CN110295978A - 柴油机scr控制系统温度传感器容错控制方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，包括以下步骤：获取发动机的工况信息，获取SCR催化器上、下游温度测量值；根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，计算SCR催化器下游排气温度估计值；根当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。本发明提出的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，当温度传感器发生故障时，对系统进行容错控制，降低传感器故障对SCR控制系统的负面影响。
Description
技术领域
本发明涉及发动机排放控制技术领域，尤其涉及一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法及其装置。
背景技术
柴油机由于其较高的热效率、动力性、经济性和耐久性而广泛应用于交通运输、工程机械、农业机械、发电等领域，但柴油机的尾气排放也对大气环境造成了较大的影响，柴油机的主要排放物包括：氮氧化物(NOx)，碳氢化合物(HC)，一氧化碳(CO)和颗粒物(PM)。和汽油机相比，柴油机的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)排放相对较低，但由于柴油机空燃比及燃烧温度较高，其氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放远高于汽油机，Urea_SCR作为处理NOx排放的有效手段之一，被广泛应用在柴油机上。Urea_SCR控制系统主要分为开环和闭环两种，在柴油机国四阶段排放标准，开环控制策略尚能满足法规要求，其NOx转化效率可达60％-80％，但随着国五、国六排放标准的提出和实施，NOx的排放限值进一步降低，原有的开环控制策略无法达到理想的控制效果。Urea_SCR闭环控制策略主要分为基于氨覆盖度的闭环控制，基于NOx传感器的闭环控制和基于NH3传感器的闭环控制，其中都用到了诸多传感器，如温度传感器、NOx传感器、NH3传感器等，传感器的信号准确度很大程度上决定了控制策略的性能，由于Urea_SCR排放后处理系统长期工作在高温、高尘、高振动等恶劣环境中，其关键部件容易发生故障或损坏，导致控制系统出现偏差，影响排放控制效果；以下游温度传感器为例，当其发生故障时，其输出信号出现异常，会导致控制系统对当前的系统状态造成误判，控制指令与系统当前需求不符，从而导致控制精度下降，NOx排放和氨泄漏超标等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法及其装置，旨在当温度传感器发生故障时，对系统进行容错控制，以降低传感器故障对SCR控制系统的负面影响。
为实现上述目的，本发明提供一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，包括以下步骤：
获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
优选地，所述SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
式中，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
优选地，所述根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，对SCR控制系统进行容错控制。
优选地，所述获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值的步骤之后还包括：
根据NOx传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
优选地，所述发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
本发明进一步提出一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
优选地，所述SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
式中，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
优选地，所述根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，对SCR控制系统进行容错控制。
优选地，所述获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值的步骤之后还包括：
根据NOx传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
优选地，所述发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
本发明提出的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，具有以下有益效果：
(1)可以准确分析传感器的典型故障，并快速判定不同故障对传感器性能的影响；
(2)通过开发一套基于模型的温度传感器故障诊断方法，通过模型估计值和传感器测量值进行比较，可以对温度传感器故障进行快速、精确、有效的诊断，并且具有良好的鲁棒性；
(3)本方法可以适用于SCR控制系统其他同类传感器的故障诊断及其容错控制。
附图说明
图1为本发明柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法的流程示意图；
图2为本发明柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法中Urea-SCR控制系统的结构示意图；
图3为本发明柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法的SCR系统容错控制策略示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“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，并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。
参照图1至图3，本发明提出一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法的优选实施例，本实施例中，包括以下步骤：
步骤S10，获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
步骤S20，根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
步骤S30，根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
基于模型的温度估计方法，考虑两种主要的传热形式：催化剂与排气之间的对流以及催化剂与环境之间的辐射。相应的热交换可描述如下：
Qc＝cP,exhmexh(Tout-Tin)， (1)
根据能量守恒原理可得，催化器中有如下能量平衡：
式中，Qc为催化剂与排气之间的对流传热量，Qr为催化剂与环境之间的辐射传热量，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
定义
则公式(3)可写作：
可经由上述方法得到b1和b2。该温度模型经过一个等循环验证，可以得出：下游温度的模拟值与测量值有较好的契合度，因此，本温度模型可以合理地预测SCR催化器下游温度。
