CN102052131B - 用于监控加热系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监控加热系统的方法。提供了一种用于监控用于SCR催化器系统的还原剂箱和计量装置的加热系统的方法，所述SCR催化器系统具有至少一个箱加热装置、至少一个压力管道加热装置以及至少一个输送模块加热装置。该方法的特征在于，检测并且处理所述SCR催化器系统的运行参数和传感器值，将所述运行参数和所述传感器值在能够预先给定的公差(4，5)之内与参考值(1)相比较并且从中推断出所述加热系统的有故障的表现。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监控用于SCR(选择性催化还原)催化器系统的还原剂箱与计量装置的加热系统的方法，所述SCR催化器系统具有至少一个箱加热装置，至少一个压力管道加热装置以及至少一个输送模块加热装置。
背景技术
已知用于运行尤其车辆中的内燃机的方法和装置，在所述车辆的排气区域内布置了SCR催化器(Selective Catalytic Reduction)，该SCR催化器在存在还原剂的情况下将包含在内燃机的废气中的氮氧化物(NOx)还原成氮气。由此可以大幅度减少废气中的氮氧化物的份额。对于所述反应的进行来说需要混入废气中的氨(NH3)。因此使用NH3或者说分解NH3的试剂作为反应剂。为此通常使用含水的尿素溶液(尿素水溶液)，将所述尿素水溶液借助于计量装置在SCR催化器之前喷入到排气管路中。从所述溶液中形成作为还原剂起作用的NH3。为储存尿素水溶液而设置了还原剂箱或者说尿素水溶液箱。
为从所述还原剂箱中输送尿素水溶液，通常设置了泵作为输送模块的组成部分，该泵通过管道系统来输送所述溶液，从而能够在压力下将尿素水溶液通过压力管道和计量阀比如电磁喷射阀喷入所述排气管路中。
通常所使用的标准化的尿素水溶液具有在大约-11℃时冻结的特性。为了在外部温度较低时也能够保证正常的废气后处理，需要至少对还原剂箱进行加热。为此通常设置了由箱加热装置、压力管道加热装置和输送模块加热装置以及温度传感器和所属的加热控制装置所组成的加热系统。所述加热系统的加热元件通常包括具有欧姆特征的元件与所谓的PTC(正温度系数)元件。所述PTC元件是包含低温时导电性比高温时强的导电材料的正温度系数电阻元件。电阻随着温度升高而增大，从而随着温度的升高，所产生的热功率下降并且进行所述加热元件的“自动调节”。由此避免了较强的过热或者持续通电。还原剂箱加热器比如可以由两个并联的PTC元件组成，所述PTC元件布置在两个串联的欧姆的加热元件之间。
所述加热系统的各个元件尤其也包括PTC加热元件暴露在机械载荷及电载荷之下。构件的受损导致功能性能受到不好的影响或者甚至导致系统完全失灵。尤其在PTC元件受损时会出现加热装置的通电太高或者太低。因为正常运转的加热系统是正常的废气后处理的前提，所以需要对所述加热系统的功能性能进行监控。
德国公开文献DE 102 34 561A1提出了用于对具有PTC加热元件的电加热装置进行功能检测的方法和装置，对于所述PTC加热元件来说，在接通所述加热装置后检测在特定的时间间隔内流经所述PTC加热元件的加热电流的强度。在此确定，在所述时间间隔期间加热电流的强度是否超过或者至少达到预先给定的阈值，从而可以在必要时表示发生故障。然而如果应该对一个以上的加热元件尤其加热元件复合体或者复杂的加热系统进行检查，则所述方法未提供令人满意的解决方案，因为尤其对于并联的PTC加热元件来说无法就故障的类型和定位作出明确的结论。此外，所述加热装置中的电流还遭受显著的波动，因而在所述方法中容易得出错误的结论。
发明内容
本发明的任务是，改进对用于SCR催化器系统的还原剂箱和计量装置的加热系统的监控，从而能够可靠地保证外部温度较低时存在足够液态的还原剂溶液用于正常的废气后处理。在此应该可靠地识别、定位并且相应地表示或者说处理出现的故障。
该任务通过一种具有权利要求1所述特征的用于监控用于SCR催化器系统的还原剂箱和计量装置的加热系统的方法得到解决。本方法的优选的设计方案是从属权利要求的主题。
为了对用于SCR催化器系统的还原剂箱和计量装置的加热系统进行监控，本发明提出了一种方法，所述SCR催化器系统具有至少一个箱加热装置、至少一个压力管道加热装置以及至少一个输送模块加热装置。在该方法中检测并且处理所述SCR催化器系统的运行参数和传感器值，将这些数值与处于能够预先给定的公差之内的参考值进行比较并且在需要时从中推断出所述加热系统的有故障的表现。本方法允许对所述SCR催化器系统的还原剂箱和计量装置的复杂的加热系统进行监控，在所述监控过程中可以检测在所述加热系统中可能出现的不同的故障。用按本发明的方法能够定位相应的故障并且发送故障报告，从而能够排除损坏。通过对故障的定位能够在需要时仅仅切断分系统，从而避免进一步的后续损坏。
