CN108204268B - 用于监测排气后处理系统中的流动阻力的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种内燃机，其流体联接到包括排气净化装置的排气后处理系统。压力监测装置被布置成监测排气净化装置的入口和出口之间的压差。一种监测排气净化装置的方法包括监测其入口和出口之间的压差，以及确定与内燃机的运行相关联的排气流量。基于压差和排气流量动态地确定原始流动阻力，并基于原始流动阻力确定估计的流动阻力。基于估计的流动阻力评估排气净化装置。

Description

用于监测排气后处理系统中的流动阻力的方法和装置

引言

出于控制和诊断目的，对来自内燃机的排气供给流进行净化的排气后处理系统进行监测。

发明内容

描述了一种内燃机，其流体联接到包括排气净化装置的排气后处理系统。压力监测装置被布置成监测排气净化装置的入口和出口之间的压差。监测排气净化装置的方法包括监测其入口和出口之间的压差，以及确定与内燃机的运行相关联的排气流量。基于压差和排气流量动态地确定原始流动阻力，并基于原始流动阻力确定估计的流动阻力。基于估计的流动阻力评估排气净化装置。

本发明的一个方面包括通过执行递归最小平方分析，以确定估计的流动阻力，从而使原始流动阻力经受信号过滤。

本发明的一个方面包括基于估计的流动阻力检测排气净化装置的移除。

本发明的一个方面包括经由三角形压力传感器或者替代地经由相对于排气净化装置布置在上游的第一压力传感器和相对于排气净化装置布置在下游的第二压力传感器来监测排气净化装置的入口和出口之间的压差。

结合附图，通过以下对所附权利要求中所限定的用于执行本教导的一些最佳模式和其它实施例的详细描述，本教导的以上特征和优点以及其它特征和优点将显而易见。

附图说明

现在将参照附图通过实例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的内燃机和相关联的排气后处理系统；

图2示意性地示出了根据本发明的包括采用递归最小平方(RLS)信号过滤器来监测布置在内燃机的排气后处理系统中的排气净化装置的方法；以及

图3-1至图3-4以图形方式示出了与内燃机的操作相关联的排气压力数据，其中该数据与参照图2描述的方法相关联，该方法包括采用递归最小平方(RLS)信号过滤器来监测排气净化装置。

具体实施方式

如本文所描述和图示的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来设置和设计。因此，以下具体实施方式并非旨在限制所要求保护的本发明的范围，而仅仅是其可能的实施例的代表。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，将不详细描述相关领域中公知的某些技术材料，以免不必要地使本发明不明确。此外，附图为简化形式，并没有按照精确的比例。仅仅为了方便和清楚起见，可以相对于附图使用方向性术语。如本文所采用的，术语“上游”和相关术语是指相对于指示位置朝向流体流起始方向的元素，术语“下游”和相关术语是指相对于指示位置远离流动流起始方向的元素。这些和类似的方向性术语并不被解释为限制本发明的范围。此外，如本文所图示和描述的，本发明可以在本文中未明确公开的元素的情况下实施。

参照附图，其中在所有附图中，相同的附图标记对应于相同或类似的部件。图1与本文公开的实施例一致，示意性地示出了可以被布置成向车辆提供推进动力的内燃机(发动机)10和相关联的排气后处理系统20。车辆可以包括但不限于商用车辆、工业车辆、农用车辆、乘用车辆、飞机、船只、火车、全地形车辆、个人移动装置、机器人等形式的移动平台，以实现本发明的目的。

发动机10包括发动机缸体，其限定了结合有可移动的往复活塞的多个缸11。进气歧管12被布置成将进气引导至气缸11，并且质量空气流量计14被布置在节流阀13的上游。质量空气流量计14和节流阀13与控制器15连通，控制器15被布置成监测来自质量空气流量计14的信号输入，并且响应于操作者和其它系统需求，将命令传送给节流阀13和其它发动机致动器。排气歧管17被布置成夹带由发动机10排出的排气，排气作为排气供给流18被引导至排气后处理系统20。