综上，SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，说明检测温度传感器出现故障，此时对SCR控制系统进行容错控制。
在仿真的角度，温度传感器典型的故障可主要简化为以下三种形式：卡滞故障、增益故障和漂移故障。其中：
卡滞故障：温度传感器的输出值为固定值(通常为最大值)，这主要是由于电路开路所引起。可表示为：
yout(t)＝C；
(7)
其中C为常数。
增益故障：温度传感器的输出值为正常数值的倍数，表示为：
yout(t)＝βyin(t)；
(8)
其中β为比例系数。
漂移故障：温度传感器的输出值由正常值发生线性变化，表示为：
yout(t)＝αtyin(t)；
(9)
其中α为斜率。
第二步：将基于模型的温度估计值与测量值相比较，可以得到温度残差：
其中，是下游温度传测量值；是下游温度估计值。
在一定工作周期内，若温度残差值超过预设时间阈值，温度传感器故障诊断模块将检测并报告故障：
其中，是温度残差阈值；te是温度残差超过阈值的持续时间；t*是预设时间阈值。
进一步地，步骤S10之后还包括：
步骤S11，根据NOx传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
本柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，参照图2，Urea_SCR控制系统设置有发动机电控单元(ECU)，尿素喷射控制单元(DCU)，尿素喷嘴，SCR催化器上、下游温度传感器，SCR催化器下游NOx传感器。其中，尿素喷射电控单元中集成了SCR催化器下游温度估计模块、SCR催化器床温估计模块，发动机NOx排放估计模块，发动机排气质量流量估计模块、温度传感器故障诊断模块及其容错控制模块。
通过CAN总线从ECU获取发动机转速、转矩等信号，DCU根据喷射策略计算尿素喷射量信息，通过NOx原排估计模块对柴油机的原始NOx排放进行估计；通过排气质量流量估计模块发动机排气质量流量进行估计，SCR催化器下游温度估计模块对下游的排气温度进行估计，温度传感器故障诊断模块根据下游排气温度估计值和下游温度传感器测量值的残差对传感器进行故障诊断。
如图3所示，本发明在温度模型下，建立了一个有效的容错控制策略，以减小故障对SCR性能的不利影响。当检测到下游温度传感器的任何故障时，传感器的输出值将被替换为估计值，保证SCR催化器的正常工作。
本发明提出的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，具有以下有益效果：
(1)可以准确分析传感器的典型故障，并快速判定不同故障对传感器性能的影响；
(2)通过开发一套基于模型的温度传感器故障诊断方法，通过模型估计值和传感器测量值进行比较，可以对温度传感器故障进行快速、精确、有效的诊断，并且具有良好的鲁棒性；
(3)本方法可以适用于SCR控制系统其他同类传感器的故障诊断及其容错控制。
本发明进一步提出一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置。
本优选实施例中，一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
式中，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
所述根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，对SCR控制系统进行容错控制。
所述获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值的步骤之后还包括：
根据NOx传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
所述发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
2.如权利要求1所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，其特征在于，所述SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
式中，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
3.如权利要求1所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，其特征在于，所述根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，对SCR控制系统进行容错控制。
4.如权利要求1所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，其特征在于，所述获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值的步骤之后还包括：
根据NOX传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
5.如权利要求1所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制方法，其特征在于，所述发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
6.一种柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，其特征在于，包括：
处理器，用于实现各指令；
存储器，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：
获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值；
根据发动机的工况信息计算SCR催化器上游NOX排放估计值和发动机排气质量流量估计值，并根据SCR催化器上游NOX排放估计值、发动机排气质量流量估计值以及SCR催化器上游温度测量值计算SCR催化器下游排气温度估计值；
根据SCR催化器下游排气温度估计值和SCR催化器下游温度测量值对温度传感器进行故障诊断，当检测温度传感器出现故障时，将SCR催化器下游排气温度估计值替代SCR催化器下游温度测量值作为SCR系统状态估计和控制的输入量，根据SCR催化器下游排气温度估计值计算氨覆盖率以控制尿素喷射量。
7.如权利要求6所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，其特征在于，所述SCR催化器下游排气温度估计值采用以下公式计算：
其中，
式中，cpc为催化器的比热；mc为催化器的重量；cp，exh为排气的定压比热；mexh为排气的质量流量；εRad为催化器的辐射率；σSB为辐射常数；ARad为催化器的辐射表面积；Tamb为环境温度，Tout为SCR催化器下游排气温度估计值，Tin为SCR催化器上游排气温度估计值，Ncell为催化器的单元个数。
8.如权利要求6所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，其特征在于，所述根据下游排气温度估计值和下游温度信号对传感器进行故障诊断时，采用以下方式：
根据下游排气温度估计值和下游温度测量值计算温度残差值，在预设工作周期内，当温度残差值持续超过预设阈值时，对SCR控制系统进行容错控制。
9.如权利要求6所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，其特征在于，所述获取发动机的工况信息，并根据温度传感器获取SCR催化器上、下游温度测量值的步骤之后还包括：
根据NOx传感器获取SCR催化器下游NOX排放测量值以供计算氨覆盖率。
10.如权利要求6所述的柴油机SCR控制系统温度传感器容错控制装置，其特征在于，所述发动机的工况信息包括发动机的转速和转矩信息。
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