CN108204266A - 柴油发动机的尾气后处理系统及其故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油发动机的尾气后处理系统(1)，包括：用于储存尾气处理剂的处理剂箱(2)；用于计量并向尾气管喷射尾气处理剂的计量喷射模块(4)；连接在所述处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间的供给模块(3)，其用于向所述计量喷射模块(4)供给尾气处理剂；连接在所述计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)；以及用于测量尾气处理剂管(6)内的系统压力的压力传感器；其中，至少基于从所述压力传感器接收到的系统压力信号诊断处理剂箱(2)、计量喷射模块(4)和供给模块(3)中的至少一个的故障。本发明还公开了一种相应的诊断方法。本发明的诊断方法简单可靠，不需要占用太多的系统资源。

Description

柴油发动机的尾气后处理系统及其故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种柴油发动机的尾气后处理系统和一种相应的诊断方法。
背景技术
柴油发动机由于具有可靠性好、热效率高以及输出扭矩大等特性而被广泛用于小型、重型或大型车辆、船舶、发电机以及军用坦克等机器。然而，由于柴油发动机排放的尾气中具有较高含量的氮氧化物，需要通过专用的尾气后处理系统对尾气进行处理以后才能排放到大气中，以满足日益严格的环保要求。
换言之，为了减少空气污染，对于柴油发动机的尾气进行后处理已经成为柴油发动机的标准配备。对于尾气的处理，现在一般通过选择性催化还原方法来进行，通过喷射器将液态还原剂(通常为尿素水溶液)呈气雾状喷射进入尾气管，通过选择性的催化还原反应，将尾气中的有害气体变成无害气体后排入大气中，从而减少对于环境的损害。
为此，尾气后处理系统通常包括：用于储存尾气处理剂、尤其是还原剂的尾气处理剂箱、用于喷射和计量喷射的尾气处理剂的量的计量喷射模块、用于从尾气处理剂箱向计量喷射模块供给尾气处理剂的供给模块以及用于起着控制作用的控制器。
为了确保尾气后处理系统能够可靠工作，尾气后处理系统的故障应该能够及时地被诊断，以便能够及时地发现故障和排除故障。目前，有一些国家或地区甚至通过立法形式要求对尾气后处理系统及其部件能够进行车载诊断。
然而，目前的诊断方法通常需要测量相应的电流来进行分析判断，这需要占用控制器的宝贵资源，而且并非所有控制器均能够测量电流和对电流变化特性进行分析判断。
因此，迫切需要对现有的尾气后处理系统进行改进，以克服至少一种上述缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油发动机的尾气后处理系统和一种相应的诊断方法，以至少部分解决上述技术问题。
根据本发明的第一个方面，提供了一种柴油发动机的尾气后处理系统，包括：用于储存尾气处理剂的处理剂箱；用于计量并向尾气管喷射尾气处理剂的计量喷射模块；连接在所述处理剂箱与计量喷射模块之间的供给模块，其用于向所述计量喷射模块供给尾气处理剂；连接在所述计量喷射模块与供给模块之间的尾气处理剂管；以及用于测量尾气处理剂管内的系统压力的压力传感器；其中，至少基于从所述压力传感器接收到的系统压力信号诊断处理剂箱、计量喷射模块和供给模块中的至少一个的故障。
根据本发明的一些可选的实施例，通过对系统压力信号进行频率分析、特别是利用离散傅里叶变换诊断所述计量喷射模块和/或所述供给模块的故障。
根据本发明的一个可选的实施例，所述供给模块与所述处理剂箱之间设有用于使多余的尾气处理剂回流到处理剂箱的回流管路，至少基于系统压力信号诊断所述回流管路的故障。
根据本发明的一个可选的实施例，所述尾气后处理系统还包括控制器，所述控制器从所述压力传感器接收系统压力信号并执行诊断操作。
