CN104153858A - 一种scr系统催化箱故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油机SCR系统催化箱故障检测方法，具体包括如下步骤：所述电控单元读取上游排气温度值T1，根据T1电控单元读取标定的SCR箱上游排气温度T1 标；所述电控单元读取上游排气温度值T2，根据T2电控单元读取标定的SCR箱上游排气温度T2 标；在一个驾驶循环的连续t时间内，所测量得到的T2小于内燃机相同状态下的T2 标一定范围值α，即（T2-T2 标）<α,则SCR箱故障检测因子β值加1，然后退出本次检测；若在连续t时间内（T2-T2 标）数据的不超过范围值α，则退出本次驾驶循环中的检测；在n个连续的驾驶循环后，若SCR箱故障检测因子β值累加到γ（<=n），则判定SCR箱已经发生故障。采用本方法可以有效检测SCR系统催化箱故障，而且成本低廉，运行稳定可靠。

Description

一种SCR系统催化箱故障检测方法
技术领域
本发明公开了一种柴油机SCR系统催化箱故障检测方法，特别是一种涉及基于温度变化的柴油机SCR系统催化箱故障检测方法。
背景技术
为了达到越来越严格的汽车尾气排放法规，大多数柴油发动机厂家都开始采用燃油喷射控制、增压中冷等方式降低PM污染物排放水平，再利用SCR技术降低柴油机尾气中增多的NOx含量，从而最终达到满足排放法规的要求。
柴油机SCR技术一般是通过柴油机ECU根据发动机进气量、实际喷油量和发动机状态标定出SCR催化箱前发动机尾气中NOx的浓度，电控单元ECU根据标定出的NOx浓度控制尿素水溶液的喷射量。同时借助安装在SCR催化箱后端的排气管上的NOx传感器，检测经过SCR催化箱后的废气中NOx的浓度数据，ECU根据检测到的NOx浓度数据修正尿素喷射量计算模型，借以适应SCR催化箱老化对SCR系统效果的影响，从而最终达到排放法规要求的NOx排放水平。
NOx传感器成为现有柴油机SCR技术的关键部件，但NOx传感器价格昂贵，且不能通过NOx测量值有效检测出SCR催化箱是否失效，容易出现为了降低SCR催化箱后端废气中NOx含量而增大尿素溶液喷射量的情况，形成NH3过多并泄露到大气中，造成二次污染。为了避免上述SCR催化箱失效后NH3泄露造成二次污染的问题，提供一种实用性高，性能稳定的检测方法，及时发现柴油机SCR系统催化箱故障成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上面提到的问题，及时发现柴油机SCR系统催化箱故障，本发明提供了一种SCR系统催化箱故障检测方法，所述的内燃机SCR系统包括连接内燃机排气口的前排气管8，SCR催化反应箱5和后排气管9，前排气管连接SCR催化箱的进口，后排气管连接SCR催化箱的出口，在前排气管与SCR催化箱连接处安装有尿素喷嘴4和上游排气温度传感器6，在SCR催化箱与后排气管连接处后端安装有下游排气温度传感器7，上游排气温度传感器6和下游排气温度传感器7均与电控单元1连接。具体的，上游排气温度传感器6的测量值为T1，下游排气温度传感器7的测量值为T2，具体的故障检测方法包括以下步骤：
电控单元读取上游排气温度值T1，根据T1电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T1标；电控单元读取上游排气温度值T2，根据T2电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T2标；
如果在一个驾驶循环的连续t时间内，所测量得到的T2 小于内燃机相同状态下的T2标 一定范围值α，即（T2 -T2标）<α,则SCR箱故障检测因子β值加1，然后退出本次检测；若在连续t时间内（T2-T2标）数据的不超过范围值α，则退出本次驾驶循环中的检测；在n个连续的驾驶循环后，若SCR箱故障检测因子β值累加到γ（<=n），则在尿素泵2、喷嘴4、上、下游排气温度传感器（6、7）正常工作情况下，则判定SCR箱已经发生故障。
经过大量实验验证，得到内燃机排气系统热平衡模型，内燃机排气系统中，未喷射尿素水溶液时，SCR催化箱5后端排气管9测量的排气温度曲线a，喷射尿素水溶液且SCR催化箱5有效情况下排气温度曲线b，喷射尿素水溶液且SCR催化箱5失效情况下排气温度曲线c，喷射等量纯水时SCR催化箱5后端排气管9测量的排气温度曲线d。
