面向真实交通场景的车辆瞬时NOx排放模型

面向真实交通场景的车辆瞬时nox排放模型
技术领域
1.本发明属于机动车尾气排放技术领域。


背景技术：

2.近年来全球大气污染问题不断加剧，严重破坏生态环境和人类健康。氮氧化物(nox=no+no2)作为主要的大气污染物之一，通常产生于自然界闪电和土壤中微生物过程，但目前nox主要来源于人类活动。nox的排放给人类生产生活以及自然环境带来极大的危害。在人体健康方面，no易于血红蛋白结合，造成人体缺氧；no2主要刺激人体肺部和呼吸道，造成人体器官的腐蚀损害，严重时会导致死亡。在生态环境方面，nox会引发酸雨、酸雾及光化学烟雾，促进全球变暖。2016年，道路车辆排放的氮氧化物约占欧盟氮氧化物排放总量的39%，其中乘用车是主要来源。由于我国私人汽车使用量的不断增加，自2011年以来，机动车nox排放份额急剧增加。减少实际nox排放是世界范围内的共同需求，直接关系到我们自身的健康。
3.要想有效的减少车辆nox排放就需要准确的排放监测模型，针对车辆种类繁多的复杂交通环境，开发车辆排放模型是一种方便且节约成本的方法。机动车排放模型分为宏观排放建模和微观排放建模，宏观模型通过使用特定行程或指定行驶区域中易获取信息的平均值来估计车辆的排放值。而微观模型则是利用瞬时速度、加速度和车辆功率等行驶过程变量作为模型的输入量来估计实时车辆排放。
4.针对真实道路车辆瞬时nox排放建模，主要有以下问题：1. 宏观排放模型通常仅使用平均车速作为模型输入，无法反映不同驾驶模式的动力学特性，因此模型的精度有限。
5.2. 部分微观排放模型使用基于车载诊断系统(obd)的信息来估计实时车辆排放，这种方法可能需要一些专用的obd远程设备，并且可能被第三方篡改，这将不利于车辆排放的监管工作。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提出基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型是根据机理知识建立模型，能够适应不同驾驶场景的面向真实交通场景的车辆瞬时nox排放模型。
7.本发明具体过程是：s1、改进双参数换挡模块搭建挡位与发动机转速关系由下式表示：（1）其中，代表发动机转速，为车辆瞬时速度，为车辆传动比，为车轮有效半径；s2、发动机综合转矩需求模块搭建
发动机综合扭矩需求函数如式(2)所示：（2）其中，是车辆牵引力，是内部摩擦力，是测试车质量，是空气阻力系数，代表车辆前方区域，是环境空气密度，是滚动摩擦系数，是重力加速度，是以弧度为单位的路面坡度，为车辆瞬时加速度，为内摩擦参数；发动机的扭矩由下式表示：（3）其中，代表车辆传动系统的传动效率；s3、发动机外排放模块搭建分析nox排放的质量流量，具体公式如下：（4）其中，代表发动机nox排放质量流量，为发动机排放nox的体积浓度，表示废气的摩尔质量，表示no的摩尔质量；s4、排气温度模块搭建将排气温度变化过程模拟为与发动机部件状态相关的一阶延迟过程，具体表达为下式：（5）其中，是排气温度的瞬态估计，是排气温度的稳态估计，和分别是与发动机加热和冷却相关的经验时间常数；取常数形式，而取关于发动机转速的指数多项式，具体表达式如下：（6）其中和为待辨识参数；s5、ats模块搭建
提出了一种简化的ats模块，该模块的转化效率仅由发动机的排气温度决定，对于存在的其他变量的影响做简化处理，具体表达式如下：（7）其中，为最终车辆nox排放，代表发动机原始排放，为对应温度下twc的转化效率。