根据本发明的第二个方面，提供了一种柴油发动机的尾气后处理系统的诊断方法，其中，所述尾气后处理系统包括：用于储存尾气处理剂的处理剂箱；用于计量并向尾气管喷射尾气处理剂的计量喷射模块；连接在所述处理剂箱与计量喷射模块之间的供给模块，其用于向所述计量喷射模块供给尾气处理剂；连接在所述计量喷射模块与供给模块之间的尾气处理剂管；以及用于测量尾气处理剂管内的系统压力的压力传感器；所述方法包括：从压力传感器接收系统压力信号；以及至少基于所述系统压力信号诊断处理剂箱、计量喷射模块和供给模块中的至少一个的故障。
根据本发明的一个可选的实施例，基于计量喷射模块的预定工作频率确定第一预定诊断条件，通过系统压力信号的频率分析结果确定是否满足第一预定诊断条件，如果满足第一预定诊断条件，则认为计量喷射模块不存在故障，否则至少初步认为存在故障；和/或基于供给模块的预定速率确定第二预定诊断条件，通过系统压力信号的频率分析结果确定是否满足第二预定诊断条件，如果满足第二预定诊断条件，则认为供给模块不存在故障，否则至少初步认为存在故障。
根据本发明的一个可选的实施例，第一预定诊断条件包括：第一幅度阈值和由计量喷射模块的预定工作频率确定的频率区间；和/或第二预定诊断条件包括：第二幅度阈值和由供给模块的预定速率确定的频率区间；和/或当至少初步认为存在故障的累加次数达到预定值时，判定存在故障。
本发明的诊断方法简单可靠，不需要占用太多的系统资源。
附图说明
下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机的尾气后处理系统的组成示意图。
图2示出了测量到的某一时段的系统压力信号。
图3示出了图2所示的系统压力信号的频率分析结果。
图4示出了计量喷射模块出现故障时的系统压力信号的频率分析结果。
图5示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于诊断计量喷射模块的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机的尾气后处理系统的组成示意图。
如图1所示，柴油发动机的尾气后处理系统1包括：用于储存尾气处理剂的尾气处理剂箱2、用于从尾气处理剂箱2供送尾气处理剂的供给模块3、用于喷射和计量喷射的尾气处理剂的量的计量喷射模块4、连接在尾气处理剂箱2与供给模块3之间的管路5、连接在供给模块3与计量喷射模块器4之间的尾气处理剂管6以及起着控制作用的控制器7。
尾气处理剂优选为液态还原剂，例如尿素水溶液。如图1所示，供给模块3优选为泵。工作时，供给模块3通过管路5从尾气处理剂箱2内抽吸尾气处理剂，然后通过尾气处理剂管6将尾气处理剂输送到计量喷射模块4进行定量喷射。
控制器7用于控制柴油发动机的尾气后处理系统1中的部件，这些部件可以为供给模块3和/或计量喷射模块4。控制器7还可以通过通信线路接收相应部件、例如一些传感器的工作状态或测量数据，用以监测或控制柴油发动机的尾气后处理系统1的工作。所述控制器7还可以是柴油发动机的电子控制单元(ECU)或单独设置的部件。当控制器7为单独设置的部件时，优选可与柴油发动机的电子控制单元通信，以从电子控制单元接收数据和将一些数据传送给电子控制单元。
对于尾气后处理系统来说，计量喷射模块的故障诊断尤其重要，这是因为计量喷射模块的故障、例如机械故障或堵塞，不仅会影响尾气处理剂能否喷射，而且即使仍能够喷射，也会影响计量、即喷射量的准确性，喷射量的不准确会影响整个尾气后处理系统的可靠运行。故障不仅包括电连接故障，还包括机械故障。当前，常用的诊断方法是在计量喷射模块工作时测量流过计量喷射模块的电流。基于该电流特性，例如如果电流出现陡然剧烈变化，则认为计量模块出现了机械或电路故障。然而，这种诊断方法在实际中发现是不准确的，而且还会出现背景技术中所描述的缺点。下面，就以计量喷射模块4的诊断为例描述本发明的基本技术思想。
如图1所示，工作时，供给模块3通常通过PID(比例积分微分)控制将尾气处理剂以目标压力从尾气处理剂箱2向供给模块3下游的尾气处理剂管6供给。在尾气处理剂管6内建立系统压力后，计量喷射模块4可根据控制器7的控制命令将尾气处理剂定量地喷射到尾气管中。因此，尾气后处理系统内的系统压力会随着计量喷射模块4的喷射特性而变化，即，是计量喷射模块4的喷射特性的函数。
