CN101900025A - 检测尿素罐中无尿素还原剂的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测尿素罐中无尿素还原剂的系统和方法。一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中指示无尿素还原剂故障的方法，该后处理系统具有利用催化剂转化NO_X的后处理装置，该方法包括：在测试时段内，将在所述测试时段开始时确定的NO_X转化的测量值与在所述测试时段内更晚时的NO_X转化的测量值进行比较；基于在所述测试时段开始时与所述测试时段内更晚时之间进行的、识别所述后处理装置中完成的NO_X转化的减少的所述比较来指示无尿素还原剂故障。

Description

检测尿素罐中无尿素还原剂的系统和方法

技术领域

本发明涉及内燃发动机中的NO_X排放后处理的控制。

背景技术

该部分的陈述仅提供了涉及本发明的背景信息，可能并不构成现有技术。

排放控制是发动机设计和发动机控制中的重要因素。一种特殊的燃烧产物-NO_X是由发动机进气中的氮分子和氧分子在燃烧的高温下分解而生成的。NO_X的生成速度与燃烧过程之间存在已知的关系，例如，较高的NO_X生成速度与较高的燃烧温度以及空气分子较长时间地暴露于高温下都有关系。在车辆设计中要优先考虑减少燃烧过程中生成的NO_X以及在废气后处理系统中处理NO_X。

之前在燃烧室中生成的NO_X分子可由广义范畴内的本领域公知的示例性后处理装置还原成氮气分子与氧气分子。然而，本领域技术人员明了的是，后处理装置很大程度上依赖于运行条件，例如，受废气流温度驱动的装置工作温度。

现代发动机控制方法利用各种操作策略来优化燃烧。从燃料效率方面优化燃烧的一些操作策略包括燃烧室内的稀燃、局部燃烧或分层燃烧，从而减小达到气缸功率输出需求所需的燃料充量。当燃烧室内温度在燃烧局部达到足够高从而产生大量NO_X时，整个燃烧室的能量输出-特别是通过废气流从发动机中排出的热能可能会大大低于正常值。这种情况会对废气后处理策略形成挑战，因为如前面提到的那样，后处理装置常常需要受废气流温度驱动的升高的工作温度以便能够对NO_X排放物充分地进行处理。

日益严格的排放标准要求采用例如使用选择性催化还原装置(SCR)的NO_X后处理方法。SCR装置利用还原剂处理NO_X，还原剂例如是由尿素喷射产生的或者三元催化装置正常运行转化而来的氨。另外，公知的是，在柴油机应用中，操作SCR上游的柴油氧化催化剂(DOC)从而将NO转化为更适于在SCR中处理的NO₂。为了有效降低NO_X，不断改进的废气后处理需要废气流中NO_X排放物的精确信息，例如基于监测到的NO_X排放物来定量供给适量的尿素。

后处理装置-例如SCR在一定转化效率下将NO_X转化为无污染的分子。转化效率可描述成流入装置的NO_X流量与流出装置的NO_X流量的比值。适当操作的后处理装置会根据废气流的影响装置中发生的化学反应的特性而经历效率的下降。例如，SCR装置中气体的温度与空间速度会影响该装置的效率。可在后处理系统中监测这些环境因素，并且估计这些环境因素对装置转化效率的影响。此外，磨损或者损坏引起的故障和性能劣化会降低后处理装置的效率。然而，当SCR催化剂中的还原剂不足时，例如通过尿素喷射供给的氨不足时，该装置的效率也会降低。

有效操作SCR的SCR装置中的还原剂的不足可由很多因素引起。例如，如果向喷射系统供给尿素的尿素储存罐是空的，那么还原剂不足现象就会发生。另一个引起SCR装置中还原剂不足的原因是尿素储存罐中的尿素被污染或者稀释。如果水代替尿素错误地被注入储存罐，则SCR装置的效率将会大大降低。

引起SCR装置效率降低的因素很多，包括废气流的有害特性、SCR装置中的催化剂故障或者劣化、尿素储存罐中的尿素不足以及尿素储存罐中的尿素被污染。将尿素储存罐中的尿素被污染而引起的SCR装置效率降低与其他原因引起的效率降低进行区分的方法是有益的。

发明内容

一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中指示无尿素还原剂故障的方法，所述后处理系统具有利用催化剂转化NO_X的后处理装置，所述方法包括：在测试时段内、在动力系启动事件之后监测从所述后处理系统排出的NO_X含量；在所述测试时段内、在动力系启动事件之后监测进入所述后处理系统的NO_X含量的测量值；以及基于从所述后处理系统排出的所述NO_X含量和进入所述后处理系统的所述NO_X含量的测量值确定在所述后处理装置中完成的NO_X转化的测量值。该方法还包括：在所述测试时段内，将在所述测试时段开始时确定的所述NO_X转化的测量值与在所述测试时段内更晚时的所述NO_X转化的测量值进行比较；基于在所述测试时段开始时与所述测试时段内更晚时之间进行的、识别所述后处理装置中完成的NO_X转化的减少的所述比较来指示无尿素还原剂故障。