8.本发明的益效果是：1.相比与以往的宏观车辆排放模型无法反映不同驾驶模式的动力学特性这一缺陷，本发明提出的基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型是根据机理知识建立的，能够适应不同的驾驶场景，易于推广；2. 本发明提出的模型仅采用外部可用信息(车辆速度、加速度和道路坡度)作为模型输入来估计真实的机动车nox排放量，避免了obd远程设备被第三方篡改的可能，更加利于交通部门对nox排放的监管；3. 本发明提出了一种新型双参数(车速和加速度)换挡模块，能够清楚的反映真实车辆变速器的特性；4. 本发明针对发动机排气温度的特点提出了一种全新的估计方法，将排气温度的稳态特性和时滞特性结合起来准确估计排气温度。
附图说明
9.图1是整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型总体框架；图2是rde测试车辆和avl pems排放气体检测设备；图3是改进的双参数换挡模块对发动机转速的估计与实际转速的对比结果；图4是发动机综合转矩需求模块对发动机扭矩的估计与实际扭矩对比结果；图5是排气温度模块对twc排气温度的估计和实际温度的对比结果；图6试验台架发动机nox转化效率与温度的关系；图7是基于第一次rde数据排放模型nox估计结果；图8是基于第二次rde数据排放模型nox估计结果。
具体实施方式
10.本发明针对车辆瞬时nox排放模型存在的问题，提出了一种基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型。车辆尾气氮氧化物的产生涉及多个物理化学过程。nox排放是发动机气缸内燃料燃烧的副产物。汽车排放与汽车功率高度相关，因为高功率需求意味需要消耗更多的燃料。发动机的动力通过整个动力总成传递给轮胎，因此每个动力总成模块都与排放有关。此外，ats通过还原作用降低发动机排放的nox。综上，车辆最终的nox排放与发动机性能、整车动力性要求、动力传动系统以及ats的转化效率有关。充分考虑上述因素，本发明提出的基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型成本较低，模块化的设计表现出来出色的可迁移性，利用实际行驶污染物排放测试（rde）进行模型仿真验证，仿真结果表明该模型能够实现nox排放的准确估计。
11.本发明提出的模块化集成排放模型一共具有五个模块：改进的双参数换挡模块、
发动机综合转矩需求模块、发动机外排放模块、排气温度模块、后处理系统（ats）模块。
12.改进的双参数换挡模块使用了一种仅利用车辆外部信息（速度和加速度）的换挡策略，当传动系统发生改变时，该模块可以基于真实交通环境的测量数据快速识别出目标车辆的挡位。发动机综合转矩需求模块可以将模型输入信息利用车辆逆动力学等机理知识快速转换为发动机实时转速和扭矩需求。发动机外排放模块利用上一模块输出的转速和扭矩估计发动机的原始nox排放。排气温度对后处理系统的效率影响很大，本发明基于特征数据集开发了通用的排放温度估计模块。后处理系统（ats）模块设置为一个简化的模型，用来估计实际车辆的最终nox排放。
13.本发明的实现方法包括以下部分：本发明所述的基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型是通过软件系统实现的。软件系统由matlab/simulink高级仿真软件组成。matlab/simulink软件用于排放模型的各个子模块的搭建，并提供了仿真实验环境。
14.首先利用统计学知识对rde测试数据进行分析，根据车辆传动系统相关知识寻找合适的能够反映真实车辆换挡特性的换挡策略，在matlab/simulink软件中搭建双参数换挡模块，目的是实现下一步发动机转速和扭矩的准确估计。
