CN102400752A - 用于车辆中选择性还原催化器的基于模型的诊断方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种车辆，包括发动机、具有选择性催化还原(SCR)装置的排气系统、NOX传感器和第一以及第二控制器。第一控制器将来自SCR模型的估计NOX水平与来自传感器的实际水平进行比较，且在该值彼此不同时更新SCR模型。第二控制器评估SCR模型的更新频率，并在频率过度时执行控制动作。控制系统包括上述传感器和两个控制器。一种诊断排气系统的方法，包括测量SCR装置下游的NOX气体，在估计和测量的NOX水平之间存在偏差时更新SCR模型，将来自SCR模型的估计的氨气(NH3)存储水平与模拟的或估计的上NH3存储水平边界和下NH3存储水平边界比较，以判断过度的更新，并在过度更新存在时设定诊断代码。

Description

用于车辆中选择性还原催化器的基于模型的诊断方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于诊断车辆中选择性还原催化器性能的基于模型的方法和系统。
背景技术
在通过柴油或直燃式内燃发动机提供动力的车辆中，颗粒过滤器设置在排气流中以捕获烟灰、烟尘、硫酸盐、金属颗粒和/或任何其他物质的微观颗粒。过滤器再生发生在经过过滤器的排出气体的温度暂时地升高到至少约450摄氏度的阈值以上时发生。还可使用选择性催化还原装置来进一步净化排出气流，其被专门设计为将氮氧化物或NOX气体转换成水和氮，作为额外的惰性副产品。
发明内容
本文公开一种车辆，其包括发动机，具有选择性催化还原(SCR)装置的排气系统、NOX传感器、第一控制器和第二控制器，该SCR装置接收来自发动机的排出气体并还原排出气体中的氮氧化物(NOX)气体。NOX对逃逸出SCR装置的氨(NH3)交叉敏感(cross-sensitive)，由此NOX传感器能测量NH3并将读数解读为NOX。作为结果，下游信号会特别有噪音。
NOX传感器判断SCR装置下游的NOX气体的实际水平，且第一控制器具有SCR模型，其提供包括估计的SCR装置下游的NOX气体水平在内的一组输出值。该第一控制器还将来自SCR模型的估计NOX气体水平与来自NOX传感器的实际水平比较，并在估计和实际水平彼此不同时自动更新SCR模型。第二控制器通过针对经校准的阈值自动地评估第一控制器所做的SCR模型更新的频率来诊断排气系统的运行。第二控制器随后可在更新频率被确定为相对于经校准的阈值过度时设定诊断代码或执行另一合适的控制动作。
还针对具有内燃发动机和SCR装置的车辆提供控制系统，该SCR装置接收来自发动机的排出气体并还原排出气体中的NOX气体。控制系统包括具有SCR模型的第一控制器，和第二控制器，该第二控制器针对校准的阈值评估SCR模型的更新频率，所述阈值诸如通过上NH3边界模型和下NH3边界模型中的每一个所提供的NH3存储水平。只要第二控制器诊断到SCR模型的过度更新，该第二控制器就设定诊断代码或执行另一合适的控制动作。
一种诊断车辆中排气系统的性能的方法，所述车辆具有发动机、NOX传感器、第一控制器、第二控制器，该方法包括测量SCR装置下游的NOX气体水平，使用SCR模型和第一控制器估计NOX气体水平，并使用第一控制器将来自SCR模型的估计NOX气体水平与来自NOX传感器的NOX气体水平进行比较。该方法还包括在估计的和实际的NOX气体水平彼此不同时更新SCR模型，并使用第二控制器通过针对经校准的阈值自动地评估第一控制器所做的SCR模型更新频率来诊断排气系统的运行。该方法还包括在通过第二控制器评估出更新频率相对于校准阈值过度时执行控制动作。
在下文结合附图进行的对实施本发明的最优实施例做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是车辆的示意图，该车辆具有选择性催化还原装置(SCR)和如本文公开的SCR模型的排气系统；
图2是描述了用于通过评估SCR模型更新频率来诊断图1所示的排气系统的方法的流程图。
具体实施方式