按照按本发明的方法的一种特别优选的设计方案，将本方法分成子程序或者说将方法步骤合并在各个模块中，尤其合并在至少两个并且优选更多的模块中。优选由上级的模块UHC_Mon对各条加热电路实施主监控与释放。对于不同的加热电路或者说单个加热装置来说，优选设置了单独的下级的模块UHC_MonCx。将按本发明的方法分成多个模块，这允许对所述加热系统的不同的组件或者构件复合体进行有针对性的监控并且由此进行故障定位。此外，分成各个模块的做法允许有针对性地释放所述加热系统的各个组件，从而比如在分系统中出现故障时能够有针对性地切断该分系统。
特别有利地设置了四个模块。所述四个模块尤其是用于对各条加热电路进行主监控和释放的上级的模块UHC_Mon。此外作为下级的模块还设置了用于对第一箱加热电路进行监控的模块UHC_MonC1、用于对合并在加热电路中的压力管道加热装置和输送模块加热装置进行监控的模块UHC_MonC2以及用于对第二箱加热电路进行监控的模块UHC_MonC3。
优选设置所述下级的模块尤其模块UHC_MonC1、UHC_MonC2和/或UHC_MonC3用于识别所述加热系统中的短路和/或者线路中断。在此短路和/或者线路中断的识别优选以各个加热元件的PTC特征的识别为基础。如开头所提到的，在电加热构件中所使用的PTC元件具有依赖于温度的特征性的电流特性曲线。在具有一个或者多个PTC元件的加热装置中，电流在接通后连续地升高。与此同时温度也由于所述加热装置的加热作用而上升。这在PTC元件的晶体内部由于自身加热而引起电阻的增大，从而在达到最大电流峰值后电流再次下调(abregeln)。按照本发明将所述PTC元件的特征性的电流特性曲线用于识别加热系统中的短路和/或者线路中断。按照本发明检测代表着流经相应的加热元件的总电流或者电流镜(Stromspiegel)的传感器值并且将其与对于正常运行的加热装置来说可期望的参考值相比较。在此优选考虑加载到相应的加热装置上的电压，因为所述电压可能对总电流并且由此对最大可能的加热功率施加显著的影响。因而也优选将电池电压考虑在内。所述参考值代表着在加热元件的功能正常时可期望的数值。因而，在所检测的传感器值与所述参考值有偏差时，可以推断出故障并且优选输出相应的故障信号。
比如可以使用相应的单元的总电流的最大电流峰值用于比较测量值与参考值。尤其合适的是将最大电流峰值用作测量值，因为该数值尤其可以容易并且无差错地检测得到。为此比如可以在加热电路的接通时刻之后连续地读出流过的总电流。将所读出的数值始终与下一个所读出的数值相比较。如果当前的数值比先前数值大，那就改写旧数值。一直重复该操作直至达到最大的电流峰值。如果先前数值比当前所测得的数值大，则达到了电流峰值。将如此探测到的最大电流峰值用于与参考值进行比较。
在其它的实施方式中，作为参考值可以保存具有合适的公差带的关于时间和/或关于温度的电流特性曲线，所述电流特性曲线反映了可期望的特征性的电流特性曲线。
按照按本发明的方法的一种优选的实施方式，所述上级的模块UHC_Mon包括以下输入参数中的至少一个：
-加热电路的要求，
-下级的模块UHC_MonCx中的电流以及
-优选箱温度。
该模块的任务是，只要不存在故障就断开所要求的各条加热电路并且计算所需要的总电流。除此以外，还可以检查箱温度是否太高。
在按本发明的方法的一种优选的设计方案中，所述下级的设置用于监控第一箱加热电路的模块UHC_MonC1包括以下输入参数中的至少一个：
-电池电压，
-自上一次发动机切断起的持续时间，
-箱温度，
-在SCR监控方面的释放，
-加热器触发的状态，
-模块UHC_MonC1的以前的释放状态，
-第一箱加热电路的所测得的电流和/或
-第一箱加热装置末极的状态。
用这些以相应的传感器值和运行参数的形式检测并且处理的参数可以在与正常运转的系统的特征性的功率曲线的比较中识别出短路及空载故障。为求得所述特征性的功率曲线或者说合适的参考值，优选从电池电压、电流、参考曲线和公差因数中计算公差曲线。
通过以所说明的方式检测并且分析不同的参数这种方法能够获得模块UHC_MonC1的以下输出参数：
-加热装置上出现的最大电功率，
-关于出现最大功率的说明和/或
-热启动的采用。