所述的SCR催化箱故障检测条件以催化箱体内温度来界定，通常情况下可以根据SCR催化箱前上游排气温度值来替代，即上游排气温度T1连续m时间超过x℃、发动机工况稳定时满足检测条件，m、x均有整车标定试验决定，具体为x大于230℃同时小于550℃。
所述的电控单元中存储有多组内燃机台架试验和整车试验时标定的上游排气温度T1标和下游排气温度 T2标。
在所述一个驾驶循环内，连续时间t由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车连续时间t值存在变化。
所述的T2 和T2标 的一定范围值α由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车该α值存在变化。
所述的n个连续驾驶循环，n值由整车标定试验决定，n>0。
所述的SCR箱故障检测因子β初始值为0。
所述的SCR箱故障检测因子β累加值γ的值大于0，小于或等于连续驾驶循环值n ,γ值由整车标定试验决定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是能够直接给出SCR催化箱失效报警信息，提醒进行SCR催化箱更换，防止了由于SCR催化箱老化造成SCR效率下降、NH3泄露和尿素水溶液浪费，节约了SCR系统行车成本和维护成本。在ECU存储的SCR催化箱前上游气温度T1和SCR催化箱后下游排气温度T2标定准确、标定排温数量足够覆盖柴油机各个工作状态的情况下，甚至可以利用SCR箱后的排气温度传感器7代替NOx传感器功能，提高SCR系统经济性，降低整车的综合成本。
附图说明
图1是本发明中一个实施例的SCR后处理系统装置示意图；
图2是本发明中另一实施例柴油发动机SCR后处理系统温度测量示意图；
图3是本方法中所使用到的SCR催化箱故障检测流程图。
图中：1、电控单元ECU，2、尿素泵，3、尿素箱，4、尿素喷嘴，5、SCR箱，6、SCR箱前排气温传感器，7、SCR箱后排气温传感器，8、SCR箱前排气管，9、SCR箱后排气管；其中a、未喷射尿素时SCR箱后排气温度曲线，b、喷射尿素且SCR箱有效时后排气温度曲线，c、喷射尿素且SCR箱失效时排气温度曲线，d、喷射等尿素喷射量的纯水时SCR箱后排气温度曲线，T2SR箱有效、喷射尿素且SCR箱有效情况下在某工况下S1时间段采集的SCR箱后排气温度值，T2SR箱失效、喷射尿素且SCR箱失效情况下在特定工况下S1时间段采集的SCR箱后排气温度值。
具体实施方式
下面结合图1至3具体说明本发明的实施方式，如图1所示为本发明一个实施例的SCR后处理系统装置示意图，其中内燃机SCR系统包括连接内燃机排气口的前排气管8，SCR催化反应箱5和后排气管9，前排气管连接SCR催化箱的进口，后排气管连接SCR催化箱的出口，在前排气管与SCR催化箱连接处安装有尿素喷嘴4和上游排气温度传感器6，在SCR催化箱与后排气管连接处后端安装有下游排气温度传感器7，上游排气温度传感器6和下游排气温度传感器7均与电控单元1连接。具体的，上游排气温度传感器6的测量值为T1，下游排气温度传感器7的测量值为T2，具体的故障检测方法包括以下步骤：
电控单元读取上游排气温度值T1，根据T1电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T1标；
电控单元读取上游排气温度值T2，根据T2电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T2标；
如果在一个驾驶循环的连续t时间内，所测量得到的T2 小于内燃机相同状态下的T2标 一定范围值α，即（T2 -T2标）<α,则SCR箱故障检测因子β值加1，然后退出本次检测；
若在连续t时间内（T2-T2标）数据的不超过范围值α，则退出本次驾驶循环中的检测；
在n个连续的驾驶循环后，若SCR箱故障检测因子β值累加到γ（<=n），则在尿素泵2、喷嘴4、上、下游排气温度传感器6、7等设备正常工作情况下，则判定SCR箱已经发生故障。