附图说明

现在参照附图以示例的形式对一个或多个实施方式进行说明，附图中：

图1示意性地图示了根据本发明的示例性柴油机；

图2示意性地图示了根据本发明的示例性后处理系统；

图3图示了根据本发明的示例性测试结果，所述结果显示了某一时段内正常机能的催化剂和异常机能的催化剂的转化效率；

图4和图5图示了根据本发明的示例性测试结果，所述结果显示了在不同环境下催化剂不足或没有催化剂的所述系统的效率；

图4示出了根据本发明的某时段内三条不同的转化效率曲线；

图5示出了改变催化剂温度对图4所示的转化效率下降的影响；

图6示意性地图示了根据本发明的示例性信息流，其在测试周期内对转化效率进行比较，从而确定无尿素还原剂故障；

图7示意性地示出了根据本发明的示例性尿素储存罐，其包括用来操作尿素喷射的传感器；

图8图示了根据本发明的由图6的方法确定的比率值与诊断阈值的示例性比较。

图9示意性地图示了根据本发明的示例性SCR转化效率模块的使用；和

图10示意性地图示了根据本发明的示例性信息流，其在测试周期内将下游NO_X传感器测量值与下游NO_X预测值进行比较，从而确定无尿素还原剂故障。

具体实施方式

现在参照附图，其中附图仅仅是为了说明某些示例性实施方式，而不是对其进行限制。图1是根据本发明的示例性柴油机的截面视图。通常，发动机10包括多个气缸12，气缸12具有与曲轴16相连接的可往复运动的活塞14。本发明通常适用于直喷式四冲程压缩点火发动机。气缸的末端由气缸盖18封闭，从而使得气缸和活塞限定出可变容积的燃烧室20。

气缸盖设置有进气门22，在活塞的进气冲程期间，进气门22控制气缸的进气的正时和流量。在活塞的排气冲程期间，气缸盖上的排气门24控制流出燃烧室的废气产物的正时和流量。在所示的发动机中，每个气缸具有两个进气门和两个排气门，然而，根据本发明，可针对发动机的运行使用任何合适数量的气门。

进气门和排气门由独立的气门致动装置26、28驱动。气门致动装置专门操纵它们各自的进气和排气门，然而两者都是由曲轴16通过正时链条30来驱动。图1的示例性结构是本领域公知的凸轮顶置式。然而，本领域技术人员应当清楚，可采用许多已知的方式来控制进气门和排气门。另一种示例性的方式包括根据期望的燃烧循环参数使用推杆来驱动进气和排气门。本发明构想出具有多种控制方式的发动机，而并不局限于在此描述的具体实施方式。

示例性的发动机10包括发动机盖以及在其中形成有多个气缸的金属浇注的发动机本体。发动机本体优选地包括可流过发动机冷却液的冷却液通道32。能够监测冷却液温度的冷却液温度传感器设置在适当的位置，并向控制系统提供在发动机控制中使用的参数化信号输入，其指示发动机的运行温度。优选地，发动机包括公知的系统，这些系统包括外部废气再循环(‘EGR’)阀和进气节气门(未示出)。

每个活塞14通过销和连杆连接至曲轴16。曲轴16在靠近发动机本体底部的主轴承区域可旋转地连接至发动机本体，使得曲轴能围绕与每个气缸限定的纵轴线相垂直的轴线旋转。曲轴传感器(未示出)布置在适当的位置，其能够产生可被控制器用于检测曲轴转角的信号，并且该信号还可被转变以提供在各种控制策略中使用的曲轴转动、速度和加速度的测量值。在发动机运行期间，由于与曲轴的连接、曲轴16的旋转以及燃烧作用，每个活塞14在气缸中以往复运动的形式上下运动。曲轴的旋转作用使得在燃烧过程中作用在每个活塞上的线性作用力转变为曲轴上的角扭矩输出，该扭矩可传递给另一装置，例如车辆传动系统。

发动机盖包括金属浇注装置，其具有与燃烧室20相流通的一个或多个进气端口和一个或多个排气端口。进气端口向燃烧室20提供进气。燃烧(燃烧后)废气通过排气端口从燃烧室20排出。经过进气端口的进气流通过一个或多个进气门22的致动来控制。经过排气端口的排气流通过一个或多个排气门24的致动来控制。

每个进气门和排气门22、24均具有头部，该头部包括暴露于燃烧室的顶部。每个气门22、24均具有连接至气门致动装置的气门杆。气门致动装置26能够控制每个进气门22的开启和关闭，第二气门致动装置28能够控制每个排气门24的开启和关闭。根据一些示例性的气门控制方式，例如推杆结构，气门的开启和关闭是根据曲轴的旋转以机械方式正时的。在图1的示例性顶置式凸轮结构中，每个气门致动装置26、28均包括与控制系统信号连接的装置，并其能够同步地或独立地控制每个气门开启和关闭的正时、持续时间和大小。示例性发动机的一个实施方式包括双顶置凸轮系统，该系统具有作为气门致动装置26、28的部件的可变升程控制(‘VLC’)装置和可变凸轮相位(‘VCP’)装置。VCP装置用于控制每个进气门和每个排气门相对于曲轴旋转位置的开启和闭合的正时，并且在固定的曲柄角度区段内开启每个气门。VLC装置用于控制气门提升量至两个构造位置中的一个，从而实现理想的燃烧结果。每个气门致动装置可实现同样功能以达到一样的效果。优选地，气门致动装置由控制系统25根据预设控制策略来控制。也可采用替代性的可变气门致动装置，包括例如全柔性电子或电子-液压装置，并且这些气门致动装置还具有独立开启和关闭相位控制以及在系统极限内实现无级可变气门提升的好处。

空气经过进气歧管流道34进入进气端口，进气歧管流道接收流过公知的空气计量装置和节流装置(未示出)的过滤后的空气。废气从废气端口到达排气歧管，排气歧管包括用于监测废气流组分并确定与其相关的参数的废气传感器。废气传感器可包括任何已知的传感装置，它们用于提供废气流的参数值，包括空燃比或废气组分测量值，例如NO_X、CO、HC及其它组分。所述系统可包括用来监测燃烧压力的缸内传感器、或非侵入式压力传感器或推断式压力测定装置(例如通过曲轴加速度)。上述传感器和计量装置每个都提供作为控制系统参数输入的信号。控制系统利用这些参数输入值来确定燃烧性能测量值。