15.然后在换挡模型的基础上，利用车辆动力学知识，通过整车的功率需求逆向推导出发动机的转速和扭矩需求并在matlab/simulink软件中搭建发动机综合扭矩需求模块。在发动机台架上进行了nox排放实验，获得了能够覆盖完整工作点的发动机万有特性，根据发动机的万有特性在matlab/simulink软件中建立了发动机外排放模块，该模块利用发动机综合扭矩需求模块得到的实时转速和扭矩估计nox的排放量。发动机排气温度对ats的转换效率影响很大，因此有必要对排气温度进行建模。基于通用特征数据集开发了排气温度的稳态模型作为该子模块的基础。然而，排气温度是一个慢变状态，实际瞬态工况与稳态特性存在着明显差距。因此，将温度变化过程模拟为与发动机部件状态相关的一阶延迟过程。排气温度模块将稳态map与时间延迟特性结合起来能够实现对发动机排气温度的精确估计。
16.最后是发动机尾气后处理（ats）模块的搭建，由于ats是发动机内部的部件，它的相关状态参数很难通过外部的检测手段获取，为了实际的可行性，本发明设计了一种简化的ats模型来表征后处理系统的特性，即转化效率仅由发动机排气温度决定。以现代汽车最常用的后处理装置三元催化转化器（twc）为例，当排气温度超过起燃阈值，twc对nox排放的转化效率处于较高水平(当排气温度高于288℃时,转换效率超过80%)。发动机尾气后处理（ats）模块是在matlab/simulink环境下完成搭建，利用上一层模块输出的排气温度和发动机原始nox排放对实际道路环境下车辆的最终nox排放量进行精确估计。
17.为详细说明本发明的技术内容、构造特点、实现目的等，下面结合附图对本发明进行全面解释：本发明中基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型总体框架如图1所示，模型共有五个子模块分别是改进的双参数换挡模块、发动机综合转矩需求模块、发动机外排放模块、排气温度模块、后处理系统（ats）模块。按照排放产生和处理过程，将模型划分为三层结构，上层根据车辆外部可用信息（瞬时速度、加速度、坡度）估计发动机实时转速和扭矩，中间层利用上层输出的发动机状态估计发动机nox排放和排气温度。此外，开发了一
个ats模块来模拟twc的转换效率，最终得到真实车辆nox排放的估计值。通过第一次rde试验结果对整个模型中的关键参数进行标定。其中，在实际车辆行驶污染物排放（rde）测试，使用了一套完整的avl pems设备进行实时气体排放测量如图2所示，co和co2采用非分散红外法测量，no和no2采用紫外分析仪测量。
18.本发明的目标是实现在真实交通环境下对车辆nox排放的精准估计，具体各个模块的搭建和验证过程如下：1. 软件选择本发明中基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型通过软件matlab/simulink进行搭建，软件版本为matlab r2022a，仿真步长为定步长，步长选择为0.1s。
19.2. 整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型2.1改进双参数换挡模块搭建及验证现在常见的车辆换挡方式是标准的双参数策略，由车速和油门踏板位置共同决定。但是，油门踏板的位置是车辆的内部变量，即使在智能交通系统中也很难获得。因此，本发明设计了仅利用车辆外部信息的改进双参数换挡策略，挡位由车速和加速度决定。
20.首先，对第一次rde试验中的所有工况点进行了统计分析，以确定这种策略是否合理。观察挡位信息与车速和加速的关系，发现不同挡位所对应的区域表现出很强的规律性，下一步是寻找合适的反映实车换挡特性的换挡策略(换挡线的确定)。确定换挡线的统计方法可分为三个主要步骤。第一步是去除异常值，避免异常值的干扰影响。第二步是确定每个挡位在不同加速度下对应的最大和最小车速，第三步是对相邻挡位之间的换挡线进行滤波和平滑处理。这种设计方法可以根据车辆的速度和加速度快速识别出此时该车的档位信息。
21.设计换挡模块是为了准确估计发动机转速和转矩，挡位与发动机转速关系可以由下式表示：（1）其中，代表发动机转速，为车辆瞬时速度（m/s）,为车辆传动比，为车轮有效半径(m)。