参见附图，其中相同的附图标记在几幅图中代表相同的部件，图1示出了车辆10。车辆10具有发动机12，例如柴油发动机或直喷式内燃发动机，在燃料燃烧过程中其将产生排出气体13。排出气体13在排放到大气之前进入并经过排气系统14。
排气系统14包括选择性催化还原(SCR)装置16。SCR装置16使用活性催化剂将氮氧化物，即NOX气体，转换成惰性副产品水和氮气。SCR装置16可以被配置为陶瓷块或陶瓷蜂窝结构、平板结构、或具有足够热质的任何其他合适的设计。排出气体13中的NOX气体与存储于SCR装置16中的氨气(NH3)反应，由此在排出气体被排放到周围大气之前减少排出气体中NOX气体的水平。
车辆10包括控制系统，该控制系统包括NOX传感器25和相应的第一和第二控制器50和60，每个控制器都被配置为主机或处理器。第一控制器50包括如下所述的可更新SCR模型55，其被第一控制器连续地调整、修正或以其他方式更新。第二控制器60包括算法100，以通过由第一传感器50评估SCR模型55的更新频率来诊断排气系统14的运行。例如，第二控制器60可产生并应用相应的上边界和下边界模型70和80，以提供经校准的阈值，第二控制器可针对该阈值评估SCR模型55的更新频率。在一个实施例中，边界模型70和80可以是使经建模或估计的SCR装置16的NH3存储水平，其中两个边界模型都不像SCR模型55那样可被更新。
具体说，第二控制器60产生经校准的阈值，如存储在SCR装置16中的NH3水平的上边界和下边界，而SCR装置中实际的NH3水平最终由从含有尿素(即(NH2)2CO)的液体贮存器18所注射的尿素15产生。尿素15的注射响应剂量信号17(例如来自控制器50)而发生在SCR装置16的上游，并用合适的尿素剂量控制硬件46执行。以原始形态运输诸如NH3的还原剂是困难且昂贵的，因此，可以在车辆10上使用尿素15，其运输容易且相对便宜。尿素15在存在热量的情况下被分解成NH3，NH3随后被储存在SCR装置16中，以用于将NOX气体还原成惰性副产物。
用于评估排气系统14的相应第一和第二控制器50和60可被配置为通用用途的数字计算机，或是和多个温度传感器20的每个关联的比例积分微分(PID)控制器装置，且所述控制器通常包括微处理器或中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模拟-数字(A/D)和/或数字-模拟(D/A)电路和任何输入/输出电路或装置，以及任何合适的信号调节和缓冲电路。算法100和任何所需的参考校准值被存储在第二控制器60中，或可容易地被第二控制器执行，以诊断排气系统14的性能。
第二控制器60经由通讯通道29与第一控制器50通讯，且具有可选的指示装置90，其在后文参照图2被描述。还有，尽管出于显示清晰的目的，第二控制器60被示出为与第一控制器50分开的装置，但是，需要的话，第二控制器的一些或所有结构可以与第一控制器共用。即，意图实现两个控制器50和60的功能的分离，而不必在结构上分离。
除了SCR装置16，排气系统14可包括氧化催化器22和颗粒过滤器24。SCR装置16、氧化催化器22和颗粒过滤器24的顺序可以变化，例如氧化催化器在SCR装置前面，而SCR装置在颗粒过滤器前面。在各种可行实施例中，颗粒过滤器24可被配置为陶瓷泡沫、金属筛网、颗粒氧化铝和/或任何其他合适的材料或材料的组合。颗粒过滤器24连接到氧化传感器22，或整体地和氧化传感器22一起形成，氧化催化器与燃料喷射装置23连通，可运行以将一定量的燃料28从燃料箱30输送到氧化催化器，或进入排出气体13中用于后续的点火，以在颗粒过滤器的再生过程中增加排出气体的温度。
仍参见图1，第一控制器50接收来自位于排气系统14中的各温度传感器20的温度信号11，所述传感器包括直接位于氧化催化器22下游的传感器和直接位于颗粒过滤器24上游的另一传感器。第一控制器50与发动机12通讯，以接收额外的操作信号27，该信号表明发动机的操作点，如节流阀位置、发动机速度、加速器踏板位置、给送燃料量、所需的发动机扭矩等，所有这些都可以用作排气系统14的控制操作的输入。
燃料28的燃烧产生排出气体13，排出气体随后通过排放歧管34排放进入排气系统14，在该处其被处理以去掉悬浮的颗粒、NOX气体、碳氢化合物等。由燃料28的燃烧释放的能量产生扭矩，该扭矩最终被施加到传动装置38的可旋转输入构件36。传动装置38又将扭矩传递到可旋转输出构件40，以便经由一组轮子42推动车辆10，在图1中出于简要仅显示了其中一个轮子。