由于计量喷射模块4的工作频率受控制器7控制而可被预定，该工作频率会影响系统压力的变化特性。为了测量系统压力，优选至少一个压力传感器设置在尾气处理剂管6处，以测量尾气处理剂管6内的压力。当然也可将压力传感器设置在供给模块3处和/或计量喷射模块4处，只要能够反映尾气处理剂管6内的系统压力即可。测量到的系统压力可被控制器7获取并进行分析。
正常情况下，计量喷射模块4以预定工作频率工作。通过对采集到的系统压力信号进行频率分析，可以判断计量喷射模块4是否正常。图2示出了测量到的某一时段的系统压力信号。
根据一个优选的示例性实施例，利用离散傅里叶变换(DFT)、优选是快速傅里叶变换(FFT)、戈泽尔算法对系统压力信号进行频域分析。在变换之后的频域中，如果预定工作频率、例如2Hz处具有明显的幅度，则表明计量喷射模块4以预定工作频率工作来影响系统压力，因此，可以据此认为计量喷射模块4工作正常，如图3所示。如果预定工作频率处没有明显的幅度，则表明计量喷射模块4不再以预定工作频率工作，因此，可以据此至少初步认为计量喷射模块4出现了异常，如图4所示，这通常意味着计量喷射模块4不再能机械地打开或关闭，即出现了故障。
上面显然只是以离散傅里叶变换为例描述了对系统压力信号的频域分析，实际中也可采用任何其他合适的分析方法将系统压力信号从时域变换到频域。甚至可以不用变换到频域，只要能够确定系统压力信号是否具有明显的预定频率分量即可，例如通过自相关分析。
如上所述，计量喷射模块4的工作频率可由控制器7预定，因此，上面给出的2Hz仅是一个示例。实际中，根据需要可选择任何合适的工作频率。
为了判断在预定工作频率处是否存在明显的幅度，可以设定一个幅度阈值。当超过设定的幅度阈值时，认为存在明显的幅度。此外，由于在从时域向频域变换中，受样本量等因素的影响，在变换后的频域中可能会相对于预定工作频率产生一定的偏移，为此，可以例如以预定工作频率为中心设定一个目标频率区间，在该目标频率区间内找寻是否有相应频率的幅度超过了幅度阈值。图3中的方框示出了这样的频率区间8。
在判断是否存在明显的幅度时，也可以采用相对概念，即判断在预定工作频率处是否存在相对较大的幅度。
为了进一步提高诊断的准确性，可以按图5示出的示例性流程图对计量喷射模块4进行故障诊断。
如图5所示，诊断过程以步骤S1开始。如果在步骤S1中控制器7启动了诊断过程，则控制器7在启动计量喷射模块4的过程中从测量系统压力的压力传感器获取预定时段内的系统压力信号，并对该系统压力信号进行频率分析，如步骤S2所示。在步骤S3中，如果在目标频率区间内找寻到了期望目标，例如找寻到了大于幅度阈值的幅度，则行进到步骤S4，认为计量喷射模块4工作正常，结束此次诊断，然后可以返回到步骤S1，等候下一次诊断。在步骤S3中，如果没有找寻到期望目标，则行进到步骤S5，初步认为计量喷射模块4存在故障。为了提高诊断的可靠性，从步骤S5行进到步骤S6，在步骤S6中，使计数器累加一次。然后，行进到步骤S7，判断计数器的值是否大于预定值，如果大于预定值，则行进到步骤S8，判断计量喷射模块4存在故障，同时计数器置零。如果计数器的值不大于预定值，则返回到步骤S4，等候下一次诊断循环。
以上以计量喷射模块4为例描述了本发明的基本技术思想，但显然本发明并不局限于此。具体地讲，尾气后处理系统的系统压力特性不仅反映计量喷射模块4的工作特性，而且还与供给模块3、尾气处理剂箱2的特性等有关。例如，尾气后处理系统在工作时，供给模块2通常始终以预定速率工作，以保持尾气处理剂管6内的压力。为此，供给模块2通常还通过回流管路连接到尾气处理剂箱2，以将供给的多余的尾气处理剂回流到尾气处理剂箱2中，从而基本维持尾气处理剂管6内的系统压力。显然，供给模块2以预定速率工作也会影响系统压力的变化，通过对系统压力信号进行分析，可以以类似的方式判断供给模块2是否正常工作。例如，在图4中可以发现在大约17-18Hz处出现了明显的幅度，该频率就对应于供给模块3的工作速率，可以通过该频率判断供给模块3是否正常。回流管路中通常设有单向阀，回流速率的大小也会影响系统压力，例如单向阀如果堵塞，则会使尾气处理剂管6内的系统压力出现变化，例如增大，从而也给通过系统压力进行诊断提供了依据。类似地，尾气处理剂箱2内是否还有尾气处理剂也可通过系统压力进行判断，因为当尾气处理剂箱2内不再有尾气处理剂时，系统压力通常也会下降。
