CN108343497B - 一种柴油车scr系统老化失效快速诊断系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统及方法，通过在柴油车的OBD诊断接口安装数据采集终端，实时采集柴油车实际运行的车速、柴油机运行状态参数、NOX浓度等信号，采集的数据信息通过GPRS技术实时上传到云监测平台，在云监测平台中设计了诊断计算模型，实时监测、快速诊断柴油车的SCR系统的老化失效等情形，实现远程在线诊断柴油车的SCR系统是否正常工作的功能。本发明所述的可以有效地对柴油车SCR系统的工作状况进行实时监测和老化失效在线诊断，能更加高效地监管与维修柴油车，提高全社会的环境保护能力，同时也积极地推动了汽车相关产品的升级，对汽车产业水平的整体提升具有积极的促进作用。

Description

一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统及方法
技术领域
本发明属于柴油车SCR系统老化失效的在线诊断技术领域，尤其是涉及一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统及方法。
背景技术
当前，我国交通领域的机动车等移动源污染排放物已经成为我国环境治理的重大难题。截至2016年底，全国机动车保有量达到2.95亿辆，机动车尾气排放已成为我国空气污染的主要来源，是造成臭氧污染、PM2.5的重要原因，氮氧化物NOX是臭氧形成的一次污染物。根据环保部出台的《中国机动车环境管理年报》(2017)数据，2016年我国机动车NOX排放577.8万吨。
为了减少柴油车的NOX排放，在我国第IV、V排放阶段的重型柴油车通常采用SCR技术路线以满足NOX排放限值的要求。但在SCR使用过程中，普遍存在SCR系统信号故障或老化失效等情况。尽管，目前各国都制定了相应的排放标准对柴油车进行定期检测，但这些传统的检测都是非实时检测，一方面，检测时必须是停车检测，给人们生活带了不便；另一方面，给车主留下了作弊机会，不利于及时发现SCR系统老化失效的高排放车辆，对社会生活环境和人们的健康带来了隐患。
车载诊断系统(On-Board Diagnostic，OBD)是一种保证车辆排放控制系统正常工作的实时监测诊断系统。目前，一般都是针对柴油机排气净化系统部件诊断技术和诊断方法进行研究，而针对净化器工作是否正常的诊断则缺乏可靠有效的诊断技术和诊断方法。
本发明主要针对法规HJ437-2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断系统(OBD)技术要求》中的相关规定，利用开发的基于OBD的数据采集终端，通过连接到OBD接口的数据采集装置，把实时采集到的车辆数据传输到网络上云监测平台，在云监测平台中经过精确的算法和诊断，即可确定柴油车的SCR系统是否有信号故障和老化失效，完成了面向国IV、国V阶段的重型柴油机SCR系统老化失效的远程监测和快速诊断方法。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，以实现国IV、国V阶段的重型柴油机SCR系统老化失效的远程监测和快速诊断。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，包括数据采集终端、云监测平台；
所述数据采集终端连接柴油车的OBD诊断接口，用于实时采集包括但不限于柴油车实际运行过程中产生的参数数据；
所述数据采集终端将采集的信号通过GPRS网络传输至云监测平台；
所述云监测平台内设有诊断计算模型，用于对数据采集终端发送的数据进行计算分析，实现远程对柴油车SCR系统工作状态的监测和老化失效诊断；所述诊断计算模型包括NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块、诊断模块、结果输出模块。
进一步的，所述数据采集终端采集的数据包括但不限于柴油车实际运行的车速、柴油机运行状态参数、NOX浓度信号。
进一步的，所述NOX传感器信号真实性诊断模块用于对电路连接故障进行自我诊断，包括短路故障、开路故障、传感器供电电压是否在合理范围内、NOX信号是否超过NOX的最大可信值。
进一步的，所述排放计算分析模块用于接收柴油车数据采集终端的数据信息，进行NOX比功率排放计算。
进一步的，所述诊断模块用于根据NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块的结果输出，对SCR系统的工作情况进行诊断。