优选地，控制系统包括总体控制结构的子结构，该子结构用于为发动机10和其它系统提供协调系统控制。在整个操作过程中，控制系统能够综合处理操作者输入、环境条件、发动机运行参数和燃烧性能测量值，并执行算法来控制各种致动器从而实现控制参数目标，包括例如燃料经济性、排放、性能和驾驶性能的参数。控制系统可操作地连接到许多装置，操作者通过这些装置控制或指挥发动机的运行。当发动机用于车辆时，示例性的操作者输入包括加速踏板、制动踏板、变速器齿轮换挡器和车辆速度巡航控制。控制系统可通过局域网(‘LAN’)总线与其他控制器、传感器和致动器进行通讯，优选地，局域网总线允许控制参数和指令在各种控制器之间进行结构性通讯。

控制系统可操作地连接至发动机10，并且用于从传感器获取参数数据、并通过合适的界面控制发动机10的各种致动器。控制系统接收发动机扭矩指令，并基于操作者输入来产生期望的输出扭矩。通过控制系统利用上述传感器测得的示例性发动机工作参数包括：发动机冷却液温度，曲轴旋转速度(‘RPM’)和位置，歧管绝对压力，环境空气流量和温度，以及环境空气压力。利用能够监测曲轴旋转位置的传感器来监测和确定发动机以及经历燃烧循环不同阶段的各个气缸的进程。燃烧性能测量值包括测得的和推断出的燃烧参数，其中包括空/燃比、最高燃烧压力的位置。

由控制系统控制的致动器包括：燃料喷射器(未示出)；VCP/VLC气门致动装置26、28；EGR阀(未示出)；和电子节气门控制模块(未示出)。另外，可以控制EGR旁通阀，其用于选择性地旁通EGR冷却器并引导具体特性的废气通过EGR回路。优选地，燃料喷射器能够直接将燃料喷射到每个燃烧室20中。

优选地，控制系统包括通用数字计算器，通用数字计算器通常包括微处理器或中央处理单元、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电子可编程只读存储器(EPROM)、高速计时器、模拟-数字(A/D)和数字-模拟(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调节和缓冲代电路。每个控制器都具有一套控制算法，包括存储在ROM中的用以实现期望功能的常驻程序指令和标定值。

发动机控制算法可在预设回路中执行。在非易失存储器中存储的算法可通过中央处理单元来执行并且用于监测来自传感装置的输入，从而利用预设标定值执行控制和诊断程序以控制发动机运行。回路周期可以规则间隔执行，例如，在正运行的发动机中，可为每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可选地，可响应于事件或中断请求来执行算法。

图1示出了示例性的柴油发动机。然而，可以明了的是，NO_X处理和后处理系统可用在包括汽油发动机的其他发动机结构中，本发明并不意味着限定为这里描述的具体的示例性发动机实施方式。

图2示意性地示出了根据本发明的示例性后处理系统。该后处理系统200包括DOC210、SCR220、上游NO_X传感器230、下游NO_X传感器240、温度传感器250和尿素计量供给模块260。如本领域公知的，DOC210要执行废气流后处理所需的多种催化功能。DOC210的一个功能是将NO转化为NO₂，NO是一种在SCR中不容易被转化的NO_X污染物，而NO₂是一种在SCR中容易被转化的NO_X污染物。SCR220利用来自尿素的氨作为还原剂将NO_X还原为无污染的分子。上游NO_X传感器230检测并量化进入后处理系统200的废气流中的NO_X。尽管上游NO_X传感器230作为示例性装置被示出为用于量化进入后处理系统的NO_X，需要注意的是，可采用其他装置来量化进入系统中的NO_X从而评估SCR中的转化效率，例如通过设置在DOC210和SCR220之间的NO_X传感器或虚拟NO_X传感器，该虚拟NO_X传感器模拟发动机输出和废气流内的状况以估计进入后处理系统的NO_X的存有量。本发明根据示例性实施方式大致说明了对进入后处理系统的NO_X进行描述的传感器输入，然而，可以明了的是，根据上游传感器的位置，所述输入可以实际描述进入后处理系统某一部分的NO_X含量。SCR220通过本领域已知的方法利用例如从所喷射的尿素中得到的氨来将NO_X转化成无污染的分子。图示的温度传感器250位于一个区域中以收集后处理系统200内的废气流温度。另外，温度传感器可用在SCR220的下游(未示出)，靠近下游NO_X传感器240的位置，例如用于估计SCR装置的运行和其中的参数。图示的尿素计量供给模块260位于SCR220上游的位置。尿素可直接喷射到进入SCR的废气流中。然而，图示的优选方法利用混合装置270。尿素计量供给模块260在混合装置270上喷射尿素，随后尿素通过废气流基本上均匀地输送分布到SCR220内部的催化剂表面上。下游NO_X传感器240检测并量化从后处理系统200排出的废气流中的NO_X。所公开的一种方法是利用进入后处理系统的NO_X的测量值和排出后处理系统的NO_X的测量值来判定在后处理装置中将NO_X转化成无污染分子的转化效率。

转化效率描述成后处理装置将NO_X转化为无污染分子的效率。上述示例性的后处理系统描述了在被分析的后处理装置上游测量的废气流中NO_X的测得含量或估计含量。可将进入后处理系统的NO_X的该测量值描述成对应任何时间t的x(t)。上述示例性的后处理系统描述了在被分析的后处理装置下游测量的废气流中NO_X的测得含量或估计含量。可将排出后处理系统的NO_X的该测量值描述成对应任何时间的y(t)。任意给定时间的转化效率可由以下公式给出： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{ACTUAL}}\left(t\right)=1-\frac{y\left(t\right)}{x\left(t\right)}---\left[1\right]$ 可以明了的是，这个公式提供了任何瞬态时间的转化效率。这样，可利用进入和排出后处理系统的NO_X的测量值或估计值来判定后处理系统的测得的或估计的实际转化效率。

在一系列给定条件下，合理使用的或全新的后处理装置可在最大转化效率下运行。然而，可以明了的是，后处理装置-特别是使用了催化剂的装置在经过一段时间之后、尤其在暴露于高温的情况下性能会劣化。