本发明的基本思想是通过对系统压力信号进行分析、特别是进行频率分析来诊断某些部件是否存在故障以及可能的故障类型。本发明基于系统压力信号进行分析诊断，简单可靠，不需要占用太多的系统资源。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

Claims (10)

1.一种柴油发动机的尾气后处理系统(1)，包括：
用于储存尾气处理剂的处理剂箱(2)；
用于计量并向尾气管喷射尾气处理剂的计量喷射模块(4)；
连接在所述处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间的供给模块(3)，其用于向所述计量喷射模块(4)供给尾气处理剂；
连接在所述计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)；以及
用于测量尾气处理剂管(6)内的系统压力的压力传感器；
其中，至少基于从所述压力传感器接收到的系统压力信号诊断处理剂箱(2)、计量喷射模块(4)和供给模块(3)中的至少一个的故障。
2.如权利要求1所述的尾气后处理系统(1)，其特征在于，
通过对系统压力信号进行频率分析诊断所述计量喷射模块(4)和/或所述供给模块(3)的故障；和/或
所述尾气处理剂为还原剂；和/或
所述供给模块(3)为泵。
3.如权利要求1或2所述的尾气后处理系统(1)，其特征在于，
通过将系统压力信号从时域变换到频域诊断所述计量喷射模块(4)和/或所述供给模块(3)的故障；和/或
所述尾气处理剂为尿素水溶液。
4.如权利要求3所述的尾气后处理系统(1)，其特征在于，
利用离散傅里叶变换将系统压力信号从时域变换到频域。
5.如前面权利要求中任一所述的尾气后处理系统(1)，其特征在于，
所述供给模块(3)与所述处理剂箱(2)之间设有用于使多余的尾气处理剂回流到处理剂箱(2)的回流管路，至少基于系统压力信号诊断所述回流管路的故障。
6.如前面权利要求中任一所述的尾气后处理系统(1)，其特征在于，
所述尾气后处理系统(1)还包括控制器，所述控制器从所述压力传感器接收系统压力信号并执行诊断操作。
7.一种柴油发动机的尾气后处理系统(1)的诊断方法，其中，所述尾气后处理系统(1)包括：用于储存尾气处理剂的处理剂箱(2)；用于计量并向尾气管喷射尾气处理剂的计量喷射模块(4)；连接在所述处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间的供给模块(3)，其用于向所述计量喷射模块(4)供给尾气处理剂；连接在所述计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)；以及用于测量尾气处理剂管(6)内的系统压力的压力传感器；所述方法包括：
从压力传感器接收系统压力信号；以及
至少基于所述系统压力信号诊断处理剂箱(2)、计量喷射模块(4)和供给模块(3)中的至少一个的故障。
8.如权利要求7所述的诊断方法，其特征在于，
通过对系统压力信号进行频率分析诊断所述计量喷射模块(4)和/或所述供给模块(3)。
9.如权利要求8所述的诊断方法，其特征在于，
基于计量喷射模块(4)的预定工作频率确定第一预定诊断条件，通过系统压力信号的频率分析结果确定是否满足第一预定诊断条件，如果满足第一预定诊断条件，则认为计量喷射模块(4)不存在故障，否则至少初步认为存在故障；和/或
基于供给模块(3)的预定速率确定第二预定诊断条件，通过系统压力信号的频率分析结果确定是否满足第二预定诊断条件，如果满足第二预定诊断条件，则认为供给模块(3)不存在故障，否则至少初步认为存在故障。
10.如权利要求9所述的诊断方法，其特征在于，
第一预定诊断条件包括：第一幅度阈值和由计量喷射模块(4)的预定工作频率确定的频率区间；和/或
第二预定诊断条件包括：第二幅度阈值和由供给模块(3)的预定速率确定的频率区间；和/或
当至少初步认为存在故障的累加次数达到预定值时，判定存在故障。
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