进一步的，所述结果输出模块用于将诊断模块的诊断结果进行实时结果输出、信息提示和报警。
相对于现有技术，本发明所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统具有以下优势：
本发明通过OBD远程采集的柴油车CAN线信号进行数据监测和诊断，可以有效地对柴油车SCR系统的工作状况进行实时监测和老化失效在线诊断。通过本发明，不仅能更加高效地监管与维修柴油车，提高全社会的环境保护能力，同时也积极地推动了汽车相关产品的升级，对汽车产业水平的整体提升具有积极的促进作用。
本发明的另一目的在于提出一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法，以实现国IV、国V阶段的重型柴油机SCR系统老化失效的远程监测和快速诊断。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法，具体包括如下步骤：
(1)利用数据采集终端采集柴油机转速、扭矩百分比、进气质量流量、NOX浓度信号，采集的数据以1Hz频率传输至云监测平台；
(2)云监测平台的NOX传感器信号真实性诊断模型对电路连接故障进行自我诊断；
(3)云监测平台的排放计算分析模块根据数据采集终端采集的数据进行出行链中短行程的NOX比功率排放计算，得到每个短行程的NOX比功率排放值；
(4)云监测平台利用诊断模块基于NOX比功率排放限值超限情况进行诊断；
(5)云监测平台利用结果输出模块将诊断结果实时输出，并进行信息提示和报警。
进一步的，所述步骤(3)计算公式如下：
Figure BDA0001552257730000041
其中，Pe为有效功率，kW，
Me为实测有效扭矩，参考扭矩×扭矩百分比；
n，转速，r/min；
排气质量流量(kg/h)＝进气质量流量×1.3公式2
其中，1.3为柴油机进排气质量流量换算经验系数；
NOX排放质量(kg/h)＝[(排气质量流量/29)×NOX浓度值]×46公式3
29为空气摩尔质量；46为NOX摩尔质量；
NOX比排放(g/kW·h)＝(NOX排放质量(kg/h)×1000)/Pe公式4。
进一步的，所述车载排放结果参照功基窗口法的限值进行判断，数据采集终端采集的数据传输输到云监测平台，按照NOX比功率计算模型进行计算，确定SCR系统老化失效的判断限值标准。
本发明所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法与上述一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的柴油车基于OBD的数据采集连接及信号传输和诊断流程示意图；
图2为本发明实施例所述的NOX传感器电路连接相关故障的诊断流程；
图3为本发明实施例所述的某出行链中的短行程片段示意图；
图4为本发明实施例所述的某一出行链中每个短行程的NOX比功率排放值示意图；
图5为本发明实施例所述的国IV车正常SCR系统排放结果示意图；
图6为本发明实施例所述的国V车正常SCR系统排放结果示意图；
图7为本发明实施例所述的国IV车SCR系统老化失效排放结果示意图；
图8为本发明实施例所述的国V车SCR系统老化失效排放结果示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提出了一种基于OBD远程在线监测的柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统及方法，属于柴油车SCR系统老化失效的在线诊断技术。通过在柴油车的OBD诊断接口安装数据采集终端，实时采集柴油车实际运行的车速、柴油机运行状态参数、NOX浓度等信号，采集的数据信息通过GPRS技术实时上传到云监测平台，在云监测平台中设计了诊断计算模型，实时监测、快速诊断柴油车的SCR系统的老化失效等情形，实现远程在线诊断柴油车的SCR系统是否正常工作的功能。