排气后处理系统20被布置成包括多个排气净化装置，作为非限制性实例，分别包括第一、第二和第三装置22、24和26。第一、第二和第三装置22、24和26可以是合适的排气净化装置，其被布置成氧化、减少、过滤或以其它方式处理废气供给流18以使其净化。在一个实施例中，第二装置24是选择性催化还原(SCR)催化剂。在一个实施例中，还原剂喷射装置28被布置成具有位于第二装置24上游的排气供给流18中的入口部分，并且被布置成将还原剂喷射到排气供给流18中。压力监测装置30被布置成监测排气压力，并且优选地被布置成监测排气后处理装置之一(例如，如图所示的第二装置24)的压差。在一个实施例中，压力监测装置30被配置成压差传感器，其流体联接到位于第二装置24的上游的排气供给流18中的第一入口31，且流体联接到位于第二装置24的下游的排气供给流18中的第二入口32。压力监测装置30产生电信号，该电信号可以与传送到控制器40的第一和第二入口31、32之间的压差相关。

本文描述的压力监测装置30是机械化的一个实施例，用于确定排气后处理系统20的全部或部分装置的压差。或者，可以布置两个压力传感器来测量第一和第二入口31、32处的排气供给流的压力，其中在控制器40中基于其差值确定压差。或者，可以在相对于第一装置22的上游和下游、或者相对于第三装置26的上游和下游、或者相对于第一和第二装置22、24的组合的上游和下游、或者相对于第二和第三装置24、26的组合的上游和下游、或者相对于排气后处理系统20的所有装置的上游和下游进行确定。

术语控制器、控制模块、模块、控制、控制单元、处理器、以及类似的术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如微处理器)、以及存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)形式的相关联的非临时性存储器组件的一个或多个组合。非暂时性存储器组件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及能够被一个或多个处理器访问以提供所描述的功能的其它组件的形式储存机器可读指令。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和用于监测来自传感器的输入的相关装置，以预设的采样频率或者响应于触发事件来监测这些输入。软件、固件、程序、指令、控制程序、代码、算法、以及类似的术语是指控制器可执行的指令集，包括校准和查询表。每个控制器执行一个或多个控制例程，以提供期望的功能，包括来自感测装置和其它联网控制器的监测输入以及执行控制和诊断指令，以控制致动器的操作。例程可以定期执行，例如在正在进行的操作期间每100微秒执行一次。或者，例程可以响应于触发事件的发生而被执行。控制器之间的通信以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接连接的点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或另一种合适的通信链路来实现，并由线42表示。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号，经由空气的电磁信号，经由光波导的光信号等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入、致动器命令以及控制器之间的通信的离散、模拟或数字化的模拟电信号。

术语“信号”是指传达信息的物理上可辨别的指示符，并且可以是合适的波形(例如，电、光、磁、机械或电磁)，诸如能够通过介质传播的直流、交流、正弦波、三角波、方形波、振动等。术语“模型”是指基于处理器或处理器可执行的代码以及相关校准，模拟装置或物理过程的物理存在。如本文所使用的，术语“动态”和“动态地”描述实时执行的步骤或过程，并且通过监测或以其它方式确定参数的状态、以及在执行例程期间或者在例程执行的迭代之间定期或周期性地更新参数的状态来进行表征。参数被定义为表示使用一个或多个传感器和/或生成数据信号的物理模型可辨别的装置或其他元件的物理属性的可测量的量，其中数据信号与参数的状态相关联。参数的状态可以具有离散值，例如“1”或“0”，或者可以在一定范围内数值无限地变化。当被用于解释数据信号时，术语“校正”、“校准”和相关术语是指可以用来从表示观察的测量值的数据信号中导出参数的实际或标准状态的结果或过程。作为非限制性实例，可以开发和采用校准以基于从压差传感器输出的电信号来确定压差。本文所述的校准可以被简化为可存储的参数表、多个可执行的等式或其它合适的形式。

流动阻力描述了在约束环境(例如在排气后处理系统的管道中)干扰流体(例如排气)的自由流动的特性。流动阻力可以由管壁和排气之间的边界情况引起。流动阻力也可以由流动通道中的障碍物引起，例如可以由一个或多个前述排气装置22、24和26引起。排气装置22、24和26的每一个可以根据流动阻力的大小来表征。因此，在发动机运行期间，当流动阻力的幅度大于或小于该装置的特征流动阻力时，其可以提供排气后处理系统中可能需要解决的环境变化的指示。作为非限制性实例，流动阻力的减小可以指示一个或多个排气装置22、24和26已经被移除。特定部件的流动阻力可以如下进行计算：