为将传感器值与参考值作比较，优选将所测得的最大值(最大功率(max power))与所模拟的最大值(最小/最大阈值min/maxthreshold)作比较。如果实际值超过上限，则识别出PTC短路。此外，如果在加热装置断开时有电流流动，则也可以识别出短路。将所模拟的最大值或者说所模拟的比如由启动温度与加热时间构成的电流特性曲线与实际的实际电流信号相比较并且在偏差处于能够预先给定的公差之外时推断出故障。
在按本发明的方法的另一种优选的设计方案中，所述下级的设置用于监控合并在加热电路(压力管道加热电路)中的压力管道及输送模块加热装置的模块UHC_MonC2包括以下输入参数中的至少一个：
-电池电压，
-自上一次发动机切断起的持续时间，
-环境温度，
-箱温度，
-在SCR监控方面的释放
-加热器触发的状态，
-模块UHC_MonC2的以前的释放状态，
-压力管道加热电路的所测得的电流和/或
-压力管道加热装置末极的状态。
所述模块UHC_MonC2的输入参数因此与所述模块UHC_MonC1的输入参数相似，例外情况是，额外地检测环境温度并且检测模块UHC_MonC2的以前的释放状态、压力管道加热电路的所测得的电流以及压力管道加热装置末极的状态来替代模块UHC_MonC1的释放状态、第一箱加热电路的所测得的电流以及第一箱加热装置末极的状态。
类似的情况适用于所述设置用于监控第二箱加热电路的模块UHC_MonC3的输入参数。在此优选检测以下输入参数中的至少一个：
-电池电压，
-自上一次发动机切断起的持续时间，
-箱温度，
-在SCR监控方面的释放，
-加热器触发的状态，
-模块UHC_MonC3的以前的释放状态，
-第二箱加热电路的所测得的电流和/或
-第二箱加热装置末极的状态。
优选地可以在所有三个所说明的下级的模块中以上面所解释的方式识别并且定位所述加热系统的不同组件中的短路和/或线路中断，从而能够输出或者说处理相应的故障报告。此外还可以用所说明的输入参数来检测，是否应该采用热启动。
按本发明的方法的用于对各条加热电路或者说各个加热装置进行监控的模块并不局限于所说明的模块。各个模块以及尤其是其输入和输出参数的设计方案可以与相应地有待监控的加热系统的各个组件的相应的设计方案相匹配。
在按本发明的方法的一种特别优选的设计方案中，设置所述模块中的至少一个模块尤其至少一个或者所有下级模块用于在加热系统或者加热电路未运行时强制采用检测模式。在此可以对所述模块的表现进行检测，即使在相应的时刻并未要求所述模块。因此，各个模块在所述加热系统或者说各条加热电路例如较长时间未运行并且能够提供足够的功率时可以在检测模式中运行，用于为检测目的而运行加热环境(Heizszenario)。
在按本发明的方法的一种优选的设计方案中，所述方法作为线路装置或者作为计算机程序来实现，该计算机程序在其于计算器或者控制器上运行时执行所述方法的所有步骤。这样的计算机程序或者线路装置比如可以在内燃机的同样设置用于加热控制的控制器中实现。作为计算机程序来实现具有以下优点，即在现有的车辆中也可以以这种形式来实现所述按本发明的方法，而不必安装其它硬件组件。
附图说明
本发明的其它优点和特征从下面结合附图说明对实施例所作的描述中获得。在此可以独自地或者相互组合地实现不同的特征。在附图中示出：
图1是用于PTC加热元件的加热时间/功率曲线的示意图连同不同的故障情况的示意图；
图2是作为按本发明的方法的一种优选的设计方案的组成部分的上级的模块的示意图；
图3-5是作为按本发明的方法的一种优选的设计方案的组成部分的下级的模块的示意图。
具体实施方式
按本发明的方法检测SCR催化器系统的运行参数和传感器值并且根据这些数值或者说数据与参考值的比较推断出是否存在加热系统的有故障的表现。在此本发明利用了所述加热系统的不同的加热元件显示出所谓的PTC特性。图1示出了PTC加热元件的特征性的以及典型的PTC特性。在此示出了用于PTC元件的加热时间/功率曲线。正常运行的PTC元件的特征性的曲线用1表示。功率曲线1在SCR系统的功率带3之内。电流在接通后持续上升。功率在达到最大值2后再次下降。该曲线通过以下方式形成，即在作为正温度系数电阻的PTC元件的内部由于加热电阻的自身加热而出现电阻的增大，从而在达到最大电流峰值后电流再次下调。该特征性的曲线1用于能够从与这种功率曲线之间的在能够预先设定的公差范围内的偏差中推断出加热系统中的故障。根据不同的运行参数和因数，尤其在考虑电池电压、电流、参考曲线和公差因数的情况下计算出上面和下面的公差曲线4和5。所述公差曲线4和5确定了公差带。一旦所测得的功率曲线不在该公差带之内运动，则应该认为存在故障。为将实际值与参考值相比较，比如可以引用最大的电流峰值2。如果所测得的最大电流峰值在最大阈值6之上或者在最小阈值7之下，则存在故障。