如图1所示，诊断系统主要包括柴油车、OBD诊断接口、数据采集终端、数据信号、云监测平台、NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块、诊断模块、结果输出模块，其中数据采集终端连接柴油车的OBD诊断接口，采集柴油车的CAN线信号，包括柴油机转速、扭矩百分比、进气质量流量、NOX浓度等信号。采集的数据以1Hz频率传输至云监测平台，云监测平台具备NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块、诊断模块、结果输出模块，实现数据收集、存储、分析处理、诊断、报警等功能。数据采集终端，兼具GPS功能，能采集、记录、传输车辆的运行车速、CAN线中的发动机转速、扭矩百分比、进气流量、NOX浓度等信息，并通过安装在终端内的SIM卡传输至云监测平台；云监测平台，能够实现对所述数据采集终端发送数据的接收、数据计算分析、计算模型诊断分析、状态报警等功能，并具备可视化的UI界面。
1、所述NOX传感器信号真实性诊断模块，通过对电路连接故障进行自我诊断。基于OBD诊断接口采集的CAN总线信息来判断NOX传感器是否有电路连接的故障，常规故障包括短路故障、开路故障、传感器供电电压是否在合理范围内、NOX信号是否超过NOX的最大可信值(参考NOX传感器的测量范围0～1500×10-6)。NOX传感器电路连接相关故障的诊断流程如图2所示。
2、基于所述数据采集终端采集的车速、柴油机转速、扭矩百分比、NOX浓度等信号作为NOX传感器信号真实性诊断模型的输入，进行出行链中短行程的NOX比功率排放计算，根据监测部门所设计的监测限值，对NOX的排放情况进行判断，对SCR系统的工作情况进行诊断。
3、所述NOX传感器信号真实性诊断模块，以出行链为一个判断事件，对出行链进行短行程运动短片段切割，短行程切割方式，以怠速起点到下一个怠速的起点，构建一个运动片段，如图3所示。
4、所述短行程片段的NOX比功率排放计算模块，基于下述公式进行计算。
Figure BDA0001552257730000071
其中，Pe为有效功率，kW，
Me为实测有效扭矩，参考扭矩×扭矩百分比；n，转速，r/min；
排气质量流量(kg/h)＝进气质量流量×1.3公式2
其中，1.3为柴油机进排气质量流量换算经验系数；
NOX排放质量(kg/h)＝[(排气质量流量/29)×NOX浓度值]×46公式3
29为空气摩尔质量；46为NOX摩尔质量；
NOX比排放(g/kW·h)＝(NOX排放质量(kg/h)×1000)/Pe公式4。
根据本发明中所述NOX比功率排放值的方法计算每个短行程的NOX比功率排放，以一辆国五柴油车为例，该车某一出行链中每个短行程的NOX比功率排放值为图4。
5、本发明对SCR系统老化失效是基于NOX比功率排放限值超限情况进行诊断。
(6)本发明提出NOX比功率排放限值的确定方法，参考DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测试方法(车载法)》，分别对三辆国IV和三辆国V重型柴油新车进行车载排放测试，车载测试的同时，安装数据采集终端进行数据的采集。车载排放结果参照功基窗口法的限值进行判断，数据采集终端采集的数据传输输到云监测平台，按照NOX比功率计算模型进行计算。新车SCR系统正常工作状态的车载测试合格率、基于OBD数据采集NOX比功率计算模型(累积频率90％的比功率排放(见图5、图6)，g/kW·h)见表1，SCR系统正常情况的不同测试方式的合格率。进行测试的车辆全部通过车载测试，通过数据采集终端同步采集的数据通过NOX比功率计算模型计算，其NOX比功率排放的累积频率达到90％时的NOX比功率排放值，国IV柴油车平均NOX比功率排放值为10.7g/kW·h，乘以劣化系数1.2(本发明初定1.2)，确定国IV车判断老化失效的NOX比功率排放值限值为13.0g/kW·h；国V柴油车的NOX比功率排放平均值为9.0g/kW·h，乘以劣化系数1.2，其比功率排放值为11.0g/kW·h。通过本发明提出的方法，确定国IV、国V车SCR系统老化失效的判断限值标准。
Figure BDA0001552257730000091
表1
(7)本发明在提出判断SCR系统老化失效的NOX比功率排放限值方法后，通过人为制造NOX排放超标模拟SCR系统老化失效对验证制定的排放限值合理性。通过进行尿素掺水(模拟SCR系统老化失效)后再进行车载排放测试和同步数据采集终端采集，测试结果见表2，SCR系统老化失效情况的不同测试方式合格率，均未通过车载测试，并且基于OBD数据采集的NOX计算模型的正常状态累积频率90％比功率排放的合格率均在45％～72％范围，见图7和8，排放超限，表明SCR系统老化失效，验证了本发明提出的基于出行链的NOX比功率排放的限值判断SCR系统的老化失效方法的可行性。
Figure BDA0001552257730000101
表2