其中：

R是流动阻力，

Δp是装置上的压差，以及

是体积流量。

流动阻力可以基于体积流量和压差来确定，这两者都可以在正在进行的操作中动态监测。在一个实施例中，可以基于从质量空气流量计14输入的数据信号、燃料喷射流量、排气温度、以及排气压力来导出体积流量，同时考虑通过发动机10的输送延迟。在一个实施例中，压差可以基于从压力监测装置30输入的数据信号导出，该数据信号可以与压差参数的状态相关。

与每个参数相关联的数据信号在使用中可能是嘈杂的，可以从用于分析的信号过滤中受益。信号过滤是信号处理的一种形式，其包括从数据信号中去除或减少所选元素的量值，以精炼数据信号，从而更准确地表示实际测量。这可以包括例如高频信号元素、低频信号元素或者高频信号元素和低频信号元素的组合。

提供了一种方法200，用于监测布置在用于内燃机的排气后处理系统中的排气净化装置。参照图1，描述了发动机10和排气后处理系统20的实施例。参照图2，描述了方法200，其可以被动态地执行为一个或多个算法和相关的校准，这些算法和相关的校准被简化为算法代码并在机载控制器中实现。

现在参照图2，继续参照图1，方法200包括动态监测排气净化装置24的入口和出口之间的压差202，其与排气供给流18的体积流量204的动态监测重合。压差202和体积流量204经受递归最小平方(RLS)信号过滤器230以确定估计的流动阻力240。RLS信号过滤器230包括确定原始流动阻力，并且使原始流动阻力经受动态自适应信号过滤器以确定估计的流动阻力240。

在一个实施例中，RLS信号过滤器230采用递归最小平方(RLS)过滤器来进行信号估计。RLS信号过滤器230是一种自适应过滤器，其递归地找到使与输入信号相关的加权线性最小平方成本函数最小化的系数。RLS信号过滤器230可以有效地用于估计超定线性方程组的常数参数，其可以是以下形式：

y＝H x， [2]

其中：

y代表测量结果[n x 1]，

H代表方程系数[n x m]，以及

x代表未知数[m×1]，其中“n”代表可用测量结果的数量，“m”表示未知数量。

在通过采用RLS信号过滤器230收集n个测量结果的数量之前，实时动态执行的控制系统可以获得等式2中的未知数x的结果。这包括如下确定：

K＝PH^T(HPH^T+C)^-1 [3]

P＝P-KHP

其中：

C代表测量噪声协方差，其是[1×1]矩阵，

P代表估算误差协方差，其是[m×m]矩阵，

K代表修正增益项，其是[m×1]矩阵，

H代表方程系数，其是[n×m]矩阵。

可以应用RLS信号过滤器230的一个实施例来基于从信号测量获得的噪声流动阻力而估计流动阻力。为了将RLS信号过滤器230应用于流动阻力问题，采用等式2，下列项包括如下：

y代表DPS测量结果，其是[1×1]矩阵，

H代表体积流量，其是[1×1]矩阵，以及

x代表估计的或过滤的流动阻力，其是[1×1]矩阵。

这导致如下受控的递归最小平方等式：

其中：

y代表用于整个装置上的压差Δp的当前测量值，如图2中的压差202所示。

代表估计的流动阻力R，如元素240所示，

H代表当前测量的体积流量

如图2中的体积流量204所示，以及

K代表修正增益项。

可以在正在进行的操作期间，递归地执行包含等式4的算法，以确定估计的流动阻力R 240。考虑到各种矩阵的尺寸，可以执行分割操作来估计流动阻力R 240而不执行矩阵求逆，从而便于实时地进行简单的计算。

在某些情况下，RLS信号过滤器230的操作可能需要将估计的流动阻力R 240重置为初始值。这优选地包括执行除法操作210，以基于压差202和体积流量204的比率来确定流动阻力212的当前值，并且将流动阻力212的当前值经受低通信号过滤器214以确定瞬时过滤的流动阻力216。将瞬时过滤的流动阻力216作为输入提供给重置确定元件220，该重置确定元件220计算绝对误差项作为瞬时过滤的流动阻力216和估计的流动阻力240之间的差。将绝对误差项与流动阻力的最大阈值进行比较。只要绝对误差项小于流动阻力的最大阈值，则不需要采取动作，且输出222保持为低值或“0”。当绝对误差项大于流动阻力的最大阈值时，输出222变为高值或“1”，其向递归最小平方230发信号以将表示估计的流动阻力R的项