图1示出了不同的可能的故障情况。如果在启动或者说接通PTC元件或者说加热电路之前能够确定电流或者说功率8，则存在外部短路(外部短路故障(external short circuit error))。如果如在曲线9中所示，在接通PTC元件时功率骤然上升到超过最大阈值6，则在PTC元件上存在短路(PTC短路故障(PTC short circuit error))。如果如用曲线10所示，在接通PTC元件之后不能够测量到任何功率，则在PTC元件上存在空载，也就是说，与PTC元件之间的电连接中断(PTC断路故障(PTC open circuit error))。
在下面所解释的用于按本发明的方法的示范性的模块说明了上级的模块UHC_Mon以及三个下级的设置用于监控各条加热电路的模块，更确切地说是一个用于监控第一箱加热电路的模块(模块UHC_MonC1)，一个用于监控第二箱加热电路的模块(模块UHC_MonC3)和一个用于监控用于压力管道和输送模块的加热装置的模块(模块UHC_MonC2)，所述三个下级的模块合并在加热电路中。
图2说明了上级的模块UHC_Mon的输入及输出参数。示意性地示出的上级的模块20的任务是，在没有故障的情况下断开所要求的各条加热电路(UHC_stMonC1，UHC_stMonC2，UHC_stMonC3)，并且计算出所需要的总电流(UHC_iToT)。此外要检查箱温度是否太高。如果所测得的箱温度超过能够预先设定的阈值，则识别出箱的过热。将以下数值用作输入参数：
-箱温度(SCRCtl_tUTnk)，
-加热电路的要求(UHC_stCReq)，
-下级的模块中的电流(UHtrPL_iSensDia，UHtrTnk2_iSensDia，UHtrTnk1_iSensDia)。在此PL表示压力管道和输送模块的加热装置，Tnk1和Tnk2表示两条箱加热电路。
图3示出了下级的设置用于监控第一箱加热电路的模块30(UHC_MonC1)的输入及输出参数。所述输入参数是：
-电池电压(BattU_u)，
-自上一次发动机切断起的持续时间(EngDa_tiEngOff)，
-箱温度(SCRCtl_tUTnk)，
-在SCR监控方面的释放(SCRMon_stUHC)，
-加热器触发的状态(UHC_stCtl)，
-模块UHC_MonC1的以前的释放状态(UHC_stMonC1)，
-第一箱加热电路的测得的电流(UHtrTnk1_iSensDia)，
-第一箱加热装置末极的状态(UHtrTnk1_stPs)。
输出信号或者说输出参数是：
-在加热装置上出现的最大电功率(UHC_pwrTnkMaxVal)，
-关于出现最大功率的说明(UHC_stTnkPwrMaxEnd)，
-热启动的采用(UHC_stTnkWrmStrt)。
这个模块以及其它下级的模块的任务是，根据PTC特征在加热电路中也就是比如在箱加热装置、压力管道加热装置和输送模块加热装置中识别出短路和线路中断。此外，所述下级的模块还可以强制采用检测模式，对于该检测模式来说在不要求所述模块的期间内对模块的表现进行检测。比如如果较长时间未运行所述加热系统并且可以提供足够的功率用于运行检测模式，那么在所述检测模式中为检测目的而运行加热环境(Heizszenario)。
为将所测得的数值与参考值进行比较，优选将所测得的最大值与所模拟的数值、尤其与所模拟的最大值6和所模拟的最小值7相比较。如果实际值超过上限6，则识别出PTC短路。如果实际值低于最小值7，则识别出空载。如在图1所示的曲线8中所示，在另外的测量中能够检查在加热装置断开的情况下是否有电流流动，从而可以推断出可能的外部短路。
图4示出了下级的模块40(UHC_MonC2)的输入及输出参数，设置所述下级的模块40(UHC_MonC2)用于监控合并在加热电路中的压力管道加热装置和输送模块加热装置。各个功能与模块UHC_MonC1的参数相似。在此输入参数如下：
-电池电压(BattU_u)，
-自上一次发动机切断起的持续时间(EngDa_tiEngOff)，
-环境温度(EnvT_t)，
-箱温度(SCRCtl_tUTnk)，
-在SCR监控方面的释放(SCRMon_stUHC)，
-加热器触发的状态(UHC_stCtl)，
-模块UHC_MonC2的以前的释放状态(UHC_stMonC2)，
-压力管道加热电路的所测得的电流(UHtrPL_iSensDia)，
-压力管道加热装置末极的状态(UHtrPL_stPs)。