新装置的转化效率受到许多环境和操作因素的影响。示例性SCR的转化效率可通过由下述函数表达的模型来确定：η＝f(T_BED，SV，θ_NH3，x(t)，V_UREA，ρ_CELL)                [2]T_BED表示SCR内的催化剂床的温度。这个温度可直接测量或基于废气流的温度、流量以及其他特性来估计。SV表示流过SCR装置的废气的表面速度并且可作为废气流的特性-包括温度和流量的函数来确定。θ_NH3，表示催化剂床上的氨存储量，并且SCR上需要足够的氨来实现期望的NO_X转化反应。θ_NH3例如可通过分析氨的吸附和释放率、NO_X的转化率以及所吸附氨的氧化率来估计。如上所述，x(t)表示进入后处理系统的废气流中的NO_X的存有量。在具有合适机能的SCR内，少量的NO_X很容易发生反应，而高于某个阈值的NO_X含量则较难反应并且对应于较低的转化效率。限制高于某个量的NO_X处理的因素的示例包括SCR中有限的氨存有量。V_UREA表示所喷射的尿素体积。尽管V_UREA表示类似于θ_NH3的氨有量，V_UREA包括所喷射的尿素的当前测量值并且可更好地表示在短期内期望存在的氨的瞬时指示量。ρ_CELL表示SCR内的催化剂材料的密度，且由此表示了SCR催化预期反应的能力。

表示转化效率的上述模型包括可在SCR正常工作中假设的或确定的因素。因此，可简化该模型，由此减轻通过该模型分析转化效率所需的工作负荷。例如，可通过操作尿素计量供给模块来监测V_UREA，且如果V_UREA值在一特定的预期范围内，则得到的转化效率计算值应该不会受影响。在一些实施方式中，V_UREA被控制为基本上直接与x(t)成比例。另外，在一些实施方式中，可基于V_UREA、监测到的废气流特性和SCR特性-例如温度、以及x(t)来估算θ_NH3。如果θ_NH3值在正常范围内，则可将其减少至该函数模型的依赖于T_BED的一部分。上述x(t)的值可通过上游NO_X传感器或虚拟NO_X传感器来监测。ρ_CELL是SCR装置的特性并且是已知值。由这些已知的或可估计的因素，示例性SCR的转化效率可通过由下列函数所表示的模型来确定：η＝f(T_BED，SV，θ_NH3)                    [3]这样，通过在已知的或校准的范围内维持其他因素，可准确地确定作为机载诊断函数的SCR转化效率。

在适当的运行条件下，正常运行的SCR装置会在跟踪效率测试结果中产生可预期的效率结果。SCR装置中效率下降的不同原因会导致在跟踪效率测试结果中产生不同的结果。例如，由永久损坏或催化剂故障引起的效率下降在整个测试过程中会产生缓和的(muted)效率结果。由过高的或过低的废气温度引起的效率降低同样会在测试结果数据中显示特殊的结果，其与由其他原因导致的效率降低是容易区别的。另外，由于尿素喷射的效果高度依赖于SCR装置中的温度，因此作为尿素喷射方法的一部分，废气温度被密切地跟踪。由还原剂不足或缺少还原剂引起的效率下降类似地在测试结果数据中显示可以区别的特殊结果。

图3图示了根据本发明的示例性测试结果，其显示了一时间段内正常机能的催化剂和非正常机能的催化剂的转化效率。如这些示例性测试结果所示，具有正常机能的催化剂的SCR装置中的转化效率非常接近1，表示SCR完成了几乎全部NO_X的转化。如这些示例性测试结果所示，具有异常机能的催化剂的SCR装置中的转化效率大大低于1，表示SCR未完成全部NO_X的转化，而是允许一定量的NO_X穿过该装置。本领域技术人员可以明了的是，在测试时间段内，在所有影响转化效率的因素保持不变的情况下，异常机能的催化剂的效率也基本上保持在恒定的范围内。

图4和图5图示了根据本发明的示例性测试结果数据，其示出了在各种不同环境下催化剂不足或没有催化剂的所述系统的效率结果。图4示出了一定时间段内三条不同的转化效率曲线。第一曲线表示一个系统，在该系统中SCR催化剂上起初没有还原剂，并且尿素储存罐中具有50％尿素、50％水的混合物。如所述曲线显示的那样，在整个测试周期内，SCR的转化效率基本上保持在恒定范围内。然而，如第二和第三曲线所示，其示出了在催化剂上最初存有一些还原剂的系统，在进入测试周期的一段时间内，催化剂上存有的还原剂对NO_X进行转化，因此存在一定的图样。然而，随着测试的进行，当无污染的尿素喷射没有补充催化剂上的还原剂时，转化效率将降低到由尿素储存罐中尿素浓度指示的某个水平。在第二和第三曲线中，第二曲线包括初始储存在催化剂上的氨，以及与第一曲线相类似的，尿素储存罐中具有50％尿素、50％水的混合物。在其他变量保持不变的情况下，第二曲线最终也停留在与第一曲线所示的范围相类似的基本恒定的范围内。第三曲线与第二曲线相似，包括初始存储在催化剂上的氨。然而，第三曲线包括的数据是尿素储存罐充满100％的水。因此，在示例性的测试结果中，由于没有还原剂补充到催化剂的表面，转化效率很快下降到零。转化效率的这种下降描述了动力系统的启动，在此，尿素储存罐被重新充满，因为前一次动力系是由于被稀释、被污染或不当物质的存在而停止的。这种下降对确定尿素储存罐中的稀释物和污染物的存在是有用的，并且可用于避免引起SCR装置低转化效率的其他原因的错误指示。