复位为预先校准的标称值。这允许管理流动阻力的快速变化。当触发递归最小平方230的复位时，将两个项设置为它们的标称值，包括状态

和估计误差协方差(P)。

图2是示出了接收来自与系统通信的一个或多个控制器的指令的车辆计算系统的示例方法的流程图。与一个或多个模块通信的车辆计算系统可以通过计算机算法、机器可执行代码、非暂时性计算机可读介质、或者编程到车辆的合适的可编程逻辑装置中的软件指令来实现，例如所述一个或多个模块，与车辆计算系统通信的服务器，与车辆计算系统和/或服务器通信的移动装置，车辆中的另一个控制器或其组合。尽管在流程图中示出的各个步骤看起来以时间顺序发生，但是至少一些步骤可以以不同的顺序发生，一些步骤可以同时执行或者根本不执行。

图3-1以图形方式示出了第一数据集311和第二数据集312，其指示与排气流量(升/秒)相关的流动阻力(帕-秒/秒)，其中第一和第二数据集311、312与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联(未采用包括参照图2描述的递归最小平信号过滤器230的方法200)。在标称操作条件下，第一和第二数据集311、312与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联。第一和第二数据集311、312表示已经经过信号过滤(例如低通信号过滤器)的原始差压数据。在纵轴302上示出流动阻力(帕-秒/秒)，在横轴304上示出排气流量(升/秒)。第一数据集311涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为选择性催化还原催化剂的第二装置24。第二数据集312涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为直管的第二装置24，模拟选择性催化还原催化剂被除去的状态。与第一数据集311相关联的第一平均值313、以及当第二装置24被配置为直管时的对应的第一平均值316也被绘制。

图3-2以图形方式示出了第三数据集321和第四数据集322，其指示与排气流量(升/秒)相关的流动阻力(帕-秒/秒)，其中第三和第四数据集321、322与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联(采用包括参照图2描述的递归最小平信号过滤器230的方法200)。在与第一和第二数据集311、312相同的操作条件下，第三和第四数据集321、322与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联。第三和第四数据集321、322表示已经经历RLS信号过滤器230的原始差压数据。在纵轴302上示出流动阻力(帕-秒/秒)，在横轴304上示出排气流量(升/秒)。第三数据集321涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选装置是配置作为选择性催化还原催化剂的第二装置24。第三数据集322涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选装置是配置作为直管的第二装置24，模拟选择性催化还原催化剂被除去的状态。与第一数据集321相关联的第一平均值323、以及当第二装置24被配置为直管时的对应的平均值326也被绘制。

数据表明，两个结果具有满足由第二装置24就绪所确定的流动阻力与由第二装置24被配置为直管所确定的流动阻力之间的六西格玛差的分离。然而，由采用包括RLS信号过滤器230的方法200的第三和第四数据集321、322指示的结果显示出比没有就绪的RLS信号过滤器230的第一和第二数据集311、312指示的结果明显具有更多的分离。

图3-3以图形方式示出了第五数据集331和第六数据集332，其指示与排气流量(升/秒)相关的流动阻力(帕-秒/秒)，其中第五和第六数据集331、332与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联(未采用包括参照图2描述的递归最小平信号过滤器230的方法200)。在与压力监测装置30的精度相关联的最坏情况的操作条件下(这可能包括低的排气流量和压力条件)，第五和第六数据集331、332与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联。最坏情况的操作条件考虑了压力监测装置30、排气温度传感器、空气质量流量传感器、和/或用于估计排气体积流量的其它装置的精度。这包括结合所有先前的传感器精度确定值来确定最小和最大流量阻力偏差。

第五和第六数据集331、332表示已经经过信号过滤(例如低通信号过滤器)的原始差压数据。在纵轴302上示出流动阻力(帕-秒/秒)，在横轴304上示出排气流量(升/秒)。第五数据集331涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为选择性催化还原催化剂的第二装置24。第六数据集332涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为直管的第二装置24，模拟选择性催化还原催化剂被除去的状态。与第六数据集332相关联的第六平均值333、以及当第二装置24被配置为直管时的对应的第六平均值336也被绘制。