具体的参照图3，在一个驾驶循环内，当满足SCR催化箱故障检测条件后开始检测。在连续时间t之内测量下游排气温度T2值，通过比对电控单元1中存储的相对应内燃机同工况下SCR催化箱5后端排气管9中的排气温度数据T2标，若在连续t时间内（T2-T2标）数据的超过范围值α，则SCR箱故障检测因子β值加1，然后退出本次检测，下次驾驶循环开始继续检测。若在连续t时间内（T2-T2标）数据的不超过范围值α，则退出本次驾驶循环中的检测。
在n个连续的驾驶循环后，若SCR箱故障检测因子β值累加到γ（<=n），则在尿素泵2、喷嘴4、上、下游排气温度传感器（6、7）正常工作情况下，则判定SCR箱已经发生故障。由于存在某次测量结果不准确的情况，为了避免偶然出现的不准确测量产生的误报，所以，通过一端时间范围内的多次测量，并对测量结果进行累计，这样当出现SCR催化箱故障时，在较少的时间段内就可以准确的判断。
在本发明的另一个实施例中，一种基于温度变化的内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，通过在SCR催化箱5、前排气管8上安装上游排气温度传感器6和SCR催化箱5、后端排气管9上安装排气温度传感器7，检测经过经过SCR催化箱5前端排气管8中的上游排气温度值T1和SCR催化箱5后的排气管9中的废气温度T2。在柴油机某些状态下，通过比对电控单元1中存储的相对应内燃机同工况SCR催化箱5后端排气管9中的下游排气温度数据T2标，根据（T2-T2标）数据的大小判定SCR催化箱5是否已经老化失效，并给出相应的OBD报警信息。
柴油机SCR系统工作状态下，排气系统热平衡主要涉及：
①、SCR催化还原反应产生的化学反应热；
②、喷入的尿素水溶液气化升温吸热；
③、SCR催化箱和排气管散热损失；
④、尿素水溶液中CO(NH2)2 分解成NH3产生的反应热。
柴油机SCR系统工作时发生的化学反应主要有：
CO(NH2)2(熔化的)  à  NH3(气态)+HNCO(气态)+Q1   （尿素分解反应1） 
HNCO(气态) + H2O  à  NH3(气态) + CO2(气态)+Q2   （尿素分解反应2）
4NH3 + 4NO + O2  à  4N2 + 6H2O +Q3   （标准SCR反应）
4NH3 + 2NO + 2NO2  à  4N2 + 6H2O+Q4  （快速SCR反应）
通过标准焓计算，获得Q1=-186KJ/mol，Q2=96KJ/mol，Q3=-406.867KJ/mol，Q4=-699.594KJ/mol，综合焓计算，得到反应全过程Q=-746.457KJ/mol，整体反应为放热过程，主要的热动态平衡表现为：
其中： 是SCR催化箱整体结构的质量(kg)；c ps 是SCR催化箱特定比热容(J/kg·K)； 是SCR催化箱上游温度(K)；是SCR催化箱下游温度；是废气质量流量(kg/s)；n是每秒NOx排放的摩尔质量(kmol/s)；是催化还原反应的反应速率；是催化还原反应的反应热 (J/kmol)；是Stephan-Boltzmann常熟(W/m2·K4)；热辐射表面积，是催化剂效率；T e 是环境温度(K)。
结合图2所示，为发动机某状态下SCR系统热平衡曲线：a、未喷射尿素时SCR箱后排气温度曲线，b、喷射尿素且SCR箱有效时后排气温度曲线，c、喷射尿素且SCR箱失效时排气温度曲线，d、喷射等尿素喷射量的纯水时SCR箱后排气温度曲线。这里的某状态是指在一个驾驶循环，特别是其中第一个稳定工况过程中。
具体的，SCR催化箱故障检测条件一般以催化箱体内温度来界定，通常情况下可以根据SCR催化箱前上游排气温度值来替代，即上游排气温度T1连续m时间超过x℃、发动机工况稳定时满足检测条件。m、x均有整车标定试验决定，一般情况下x大于230℃。
而且，电控单元1中存储有多组内燃机台架试验和整车试验时标定的上游排气温度T1标和下游排气温度 T2标。根据当前一个驾驶循环的特性，选择该特性对应的上游排气温度T1标和下游排气温度 T2标。进一步的，一个驾驶循环内，连续时间t由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车连续时间t值存在变化。该变化取决与内燃机和整车的情况，本领域的技术人员可以根据具体内燃机和整车的情况，结合本发明披露的技术方案不需要创造性的劳动即可以选择合适的连续时间t。
