)的选择，以及基于该工作点的燃油喷射提前角进行系统性优化，从而提高柴油混动系统的综合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为实施例中发动机的候选工作点示意图。

图2为实施例中某商用车柴油发动机在1300rpm，50％负荷，并且无EGR条件下喷油点火角的影响示意图。

图3为实施例中喷油提前角对燃烧过程中缸内压力以及放热的曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

接下来对本发明的方法实施例进行详细介绍。

实施例1

本实施例中提供一种兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法，混合动力汽车行驶过程中包括多个不同的工况点，每个工况点下存在不同的发动机候选工作点，对于混合动力汽车的一个工况点，获取当前PM的氧化速度、和NO

其中，be″′表示该候选工作点考虑PM的氧化速度、和NO

其中P′的公式如下：

当动力电池的充放电功率为充电时，P′的公式为：

P′

其中，P

当动力电池的充放电功率为放电时，P′的公式为：

P′

其中，Q′

Q′

其中，Q

ΔQ″

ΔQ″

其中，ΔQ

ΔQ″

其中，对PM，NO

k

k

上述兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法包括以下步骤：

S1：确定工况点的变速箱目标输出扭矩；

S2：将CDPF的碳载量调整为当前CDPF碳载量；

S3：调整发动机的扭矩和电机的扭矩，使得发动机和电机的扭矩分配满足工况点的变速箱目标输出扭矩，得到发动机的多个候选工作点，组合不同候选工作点；

S4：获取在DOC后的当前PM的氧化速度、和NO

本实施例另提供一种兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点调整方法，包括工况表建立阶段和工况表应用阶段；

工况表建立阶段为：

确定混合动力汽车行驶过程中的多个工况点，分别获取每个工况点在不同兼顾CDPF和LNT和喷油提前角下的发动机最优工作点并将其写入工况表中，发动机最优工作点是基于如权利要求1-6中任一所述的兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法获取的。

工况表建立阶段包括以下步骤：

T1：确定一个CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角，确定一个工况点的车速和变速箱输出扭矩；

T2：调整发动机的扭矩和电机的扭矩，计算该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T3：保持车速不变，改变变速箱目标输出扭矩，得到一个新的工况点，重复步骤T2-T3，直至得到该车速下所有工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T4：改变车速，得到一个新的工况点，重复步骤T2-T4，直至得到所有工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表；

T5：调整CDPF碳载量和LNT氮排量，确定一个工况点的车速和变速箱输出扭矩，重复步骤T2-T5，直至得到所有工况点在不同CDPF碳载量和LNT氮排量和喷油提前角下的发动机最优工作点，写入工况表。

工况表应用阶段为：

获取当前PM的氧化速度、和NO

工况表应用阶段具体为：

将工况表写入混合动力汽车的控制器；

获取混合动力汽车的动力电池SOC、当前车速、当前变速箱目标输出扭矩，基于CDPF累计减少的碳载量和累计消耗的燃油确定当前CDPF碳载量，基于LNT累计减少的NOx质量和累计消耗的燃油确定当前LNT氮排量，确定推迟喷射提前角引起的油耗增加；

如果动力电池SOC的值在预设置的阈值范围内，则找到工况表中与当前车速和当前变速箱目标输出扭矩最接近的工况点，找到该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷射提前角下的发动机最优工作点并应用；

如果动力电池SOC的值不在预设置的阈值范围内，则找到工况表中与当前车速和当前变速箱目标输出扭矩最接近的工况点，以该工况点在当前CDPF碳载量和LNT氮排量和喷射提前角下的发动机最优工作点为基准，以动力电池SOC与阈值范围的差值为比例，增加或减少用于为动力电池充电的发动机有效功率，得到发动机最优工作点并应用。

实施例2

本实施例提供一种兼顾LNT和喷油提前角的发动机工作点选择方法，具体过程如下：

假设每个时刻，发动机转速确定，可以调整的只有发动机扭矩。当电机不工作的时候，动力电池的目标充放电为0kW，发动机默认的工作点为A，如图1所示。B为系统充电模式下的一个发动机候选点，C为系统放电模式下的一个发动机候选点。对于充电模式，用于驱动的能量和最后存入电池的能量被视为有效能量，对于候选点B，发动机的有效输出功率为P

P

P

P

ΔP

Q

be

P

η

η

P

P

P’

be’

be′

P

P

ΔP

Q

be

η

η

P

P

P’

be’

be′

如图2所示，为某商用车柴油发动机在1300rpm，50％负荷，并且无EGR条件下，喷油点火角对比油耗、NOx排放、PM排放以及噪音的影响。图2中所示的三个不同的喷油提前角，黑色，红色和蓝色分别对应的喷油提前角为-6CA，0CA和8CA。在该工况点下，随着喷油提前角的推迟，引起了比油耗的增加以及NOx排放的降低。PM的排放先降低后再升高。在该工况下，体现了柴油机在选择节能减排的措施及参数时候，经常遇到的trade-off关系，即不通过排放后处理系统，仅通过对发动机的控制，难以同时降低NOx和PM。但是，在一些低负荷的工况下，也存在例外，即随着喷油提前角的减少，PM的排放也会有所减少，原因在于随着燃烧室温度的下降，阻止了PM的形成，在这种低负荷的工况下，通过推迟喷油提前角，可以同时减少PM和NOx的排放。如图2所示为喷油提前角对燃烧过程中缸内压力(Zylinderdruck)以及放热(heizrate)的曲线，喷油提前角为-6.5CA时，缸内压力最大值大于喷油提前角为0.4CA或7.3CA时的缸内压力。喷油器开始喷油时，活塞距离上止点的曲轴转角(Kurbelwinkel)称为喷油提前角(Spritzbeginn)。

将PM和NOx根据各自的等效系数折算成油耗，如式0.13所示。

式0.13主要针对的是常规工况以及CDPF被动再生的工况，在此的基础上，将其扩展到了LNT再生时的工况，通过改变喷油提前角的方式对LNT进行再生。如式0.14所示，第4项是因为推迟喷油提前角引起的油耗增量，此外，1-3项中Q

最终的等效油耗增量如式0.15所示。

ΔQ′

并且注意到LNT和CDPF再生的区别，对于LNT的再生，需要的是还原剂，需要通过燃油的不充分燃烧产生，根据工况的不同，通常LNT的吸附过程持续30-300s，然后LNT的再生过程持续2-10s，吸附过程和再生过程交替进，通常因为使用LNT会导致燃油消耗增加1.2-2％，因此，和燃油消耗有较为明确的关系。而CDPF的主动再生，主要是需要有足够的温度来促使PM以足够快的速率进行氧化反应，而作为氧化剂的NO

Q′

柴油机该工作点下的燃油消耗率，单位g/kWh，通过修正，加入排气后处理的影响，计算如式0.18。

当考虑柴油混动系统该工作点下的系统有效燃料消耗率，而不是柴油机本身的燃料消耗率，系统有效功率根据式0.4和0.10计算，则系统有效燃料消耗率根据式0.19计算。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。