22.为了评估改进双参数换挡模块的性能，将发动机转速的估计结果与实际测量值进行了对比，如图3所示。可以看到该模块具有捕捉发动机动态转速的能力，能够很好的识别发动机的内部状态。
23.2.2发动机综合转矩需求模块搭建及验证发动机是整车的动力来源，所以发动机的需求扭矩可以由整车的动力反向推导得到。行驶汽车的总功率由牵引功率和内部损耗组成，牵引功率需求由车辆重力纵向分量、空气阻力、摩擦阻力、路面坡度阻力、加速度需求组成，内部损耗主要由车辆内部的主要旋转部件产生，与发动机的转速高度相关（与转速的三次方呈正比）。
24.因此发动机综合扭矩需求函数计算如式(2)所示：
（2）其中，是车辆牵引力，是内部摩擦力，是测试车质量，是空气阻力系数，代表车辆前方区域，是环境空气密度，是滚动摩擦系数，是重力加速度，是以弧度为单位的路面坡度，为车辆瞬时加速度，为内摩擦参数。
25.发动机的扭矩可以由下式表示：（3）其中，代表车辆传动系统的传动效率。
26.发动机扭矩估计结果与实测数据对比如图4所示。
27.2.3发动机外排放模块搭建及验证车辆的nox排放是发动机燃烧的产物，本发明设计发动机外排放模块根据发动机的扭矩和转速估计发动机原始排放，在发动机实验台架上获取能覆盖完整发动机工作点的发动机万有特性，为了进一步寻找更具代表性的规律，需要分析nox排放的质量流量，具体公式如下：（4）其中，代表发动机nox排放质量流量(g/s)，为发动机排放nox的体积浓度(ppm)，表示废气的摩尔质量，表示no的摩尔质量。
28.根据nox排放的质量流量分析，随着发动机转速和扭矩的增加，发动机排放nox的质量流量呈现明显的上升趋势。这里采用多项式拟合的方法，将该多项式函数作为发动机外排放模块的主要部分。此外，nox排放与发动机内部的燃烧过程高度相关，建模所用数据均在热态下获得。因此，如果是在冷启动工况下，多项式函数的结果需要补充一个修正因子。
29.2.4排气温度模块搭建及验证发动机的排气温度对ats的转换效率有着直接的影响，所以对排气温度的准确估计有着重要意义。本发明基于通用的特征数据集开发了排气温度的稳态模型作为该子模块的基础。然而，排气温度是一个慢变状态，实际瞬态工况与稳态特性存在明显差距。
30.因此，这里将排气温度变化过程模拟为与发动机部件状态相关的一阶延迟过程，具体表达为下式：
（5）其中，是排气温度的瞬态估计，是排气温度的稳态估计，和分别是与发动机加热和冷却相关的经验时间常数。
31.通过对试验数据进行统计分析，升温过程的时间常数较为稳定，而降温过程时间常数受发动机转速影响显著。
32.因此，取常数形式，而取关于发动机转速的指数多项式，具体表达式如下：（6）其中和为待辨识参数。
33.twc温度的测量值和瞬态估计值如图5所示，可以看到瞬态估计在整个过程中与实际值的差异并不大。因此，将稳态map与时滞特性相结合是一种有效的发动机排气温度估计方法。
34.2.5ats模块搭建及验证因为ats是发动机内部的部件，所以相关状态参数很难通过外部测量直接获得。为了保证实际模型的可行性，本发明提出了一种简化的ats模块，该模块的转化效率仅由发动机的排气温度决定，对于可能存在的其他变量的影响（如排气质量流量、环境温度）做简化处理。根据nox排放在现代twc下转化效率的曲线分析可知，一旦排气温度超过起燃阈值，twc对nox排放的转化效率处于较高水平(当排气温度高于288℃时,转换效率超过80 %)。因此，冷启动阶段的排放是汽车减排面临的主要挑战，应该成为实车排放建模的重点。
35.虽然本发明仅以twc为例介绍了ats的建模过程，但相关方法可应用于其他类型的尾气后处理装置，如选择性催化还原技术（scr）和氧化型催化器（doc）。具体表达式如下：（7）其中，为最终车辆nox排放，单位g/s，代表发动机原始排放，为对应温度下twc的转化效率，具体转换效率与温度的关系如图6所示。