除了以上面所说明的方式能够在该模块中确定的短路及空载故障外，还可以输出热启动的采用(UHC_stPLWrmStrt)。
在图5中所示的下级的设置用于监控第二箱加热电路的模块50(UHC_MonC3)包括以下输入参数：
-电池电压(BattU_u)，
-自上一次发动机切断起的持续时间(EngDa_tiEngOff)，
-箱温度(SCRCtl_tUTnk)，
-在SCR监控方面的释放(SCRMon_stUHC)，
-加热器触发的状态(UHC_stCtl)，
-模块UHC_MonC3的以前的释放状态(UHC_stMonC3)，
-第二箱加热电路的所测得的电流(UHtrTnk2_iSensDia)，
-第二箱加热装置末极的状态(UHtrTnk2_stPs)。
输出热启动的采用UHC_stTnkWrmStrt。在模块UHC_MonC1、C2和C3中以类似的方式进行功率曲线的最大值计算以及对参考值及其公差带的模拟。
Claims (8)
1.用于监控用于SCR催化器系统的还原剂箱与计量装置的加热系统的方法，所述SCR催化器系统具有至少一个箱加热装置、至少一个压力管道加热装置以及至少一个输送模块加热装置，其特征在于，检测并且处理所述SCR催化器系统的运行参数和传感器值，将所述运行参数和所述传感器值在能够预先给定的公差（4，5）之内与参考值相比较并且从中推断出所述加热系统的有故障的表现，其中，所述方法作为子程序包括至少一个上级的用于主监控和释放各条加热电路的模块UHC_Mon（20）和至少一个下级的用于监控各条加热电路的模块UHC_MonCx（30，40，50），其中，设置所述下级的模块UHC_MonCx（30，40，50）中的至少一个用于在加热系统未运行时强制使用检测模式。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下级的模块是用于监控第一箱加热电路的模块UHC_MonC1（30）、用于监控压力管道加热装置和输送模块加热装置的模块UHC_MonC2（40）和/或用于监控第二箱加热电路的模块UHC_MonC3（50）。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，设置所述下级的模块（30，40，50）中的至少一个用于识别在所述加热系统中的短路和/或线路中断，其中，所述识别以加热元件的PTC特征（1）为基础。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于主监控和释放各条加热电路的模块UHC_Mon（20）包括以下输入参数中的至少一个：
- 加热电路的要求，
- 模块UHC_MonCx中的电流以及
- 箱温度。
5.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用于监控第一箱加热电路的模块UHC_MonC1（30）包括以下输入参数中的至少一个：
- 电池电压，
- 自上一次发动机切断起的持续时间，
- 箱温度，
- 在SCR监控方面的释放，
- 加热器触发的状态，
- 模块UHC_MonC1的以前的释放状态，
- 第一箱加热电路的所测得的电流和/或
- 第一箱加热装置末极的状态。
6.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用于监控压力管道及输送模块加热装置的模块UHC_MonC2（40）包括以下输入参数中的至少一个：
- 电池电压，
- 自上一次发动机切断起的持续时间，
- 环境温度，
- 箱温度，
- 在SCR监控方面的释放，
- 加热器触发的状态，
- 模块UHC_MonC2的以前的释放状态，
- 压力管道加热电路的所测得的电流和/或
- 压力管道加热装置末极的状态。
7.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述用于监控第二箱加热电路的模块UHC_MonC3（50）包括以下输入参数中的至少一个：
- 电池电压，
- 自上一次发动机切断起的持续时间，
- 箱温度，
- 在SCR监控方面的释放，
- 加热器触发的状态，
- 模块UHC_MonC3的以前的释放状态，
- 第二箱加热电路的所测得的电流和/或
- 第二箱加热装置末极的状态。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述方法作为电路装置来实现。
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