图3-4以图形方式示出了第七数据集341和第八数据集342，其指示与排气流量(升/秒)相关的流动阻力(帕-秒/秒)，其中第七和第八数据集341、342与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联(采用包括参照图2描述的递归最小平信号过滤器230的方法200)。在与压力监测装置30的精度相关联的最坏情况的操作条件下(这可能包括低的排气流量和压力条件)，第七和第八数据集341、342与参照图1描述的发动机10的实施例的操作相关联。第七和第八数据集341、342代表已经经历RLS信号过滤器230的原始差压数据。在纵轴302上示出流动阻力(帕-秒/秒)，在横轴304上示出排气流量(升/秒)。第七数据集341涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为选择性催化还原催化剂的第二装置24。第八数据集342涉及排气后处理系统20的第一、第二或第三装置22、24和26中的一个的入口和出口之间的压差的测量，其中所选择的装置是配置作为直管的第二装置24，模拟选择性催化还原催化剂被除去的状态。与第八数据集342相关联的第八平均值343、以及当第二装置24被配置为直管时的对应的第八平均值346也被绘制。

在考虑到压力监测装置30的精度的这种操作条件下，在由第五和第六数据集331、332指示的压差数据之间存在最小的分离。然而，即使在被认为是最坏情况的操作条件下，由第七和第八数据集341、342指示的压差数据之间的分离也在其间提供了六西格玛的分离。

附图中的流程图和框图图示了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示模块、代码段或部分，包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还要注意的是，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令还可以被存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指导控制器或其它可编程数据处理装置以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生一种制造产品，其中包括实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令。

具体实施方式和附图或图表是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其它实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (9)

1.一种用于经由控制器监测流体联接到内燃机的排气净化装置的方法，所述方法包括：

确定所述排气净化装置的入口和出口之间的压差；

确定通过与所述内燃机的运行相关联的所述排气净化装置的排气流量；

基于所述压差和所述排气流量，经由所述控制器动态地确定原始流动阻力；

基于所述原始流动阻力确定估计的流动阻力；以及

基于所述估计的流动阻力评估所述排气净化装置，包括基于所述估计的流动阻力来检测所述排气净化装置的移除。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述原始流动阻力确定所述估计的流动阻力包括经由控制器使所述原始流动阻力经受信号过滤以确定所述估计的流动阻力。

3.根据权利要求2所述的方法，其中经由所述控制器使所述原始流动阻力经受信号过滤以确定所述估计的流动阻力包括执行所述原始流动阻力的递归最小平方分析。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过经由差压传感器监测所述排气净化装置的所述入口和所述出口之间的压差来确定所述压差。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括经由相对于所述排气净化装置布置在上游的第一压力传感器和相对于所述排气净化装置布置在上游的第二压力传感器通过监测所述排气净化装置的所述入口和所述出口之间的压差来确定所述压差。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括监测所述排气净化装置的所述入口和所述出口之间的压差，同时确定与所述排气净化装置的所述入口和所述出口之间的压力变化相关联的所述排气流量。

7.一种用于监测布置在排气后处理系统中的排气净化装置的方法，所述排气后处理系统流体联接到内燃机，所述方法包括：

监测所述排气净化装置的入口和出口之间的压差；

基于所述压差动态地确定原始流动阻力；

基于所述原始流动阻力确定估计的流动阻力，包括

基于所述原始流动阻力确定过滤的流动阻力，以及

当过滤的流动阻力和估计的流动阻力之间的绝对误差大于阈值时，重置估计的流动阻力为标称值；以及

基于所述估计的流动阻力评估所述排气净化装置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中基于所述原始流动阻力确定所述估计的流动阻力包括经由控制器使所述原始流动阻力经受信号过滤以确定所述估计的流动阻力。

9.一种流体联接到内燃机的排气后处理系统，包括：

布置成监测发动机气流的进气计量器；

排气净化装置；

差压感测系统，其被布置成监测所述排气净化装置的入口和出口之间的压差；

与所述进气计量器和所述差压感测系统通信的控制器，所述控制器包括指令集，所述指令集可以执行，以便：

确定所述排气净化装置的入口和出口之间的压差；

基于来自所述进气计量器的输入信号确定通过所述排气净化装置的排气流量；

基于所述压差和所述排气流量动态地确定原始流动阻力；

基于所述原始流动阻力确定估计的流动阻力；以及

基于所述估计的流动阻力评估所述排气净化装置，包括基于所述估计的流动阻力来检测所述排气净化装置的移除。

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