SCR模型55基于各种控制输入产生SCR装置16的估计输出值，例如估计的NOX水平、SCR装置中的NH3储存水平等。控制输入可以包括由SCR装置16下游的NOX传感器25测量的实际NOX水平(箭头19)。其他的控制输入可以包括在排气系统14不同点处的O2水平、排出气体13的质量流速、排出气体温度等。第一控制器50将来自NOX传感器25的实际NOX气体水平与其自身建模或估计的NOX气体水平比较，并随后当来自SCR模型的输出值与实际值有偏差时以连续的闭合循环连续地更新、修正或以其他方式调整SCR模型55。
更新会迫使实际储存在SCR装置16中的NH3水平增加或减少。例如，如果SCR模型55预测到SCR装置16下游的NOX水平为百万分之二十(ppm)，而NOX传感器25判断出其实际水平是50ppm，单独地或是与NH3相结合地，则通过SCR装置正转换不充分量的NOX气体。控制器50因此必须确定实际水平信号的组成，并相应地调整SCR模型55。即，第一控制器50可以更新SCR模型55，从而NH3储存水平被调整，即通过减少估计的NH3储存水平以使得在SCR16中存在更少的NH3，这自然会允许NOX水平增加以接近经模拟或估计的水平。
当然，估计的NOX水平的增加又会需要由控制器50来进一步更新SCR模型55，以使得估计的NH3储存水平增加等。即，第一控制器50被认为是主动或不受限控制器，且因此第二控制器60如本文所述的被使用，以产生并应用经校准的阈值，如上边界模型70和下边界模型80，来评估第一控制器何时过度地更新SCR模型。过度更新表明值得进一步调查的系统问题，例如喷射器故障或其他问题，这在没有第二控制器60的情况下会在一段时间内无法检测到。
参见图2，算法100通过第二控制器60自动地执行，以便自动地评估由第一控制器50做出的SCR模型55的更新的频率相对于校准阈值何时过度，例如通过将来自SCR模型55的模拟的NH3存储水平与由边界模型80和70提供的模拟极限进行比较。第二控制器60可以在由第二控制器评估出第一控制器50做出了过度更新时执行合适的控制动作。
从步骤102开始，第二控制器60产生或建立校准阈值。步骤102可以包括产生并应用上边界模型70和下边界模型80。在一个实施例中，模型70和80可以是经简化的单块SCR模型，每个模型对模拟或估计的SCR装置16中的NH3储存水平应用固定的经校准的偏置水平。例如，从SCR模型55中取得的NOX、NH3和/或温度输入水平可以在上边界模型70中被经校准的正百分比或乘数偏置，且在下边界模型80中被同一经校准值的相反数偏置。
为了防止边界模型70和80漂移，在另一实施例中，上边界模型70和下边界模型80可以在经过经校准的持续时间或时间间隔后被清零。如本文所用的，术语“清零”意味着重置边界模型70和80的模型状态，以匹配SCR模型55，边界模型随后被允许在经校准的持续时间、例如100秒内运行而不更新，而SCR模型55被第一控制器50在同一时间间隔上连续地更新。
在步骤104，上边界模型70和下边界模型80被准许运行，而第一控制器50的SCR模型55在步骤102的校准时间段内被针对边界模型进行监测。边界模型70和80主要被输送以假想输入信号，例如来自步骤102的偏置输入信号，该信号最终以NH3消耗的经校准的高端点值(经由上边界模型70)和经校准的低端点值(经由下边界模型80)驱动估计的NH3储存水平。再次地，当SCR模型55连续地被第一控制器50修正或更新时，相应的上边界模型70和下边界模型80在校准持续时间段内没有被修正。
在步骤106，第二控制器60判断SCR模型55是否被第一控制器50针对步骤102的校准阈值过度地更新。例如，步骤106可以将来自SCR模型55的模拟的或估计的NH3储存水平与来自第二控制器的上边界模型70和下边界模型80的模拟或估计的NH3储存水平进行比较。如果SCR模型55没有接近由边界模型70和80界定的假想极限，则算法100重复步骤102。否则，算法100前进到步骤108。