如上所述，除了还原剂存有量之外的其他一些因素-例如废气流温度或催化剂温度也会影响转化效率。另外，催化剂温度会影响初始储存于催化剂上的还原剂能存在多长时间。图5示出了改变催化剂温度对图4所示的转化效率下降的影响。图示的两条曲线示出了在催化剂表面初始存有还原剂并且尿素储存罐含100％水的系统的测试结果。除了原始数据还一起示出了由数据计算出的趋势线。图中示出了催化剂温度保持在较低温度(560K)的第一曲线和催化剂温度保持在较高温度(600K)的第二曲线。如测试结果中明显看到的，催化剂温度的提高使得SCR表面的初始还原剂相对于低温度催化剂表面上的还原剂耗尽得更快。该信息对于设定用来诊断动力系启动中无尿素还原剂的可校准测试周期是有用的。根据这种特性，可编排查询表或简单的函数，从而根据已测得的、已确定的或预测到的催化剂温度来设定测试周期。

公开了一种利用显示SCR装置中转化效率下降的测试结果来指示无尿素还原剂故障的方法。考虑用多种方法来指示这种下降特性。一个模型可描绘出测试结果的趋势线或测试结果的平均效率，并将趋势线与阈值进行比较。在替代方式中，一些窗口的最低效率平均值可以与其他窗口中的其他效率值或与指示测试失效的绝对阈值相比较。在所公开的一种方法中，将测试的第一窗口中的平均转化效率误差与同一测试中的下一窗口中的平均转化效率误差相比较，其中，第一窗口中的平均转化效率误差以第一窗口中测量的平均测试值与第一窗口中的预测测试值之差来计算，下一窗口中的平均转化效率误差以下一窗口中测量的平均测试值与下一窗口的预测测试值之差来计算。这些差值的比较结果可与诊断阈值相比较，并且可在超出诊断阈值的情况下发布无尿素还原剂的故障。可以针对单次超出发布故障。在替代方式中，根据测试结果的可靠性，特别是参照信号噪声和影响转化效率的其他因素，可基于与诊断阈值比较中的反复报错来发出无尿素还原剂故障。

图6示意性地示出了根据本发明的示例性信息流，其在测试周期内对转化效率进行比较，从而确定无尿素还原剂故障。信息流300包括测试启动器模块310、初始窗口效率计算模块320、运行转化效率计算模块330、加法模块340和345、除法模块350、绝对值模块360和比较器模块370。这里所述的方法可在动力系每次启动时运行。在图6的示例性实施方式中，测试启动器模块310并非用于在动力系每次启动时启动测试，而是收集信息从而确定发出测试信号的适当条件。如上所述，测试最可能在尿素储存罐刚刚装满时正确地诊断无尿素还原剂。模块310监测罐再装满检测信号以表明测试是合适的。罐再装满信号可包括来自尿素储存罐填充水平传感器的简单指示或来自其他模块(未示出)的经处理信号。另外，因为催化剂温度对于转化效率很重要，所以需要处于校准范围内的稳定的催化剂温度来执行无尿素还原剂测试。模块310在监测到罐再装满事件并且监测到催化剂温度在可接受范围内时产生测试信号。

图7示意性地示出了根据本发明的示例性尿素储存罐，其包括用来操作尿素喷射的传感器。尿素喷射系统400包括尿素计量供给模块260、尿素储存罐410、尿素泵415、尿素输送管线420、尿素输送管线压力传感器430、以及罐填充水平传感器440。尿素计量供给模块260已在上文结合附图2进行了描述。尿素储存罐410具有一定容积，一定量的尿素可存储在其中以最终用于后处理系统。尿素泵415是能够从罐410抽取尿素并输送增压尿素到尿素输送管线420的装置，优选为电动装置。泵415可整体地连接到罐体410，或者泵415可独立地存在于罐的外部。尿素输送管线420将罐410连接至尿素计量供给模块260。压力传感器430可通信地连接至管线420并允许管线420精确地增压至某个校准的管线压力。罐填充水平传感器440用来输出罐410中存在的液体的近似体积。来自传感器440的信号可用来产生如图6所示的罐再装满检测信号。

返回到图6，初始窗口效率计算模块320监测来自模块310的测试信号。在测试开始时，模块320通过一个窗口测量SCR装置的平均转化效率。平均转化效率可通过以下公式来计算。 $\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=1-\frac{\stackrel{\‾}{y}}{\stackrel{\‾}{x}}---\left[4\right]$ 在这个示例性公式中，通过模块320监测的转化效率测量值包括多个x(t)值和y(t)值，并且确定了这些值的平均值。一个利用方程4的特定实施方式包括如下公式： $\mathrm{\η}=1-\frac{\∫y\left(t\right)*\mathrm{dt}}{\∫x\left(t\right)*\mathrm{dt}}---\left[5\right]$ 本领域技术人员可以明了的是，公式4和5实质上生成在装置中转化的NO_X与装置中流入的NO_X的百分比。如上所述，在最后一次动力系停止之前的运行中还原剂还保持在催化剂表面上的情况下，测试结果会指示为效率处于或接近正常的转化效率。在第一窗口中将装置的转化效率确定为基准测量值使得能够观察到上述下降，其指示补充还原剂的尿素喷射不足。作为第一窗口转化效率的替代，当前条件和运行范围下的可接受的基准可以从用于确定可接受基准转化效率的模型输出。然而，由于模型的不精确基准预测，这种基于模型的方法本身倾向于出现无尿素还原剂故障的错误指示，然而利用来自第一窗口的真实测量值就很少导致这种不精确。用于通过窗口获取平均效率的第一测试窗口的持续时间必须足够短，以错过任何预期的转化效率的下降。然而，该窗口也必须足够长，以过滤掉信号噪声和效率计算过程中的其他瞬态影响。将模块320确定的第一窗口的转化效率输出到加法模块340。在加法模块340中，第一窗口的转化效率与第一窗口的正常催化剂的预测转化效率相加。正常催化剂的预测转化效率是基于历史数据的值，可通过查询图表得到，或可从足以描述SCR装置的特性的模型输出。然而，通过测试可以看出，由于正常工作状态下的正确运行的SCR是在几乎完整的效率下运行的，通过假定正常催化剂的预测转化效率等于1，图6所示的方法就可得到简化。因此，加法模块340输出第一窗口转化效率减去预测转化效率或数值1之后得到的差。运行转化效率计算模块330与模块320相似地操作，利用公式4或类似的计算来确定下一测试窗口的SCR的平均转化效率。任何后续窗口的周期长度可与第一窗口的周期长度相同，但并非必须是相同的长度。另外，每个后续窗口的长度也可以但并非必须相同。模块330监测转化效率测量值并输出第一窗口之后的至少一个窗口的转化效率。与加法模块340的输入相同，加法模块345监测来自模块330的下一窗口的转化效率，并输出该转化效率与那个窗口下的正常催化剂的预测转化效率或数值1之间的差，并且模块345输出该差值。将来自加法模块340和加法模块345的差值输入到除法模块350。确定所述差值的比率，该比率描述了受到针对第一窗口确定的转化效率与针对下一窗口得出的转化效率之间差值影响的比率。模块350中产生的比率值可通过以下公式来表示： $\mathrm{Ratio}=\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{\mathrm{SubsequentWindow}}}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_{\mathrm{FirstWindow}}}---\left[6\right]$ 特别地，在确定的转化效率接近1的情况下，误差或信号噪音会使得所述差值或者为正值或者为负值。这样的差值符号的改变会引起模块350中确定的比率改变符号。绝对值模块360将比率值修正为正值。比较器模块370将该比率值与校准的或确定的诊断阈值相比较。该阈值设定为一个值，该值表示转化效率从第一窗口到下一窗口的显著下降。在该比率的上下文中，如果第一窗口的效率和下一窗口的效率都是一致的数值，那么该比率应该接近1。如果转化效率的显著下降出现在第一窗口和下一窗口之间，则由示例性公式5确定的比率会快速地上升为大于1的数值。选择合适的诊断阈值使得能够判定无尿素还原剂的故障。只要所述窗口足够长以便确定精确的平均值，图6所示的方法可在一个测试周期内执行一次或两次，或者可在限定的测试周期内执行多次。通过这样的方式，就可利用转化效率来确定SCR装置中NO_X转化的测量值并基于NO_X转化的测量值来指示无尿素还原剂故障。