进一步的， T2 和T2标 的一定范围值α由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车该α值存在变化。n个连续驾驶循环，n值由整车标定试验决定，n>0。本领域的技术人员可以根据具体内燃机和整车的情况，结合本发明披露的技术方案不需要创造性的劳动即可以选择合适的范围值α和连续驾驶循环的数量n。
进一步的， SCR箱故障检测因子β初始值为0。SCR箱故障检测因子β累加值γ的值大于0，小于或等于连续驾驶循环值n,γ值由整车标定试验决定。本领域的技术人员可以根据具体内燃机和整车的情况，结合本发明披露的技术方案不需要创造性的劳动即可以选择合适的累加值γ的值。

Claims (8)

1.一种内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其中所述内燃机SCR系统包括连接内燃机排气口的前排气管（8），SCR催化反应箱（5）和后排气管（9），前排气管连接SCR催化箱的进口，后排气管连接SCR催化箱的出口，在前排气管与SCR催化箱连接处安装有尿素喷嘴（4）和上游排气温度传感器（6），在SCR催化箱与后排气管连接处后端安装有下游排气温度传感器（7），上游排气温度传感器（6）和下游排气温度传感器（7）均与电控单元（1）连接，上游排气温度传感器（6）的测量值为T1，下游排气温度传感器7的测量值为T2，其特征在于：具体的故障检测方法包括以下步骤
所述电控单元（1）读取上游排气温度值T1，根据T1电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T1标；
所述电控单元（1）读取上游排气温度值T2，根据T2电控单元读取存储的内燃机相应工况下标定的SCR箱上游排气温度T2标；
如果在一个驾驶循环的连续t时间内，所测量得到的T2 小于内燃机相同状态下的T2标 一定范围值α，即（T2 -T2标）<α,则SCR箱故障检测因子β值加1，然后退出本次检测；
若在连续t时间内（T2-T2标）数据的不超过范围值α，则退出本次驾驶循环中的检测；
在n个连续的驾驶循环后，若SCR箱故障检测因子β值累加到γ（<=n），则在尿素泵（2）、喷嘴（4）、上、下游排气温度传感器（6、7）正常工作情况下，则判定SCR箱已经发生故障。
2.根据权利要求1所述一种内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：SCR催化箱故障检测条件以催化箱体内温度来界定，上游排气温度T1连续m时间超过x℃、发动机工况稳定时满足检测条件，m、x均有整车标定试验决定，其中x的温度大于230℃同时小于550℃。
3.根据权利要求1所述一种内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：所述的电控单元中存储有多组内燃机台架试验和整车试验时标定的上游排气温度T1标和下游排气温度 T2标。
4.根据权利要求1所述的一种内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：在所述一个驾驶循环内，连续时间t由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车连续时间t值存在变化。
5.根据权利要求1所述的一种内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：所述的T2 和T2标 的一定范围值α由内燃机台架试验和整车试验决定，根据不同的内燃机和整车该α值存在变化。
6.根据权利要求1所述的内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：所述的n个连续驾驶循环，n值由整车标定试验决定，n>0。
7.根据权利要求1所述的内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：所述的SCR箱故障检测因子β初始值为0。
8.根据权利要求1所述的内燃机SCR系统催化箱故障检测方法，其特征在于：所述的SCR箱故障检测因子β累加值γ的值大于0，小于或等于连续驾驶循环值n,γ值由整车标定试验决定。
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