36.实验验证及分析整体排放模型是根据车辆动力总成的先验知识将上述所有子模块集成得到的。整体排放模型的部分参数辨识基于第一次rde测试的数据集。为了简化整个辨识过程，降低参数辨识的难度，采用解耦思想，即每个子模块只考虑自身的输入和输出而不是应用所有信息进行辨识。但这种做法可能会给整体模型引入一定的不确定性，因此首先要比较整体排放模型在第一次rde检验下的表现。图7给出了估计结果，整体估计准确，。基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型具有捕捉机动车nox排放尖峰的能力，也可以逐秒估计
瞬时nox排放率。本发明所提出的排放模型可以估计冷启动阶段的nox排放，这是现有机动车排放模型难以实现的。
37.为了进一步验证本发明提出的排放模型，基于第二次rde检验的估计结果如图8所示。与第一次rde测试中的表现相近。这两个对比说明了整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型的有效性和通用性。整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型主要是通过机理知识建模，因此它比数据驱动模型具有更好的外推特性，能够准确地估计全工况范围内的实际车辆排放。此外，模块化的模型架构也便于模型之间的快速迁移，适合当前复杂的交通环境。
38.由此可见，本发明针对机动车nox排放估计问题设计的基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型能够实时准确估计真实车辆的nox排放量。

技术特征：
1.一种面向真实交通场景的车辆瞬时nox排放模型，其特征在于：s1、改进双参数换挡模块搭建挡位与发动机转速关系由下式表示：（1）其中，代表发动机转速，为车辆瞬时速度，为车辆传动比，为车轮有效半径；s2、发动机综合转矩需求模块搭建发动机综合扭矩需求函数如式(2)所示：（2）其中，是车辆牵引力，是内部摩擦力，是测试车质量，是空气阻力系数，代表车辆前方区域，是环境空气密度，是滚动摩擦系数，是重力加速度，是以弧度为单位的路面坡度，为车辆瞬时加速度，为内摩擦参数；发动机的扭矩由下式表示：（3）其中，代表车辆传动系统的传动效率；s3、发动机外排放模块搭建分析nox排放的质量流量，具体公式如下：（4）其中，代表发动机nox排放质量流量，为发动机排放nox的体积浓度，表示废气的摩尔质量，表示no的摩尔质量；s4、排气温度模块搭建将排气温度变化过程模拟为与发动机部件状态相关的一阶延迟过程，具体表达为下式：（5）其中，是排气温度的瞬态估计，是排气温度的稳态估计，和分别是与
发动机加热和冷却相关的经验时间常数；取常数形式，而取关于发动机转速的指数多项式，具体表达式如下：（6）其中和为待辨识参数；s5、ats模块搭建提出了一种简化的ats模块，该模块的转化效率仅由发动机的排气温度决定，对于存在的其他变量的影响做简化处理，具体表达式如下：（7）其中，为最终车辆nox排放，代表发动机原始排放，为对应温度下twc的转化效率。

技术总结
一种面向真实交通场景的车辆瞬时NOx排放模型，属于机动车尾气排放技术领域。本发明的目的是提出基于整车-发动机-后处理系统模块化集成排放模型是根据机理知识建立模型，能够适应不同驾驶场景的面向真实交通场景的车辆瞬时NOx排放模型。本发明提出的模块化集成排放模型一共具有五个模块：改进的双参数换挡模块、发动机综合转矩需求模块、发动机外排放模块、排气温度模块、后处理系统（ATS）模块。本发明提出了一种新型双参数(车速和加速度)换挡模块，能够清楚的反映真实车辆变速器的特性。能够清楚的反映真实车辆变速器的特性。


技术研发人员：孙耀 许可 杨惠策 林佳眉 胡云峰 张辉 宫洵 陈虹
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/7/22