(8)所述诊断模块根据NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块的结果输出，对SCR系统的工作情况进行诊断。
(9)所述结果输出模将诊断模块的诊断结果进行实时结果输出、信息提示和报警等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：包括数据采集终端、云监测平台；
所述数据采集终端连接柴油车的OBD诊断接口，用于实时采集包括但不限于柴油车实际运行过程中产生的参数数据；
所述数据采集终端将采集的信号通过GPRS网络传输至云监测平台；
所述云监测平台内设有诊断计算模型，用于对数据采集终端发送的数据进行计算分析，实现远程对柴油车SCR系统工作状态的监测和老化失效诊断；所述诊断计算模型包括NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块、诊断模块、结果输出模块；所述NOX传感器信号真实性诊断模块，以出行链为一个判断事件，对出行链进行短行程运动短片段切割，短行程切割方式，以怠速起点到下一个怠速的起点，构建一个运动片段。
2.根据权利要求1所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：所述数据采集终端采集的数据包括但不限于柴油车实际运行的车速、柴油机运行状态参数、NOX浓度信号。
3.根据权利要求1所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：所述NOX传感器信号真实性诊断模块用于对电路连接故障进行自我诊断，包括短路故障、开路故障、传感器供电电压是否在合理范围内、NOX信号是否超过NOX的最大可信值。
4.根据权利要求1所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：所述排放计算分析模块用于接收柴油车数据采集终端的数据信息，进行NOX比功率排放计算。
5.根据权利要求1所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：所述诊断模块用于根据NOX传感器信号真实性诊断模块、排放计算分析模块的结果输出，对SCR系统的工作情况进行诊断。
6.根据权利要求1所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断系统，其特征在于：所述结果输出模块用于将诊断模块的诊断结果进行实时结果输出、信息提示和报警。
7.根据上述权利要求1-6任一项所述诊断系统的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)利用数据采集终端采集柴油机转速、扭矩百分比、进气质量流量、NOX浓度信号，采集的数据以1Hz频率传输至云监测平台；
(2)云监测平台的NOX传感器信号真实性诊断模块对电路连接故障进行自我诊断；
(3)云监测平台的排放计算分析模块根据数据采集终端采集的数据进行出行链中短行程的NOX比功率排放计算，得到每个短行程的NOX比功率排放值；
(4)云监测平台利用诊断模块基于NOX比功率排放限值超限情况进行诊断；
(5)云监测平台利用结果输出模块将诊断结果实时输出，并进行信息提示和报警。
8.根据权利要求7所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法，其特征在于：所述步骤(3)计算公式如下：
Figure FDA0002404946570000021
其中，Pe为有效功率，kW，
Me为实测有效扭矩，Me＝参考扭矩×扭矩百分比；
n为转速，r/min；
排气质量流量，kg/h，排气质量流量＝进气质量流量×1.3 公式2
其中，1.3为柴油机进排气质量流量换算经验系数；
NOX排放质量，kg/h，NOX排放质量＝[(排气质量流量/29)×NOX浓度值]×46 公式3
29为空气摩尔质量；46为NOX摩尔质量；
NOX比排放,g/kW·h,NOX比排放＝(NOX排放质量×1000)/Pe 公式4。
9.根据权利要求7所述的一种柴油车SCR系统老化失效快速诊断方法，其特征在于：所述步骤(3)中车载排放结果参照功基窗口法的限值进行判断，数据采集终端采集的数据传输到云监测平台，按照NOX比功率计算模型进行计算，确定SCR系统老化失效的判断限值标准。
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