图8图示了根据本发明的通过图6方法确定的比率值与诊断阈值的示例性比较。NO_X转化效率相对于基准转化效率或初始窗口转化效率的比率是通过5个测试顺序样本来表示的。两组数据被示出：第一组是利用机能异常的催化剂产生的数据，第二组是利用尿素储存罐中被污染或稀释的尿素以及具有初始还原剂量的催化剂产生的数据。两组数据的第一测试顺序样本是第一窗口样本。因为第一窗口测试顺序样本是基准样本，这个比率等于1。如上所述，在描述机能异常的催化剂的数据组中，整个测试维持在劣化一定程度的转化效率级别。尽管效率从接近1的正常效率降低，但是效率的减小量保持在也产生基准值的一定范围内。因此，第一数据组中的比率仍然接近1。如上所述，在第二数据组中，与催化剂上最初存在还原剂有关的高初始转化效率很快降低。如图6所示，这产生了图8所示的相对于基准值的高比率。通过选择适当的诊断阈值-在这个特定示例中校准的阈值比率选择在2.5的比率处，可基于比率值与诊断阈值之间的比较来确定无尿素还原剂故障。

可基于下一窗口的转化效率与根据上述方法确定的诊断阈值之间的单独比较来产生无尿素还原剂故障。在替代方式中，根据噪声信号或其他误差源，可基于多个转化效率或确保判定转化效率减少的有效性的若干转化效率的平均值来产生故障。

图9示意性地图示了根据本发明的示例性的SCR转化效率模块的使用。后处理系统500包括SCR装置220、下游NO_X传感器240、尿素计量供给模块260、尿素储存罐410、SCR催化剂床温度传感器510和SCR转化效率模块520。SCR转化效率模块520根据在此描述的方法监测与装置220的转化效率有关的信息并指示无尿素还原剂故障。如上所述，用来分析转化效率的所述方法可包括上游NO_X传感器，或所述方法可包括虚拟NO_X传感器，该虚拟NO_X传感器具有用来描述与后处理系统通信连接的发动机的NO_X输出的模型。在当前的实施方式中，发动机运行的相关细节可通过远程模块或系统-例如发动机控制模块来监测。通过在模块520内进行编程来利用发动机运行的这些相关细节，以估计发动机产生的并随后进入后处理系统的NO_X或x(t)。另外，监测数据还来自表示催化剂温度的传感器510、与再装满事件和后处理系统的尿素计量供给相关的罐410以及与y(t)有关的下游NO_X传感器240，并按照这里所述的方法对这些数据进行处理。

图6的示例性方法是基准第一窗口效率与后续效率之间的转化效率比较的一个优选实施方式。产生上述转化效率误差项放大了各窗口的转化效率之间的较小偏差并得到了数值相对较大的比率。然而，本领域技术人员可以明了的是，该优选的比较方式仅仅是用来分析各窗口的转化效率的示例性工具，本发明并不局限于在该比较中使用的这种特定的示例性计算工具。