在步骤108，第二控制器60执行控制动作，表明SCR模型55正被过度地更新。这种结果会表示出可修正的硬件问题，如喷射器漂移。因此，如果在步骤102的校准时间段内，SCR模型55被修正为使得其一些输出值(例如估计的NH3储存水平)超过由边界模型70和80提供的相应的值，则第二控制器60可以设置标志或车辆诊断代码，和/或在车辆10内和/或向车外传递消息，和/或启动操作指示装置90(见图1)，作为可行的控制动作。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆，其包括：
发动机；
排气系统，具有选择性催化还原(SCR)装置，该装置接收来自所述发动机的排出气体并还原所述排出气体中的氮氧化物(NOX)气体；
NOX传感器，其测量所述SCR装置下游位置处的NOX气体的实际水平；
第一控制器，其具有SCR模型，该模型提供一组输出值，该组输出值包括SCR装置下游的估计NOX气体水平，其中，所述第一控制器将来自SCR模型的估计NOX气体水平与来自NOX传感器的实际NOX气体水平比较，并在估计和测量的NOX气体水平彼此不同时自动地更新所述SCR模型；和
第二控制器，其通过自动地相对于校准阈值由第一控制器执行的SCR模型的更新频率来诊断所述排气系统的运行，其中该第二控制器在该第二控制器将所述更新频率评估为相对于所述校准阈值过度时执行控制动作。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述第二控制器通过制定单独的上边界模型和下边界模型，并通过将来自该一组输出值的输出值与来自所述上边界模型和下边界模型的相应输出值进行比较，从而评估SCR模型的更新频率。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，来自SCR模型的输出值是所述SCR装置中估计的氨(NH3)储存水平，且其中，该第二控制器通过将来自上边界模型和下边界模型中每一个的SCR装置中NH3的模拟水平与来自SCR模型的估计的NH3储存水平进行比较来评估更新频率。
4.如权利要求2所述的车辆，其中，所述上边界模型和下边界模型各自将经校准的乘数应用于来自所述SCR模型的输出值中的一个。
5.如权利要求4所述的车辆，其中，来自所述SCR模型的输出值是所述SCR装置中的估计NH3水平、所述SCR装置下游的NOX水平和所述SCR装置下游或上游的温度值中的一个。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制动作包括设定车辆的诊断代码。
7.如权利要求1所述的车辆，其中，所述第二控制器在校准过程之后将所述上边界模型和所述下边界模型自动地清零。
8.一种用于车辆的控制系统，该车辆具有发动机和选择性催化还原(SCR)装置，该装置接收来自发动机的排出气体并还原排出气体中的氮氧化物(NOX)，该控制系统包括：
NOX传感器，其被布置在所述SCR装置的下游；
第一控制器，其具有SCR模型，该模型提供所述SCR装置中的估计NOX气体水平，其中所述第一控制器将来自所述SCR模型的所述估计NOX气体水平和由所述下游NOX传感器测得的实际NOX气体水平进行比较，且当所述估计NOX气体水平和所述实际NOX气体水平彼此不同时自动更新所述SCR模型；和
第二控制器，其评估由所述第一控制器执行的所述SCR模型的更新频率，且当所述更新频率被所述第二控制器评估为相对于校准阈值过度时执行控制动作。
9.如权利要求8所述的控制系统，其中，所述第二控制器包括上氨(NH3)边界模型和下NH3边界模型，所述两模型产生用于SCR装置的相应的上NH3存储水平边界和下NH3存储水平边界，且其中，所述第二控制器通过将来自所述SCR模型的估计NH3存储水平与来自所述上NH3存储水平边界模型和下NH3存储水平边界模型中的每一个相应的估计NH3存储水平进行比较来确定更新频率。
10.如权利要求9所述的控制系统，其中，所述上NH3存储水平边界模型和下NH3存储水平边界模型中的每一个将经校准的乘数应用于来自所述SCR模型的估计NH3存储水平。
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