转化效率是确认SCR装置中NO_X处理量减少的一种方法。然而，可以预见，还存在检测NO_X转化量减少的其他方法。例如，在下游NO_X传感器处监测到的NO_X-y(t)也可产生类似于上述转化效率监测的结果。例如，在还原剂起初存在于催化剂表面但没有被充分补充的情况下，y(t)会从低的值开始并快速升高到与正在运行的SCR装置中的正常NO_X处理不对应的程度。在这个方法中，对应于SCR中消耗的初始还原剂的简单y(t)阈值测量值结合运行的特征时间范围，可用来指示无尿素还原剂的故障。在替代方式中，为了指示无尿素还原剂的故障，可基于预测SCR运行的模型来预测y(t)并将其与实际y(t)读数相比较。图10示意性地图示了根据本发明的示例性信息流，其在测试周期内将下游NO_X传感器测量值与下游NO_X预测值进行比较，从而确定无尿素还原剂故障。信息流600包括下游NOx预测模块610和下游NOx比较器模块620。下游NOx预测模块610监测指示SCR运行的多个输入，包括x(t)、T_BED、SV(t)、以及θ_NH3。模块610内的编程计算公式确定y_PREDICTED(t)的值。为了指示无尿素还原剂的故障，下游NOx比较器模块620将y(t)与y_PREDICTED(t)进行比较，并对所述值应用了诊断标准。如上所述，这个诊断标准可以有多种形式，包括旨在识别Δy增大的阈值和时间范围，Δy表示y(t)与y_PREDICTED(t)之间的差值，而Δy增大对应于转化效率的降低和SCR未充分补充还原剂。可选地，模块620可包含SCR模块，SCR模块使用编程计算公式并基于Δy的数据曲线来诊断SCR未按照预期的与还原剂供应充足相关的处理参数来运行。在模块620内用于指示无尿素还原剂故障的标准有多种形式，其利用SCR的工作特性来诊断与Δy的增加相关的、随时间变化的SCR性能下降，本发明并不局限于这里所述的特定实施方式。在图10的示例性实施方式中，术语Δy_CRITICAL被图示为描述了y(t)与y_PREDICTED(t)之间的一种差值，该差值表明存在于下游传感器处的NO_x大幅偏离预测值，并且临界时间范围示出为表示从初始正常值的延时，其中，最新出现的超出Δy_CRITICAL的值可用来诊断和指示无尿素还原剂的故障。对Δy_CRITICAL和临界时间范围的使用可为如下形式：在测试时段内选取在该临界时间范围截止之前的第一窗口，以及在临界时间范围截止之后的后续窗口，每个窗口通过与第一窗口限定的基准Δy进行比较而检查Δy的特性。通过这种方式，可利用y(t)来确定SCR装置中NO_X的转化量并且基于NO_X转化量的测量值指示无尿素还原剂的故障。

上述方法可以用来诊断和指示无尿素还原剂故障。然而，可以明了的是，为保证诊断的高可信度，需要某些正常的运行条件。例如，低的尿素输送管线压力或尿素喷射器故障，以及妨碍在催化剂上足量补充还原剂的情况，都会在SCR装置内产生类似于尿素储存罐中存在污染所导致的情况。然而，可以监测将尿素供给到喷射器的系统中的管线压力，而喷射器的故障-例如全部的或局部堵塞可通过压力测量或者其他本领域公知的方法来诊断。为了避免错误的无尿素还原剂故障，可在上述方法中诊断或指示无尿素还原剂故障之前增加一个步骤，用来估计这些正常工作条件是否得到满足。

无尿素还原剂故障的指示可以体现为多种形式，并可包括如下指示，譬如以光、视觉信息或音频信息的形式告知操作者的的警告指示器；记录在动力系控制器中的指示；使发动机控制器优先运行产生少量NO_X的模式的指示；以及通过无线通讯系统向远程处理器或信息网络发送的信息。

本发明描述了某些优选实施方式及其改型。在阅读并理解说明书的基础上他人还可作出其它改型和变化。因此，本发明并不局限于为了实施本发明而设计的作为最佳方式公开的特定实施方式，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (22)

1.一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中指示无尿素还原剂故障的方法，所述后处理系统包括利用催化剂转化NO_X的后处理装置，所述方法包括：

在测试时段内、在动力系启动事件之后监测从所述后处理系统排出的NO_X含量；

在所述测试时段内、在动力系启动事件之后监测进入所述后处理系统的NO_X含量的测量值；

基于从所述后处理系统排出的所述NO_X含量和进入所述后处理系统的所述NO_X含量的测量值确定在所述后处理装置中完成的NO_X转化的测量值；

在所述测试时段内，将在所述测试时段开始时确定的所述NO_X转化的测量值与在所述测试时段内更晚时的所述NO_X转化的测量值进行比较；

基于在所述测试时段开始时与所述测试时段内更晚时之间进行的、识别所述后处理装置中完成的NO_X转化的减少的所述比较来指示无尿素还原剂故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述后处理装置中完成的所述NO_X转化的测量值是转化效率；并且其中，识别所述后处理装置中完成的NO_X转化的减少的所述比较包括识别所述转化效率的降低。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述后处理系统中完成的所述NO_X转化的测量值是从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的差值，并且其中，所述对所述后处理系统中完成的NO_X转化的减少进行比较识别包括识别从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的增加。

4.如权利要求3所述的方法，其中，从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的所述差值包括从所述后处理系统排出的预测NO_X含量与从所述后处理系统排出的所述NO_X含量之间的差值；并且其中，从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的增加包括从所述后处理系统排出的预测NO_X含量与从所述后处理系统排出的所述NO_X含量之间的所述差值的增加。

5.一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中指示无尿素还原剂故障的方法，所述后处理系统包括利用催化剂转化NO_X的后处理装置，所述方法包括：

监测进入所述后处理系统的NO_X含量；

监测从所述后处理系统排出的NO_X含量；

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的所述NO_X含量确定测试周期的第一窗口的转化效率；

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的所述NO_X含量确定所述测试周期的下一窗口的转化效率；

将所述第一窗口的所述转化效率和所述下一窗口的所述转化效率进行比较；和

基于所述比较和诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障，所述诊断阈值被选择为指示所述第一窗口与所述下一窗口之间的转化效率的显著下降。

6.如权利要求5所述的方法，其中，对所述第一窗口的所述转化效率进行的所述确定包括：

确定在所述第一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例。

7.如权利要求6所述的方法，其中，确定在所述第一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例包括：

确定在所述第一窗口期间从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的平均值；

确定在所述第一窗口期间进入所述后处理系统中的所述NO_X含量的平均值；和

利用所述平均值来确定所述第一窗口的平均转化效率。

8.如权利要求6所述的方法，其中，确定在所述第一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例包括：

确定在所述第一窗口期间从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的积分；

确定在所述第一窗口期间进入所述后处理系统中的所述NO_X含量的积分；和

利用所述积分来确定所述第一窗口的平均转化效率。

9.如权利要求5所述的方法，其中，对所述下一窗口的所述转化效率进行的所述确定包括：

确定在所述下一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例。

10.如权利要求9所述的方法，其中，确定在所述下一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例包括：

确定在所述下一窗口期间从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的平均值；

确定在所述下一窗口期间进入所述后处理系统中的所述NO_X含量的平均值；和

利用所述平均值来确定所述下一窗口的平均转化效率。

11.如权利要求9所述的方法，其中，确定在所述下一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例包括：

确定在所述下一窗口期间从所述后处理系统排出的所述NO_X含量的积分；

确定在所述下一窗口期间进入所述后处理系统中的所述NO_X含量的积分；和

利用所述积分来确定所述下一窗口的平均转化效率。

12.如权利要求5所述的方法，其中，对所述第一窗口的所述转化效率和所述下一窗口的所述转化效率进行的所述比较包括：

基于所述第一窗口的所述转化效率和所述第一窗口的预测转化效率来确定第一窗口转化效率误差；

基于所述下一窗口的所述转化效率和所述下一窗口的预测转化效率来确定下一窗口转化效率误差；和

确定所述下一窗口转化效率误差与所述第一窗口转化效率误差的比率。

13.如权利要求12所述的方法，

其中，所述诊断阈值是校准的阈值比率；并且

其中，基于所述比较和所述诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障包括确定所述下一窗口转化效率误差与所述第一窗口转化效率误差的所述比率是否超过了所述校准的阈值比率。

14.如权利要求5所述的方法，还包括：

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的NO_X含量来确定所述测试周期的多个后续窗口的转化效率；

将所述第一窗口的所述转化效率与所述多个后续窗口的所述转化效率进行比较；和

基于对所述第一窗口的所述转化效率与所述多个后续窗口的所述转化效率的所述比较来指示所述无尿素还原剂故障。

15.如权利要求14所述的方法，其中，基于对所述第一窗口的所述转化效率与所述多个后续窗口的所述转化效率的所述比较来指示所述无尿素还原剂故障包括：

基于所述多个后续窗口的所述转化效率中任一个超出所述诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障。

16.如权利要求14所述的方法，其中，基于对所述第一窗口的所述转化效率与所述多个后续窗口的所述转化效率的所述比较来指示所述无尿素还原剂故障包括：

基于所述多个后续窗口的多个所述转化效率超出所述诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障。

17.如权利要求5所述的方法，其中，对进入所述后处理系统的所述NO_X含量进行的所述监测包括：

监测所述发动机的运行，和

基于所述发动机的所述运行来估计所述发动机中的NO_X生成量。

18.一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中产生无尿素还原剂故障的方法，所述后处理系统包括利用催化剂将NO_X转化成无污染分子的后处理装置，所述方法包括：

监测尿素储存罐再装满事件；

监测进入所述后处理系统的NO_X含量；

监测从所述后处理系统排出的NO_X含量；

当所述尿素储存罐再装满事件发生时，基于进入所述后处理系统的NO_X含量和从所述后处理系统排出的NO_X含量确定测试周期的第一窗口的基准转化效率；

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的所述NO_X含量确定所述测试周期的一系列后续窗口的转化效率；

基于每个窗口的预测转化效率将所述转化效率转变成转化效率误差；

确定每个后续窗口的转化效率误差与所述第一窗口的转化效率误差的比率；

将每个后续窗口的所述比率与校准的阈值比率相比较，所述校准的阈值比率被选择为指示所述第一窗口与所述后续窗口之间的转化效率的显著降低；

基于所述比较产生所述无尿素还原剂故障。

19.一种在包括内燃发动机和后处理系统的动力系中指示无尿素还原剂故障的设备，所述后处理系统包括利用催化剂转化NO_X的后处理装置，所述设备包括：

监测从所述后处理系统排出的NO_X含量的传感器；

SCR转化效率模块，其包括执行下列功能的程序：

监测进入所述后处理系统的NO_X含量；

监测从所述后处理系统排出的NO_X含量；

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的所述NO_X含量确定测试周期的第一窗口的转化效率；

基于进入所述后处理系统的所述NO_X含量和从所述后处理系统排出的所述NO_X含量确定所述测试周期的下一窗口的转化效率；

将所述第一窗口的所述转化效率和所述下一窗口的所述转化效率进行比较；和

基于所述比较和诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障，所述诊断阈值被选择为指示所述第一窗口和所述下一窗口之间的转化效率的显著下降。

20.如权利要求19所述的设备，

其中，确定所述第一窗口的所述转化效率的所述程序包括：

确定在所述第一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例的程序，并且

其中，确定所述下一窗口的所述转化效率的所述程序包括：

确定在所述下一窗口期间在所述后处理装置中转化的NO_X与进入所述后处理系统的所述NO_X含量的比例的程序。

21.如权利要求19所述的设备，其中，将所述第一窗口的所述转化效率与和所述下一窗口的所述转化效率进行比较的所述程序包括执行下列功能的程序：

基于所述第一窗口的所述转化效率和所述第一窗口的预测转化效率来确定第一窗口转化效率误差；

基于所述下一窗口的所述转化效率和所述下一窗口的预测转化效率来确定下一窗口转化效率误差；和

确定所述下一窗口转化效率误差与所述第一窗口转化效率误差的比率。

22.如权利要求21所述的设备，

其中，所述诊断阈值是校准的阈值比率；并且

其中，基于所述比较和所述诊断阈值来指示所述无尿素还原剂故障的所述程序包括确定所述下一窗口转化效率误差与所述第一窗口转化效率误差的所述比率是否超过了所述校准的阈值比率的程序。

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