CN110645076A - 一种基于模型的nh3泄漏诊断方法 - Google Patents

一种基于模型的nh3泄漏诊断方法 Download PDF

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Abstract

一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，包括以下步骤：（1）建立SCR系统模型，预估SCR系统出口状态条件和NOx转化效率；（2）通过下游NOx传感器计算NOx转化效率；（3）依据系统特性筛选出适合进行NOx转化效率差异对比的工况条件；（4）一旦进入工况条件并检测到模型和传感器的转化效率偏差超过限值且持续时间足够长后，开始停喷尿素；（5）记录下游NOx传感器的测量值，并依据这一测量值计算NOx转化效率和停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨；（6）依据停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨变化特征和NOx转化效率的传感器计算值变化特征完成对系统转化效率过低原因的判断；（7）对外输出相应的判断结果：NH3泄漏或者是NOx泄漏。

Description

一种基于模型的NH3泄漏诊断方法
技术领域
本发明涉及一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，属发动机废气排放技术领域。
背景技术
发动机排气中含有氮氧化物这种有害物质（简称NOx），其主要成分是NO和NO2。NOx是发动机吸入气缸内的空气中的N2和O2在高温下的反应产物。
发动机的排放法规对NOx的排放量进行了限制，并且规定了不同程度的限值，要求超过相应限值的车辆必须产生必要且有区别的反应动作，以此达到控制NOx排放的目的。
SCR技术是发动机控制NOx排放的主要技术，该技术最常见的形式是：利用尿素水溶液分解产生氨气，并且在SCR催化器的作用下，氨气与NOx发生选择性催化还原反应，生成氮气和水后排入大气，通过向柴油机的排气中喷入不同的尿素量，对NOx的排放量实现有效控制。
由于NH3传感器价格异常昂贵，目前商用SCR系统中几乎都没有配备NH3传感器作为控制或诊断用途，而目前市面上所有的商用NOx传感器均会对排气中的NH3产生交叉敏感，一旦排气中存在NH3泄漏，则会影响NOX传感器的读数，如果系统采用的控制策略是基于下游NOx传感器的闭环控制策略，则会对控制效果产生非常严重的影响。
现有的SCR系统还原剂供给量控制策略一般分为两种，一种是基于MAP的预控制结合传感器的闭环控制，另一种是基于模型的闭环控制，随着排放和OBD监控法规的日益加严，基于模型的控制由于其在控制精度和控制理论上的根本优势，越来越多地被采用。
图1所示为现有SCR系统结构示意图，SCR系统工作时，SCR控制单元（DCU）从CAN总线读取转速、扭矩、喷油量、冷却水温度、增压压力、进气温度、排气温度、NOx传感器测得的上游NOx浓度等信号，以此计算得到的SCR入口的各类状态参数及气体组分浓度，然后依据SCR系统热力学模型和化学反应动力学模型计算出系统所需的还原剂质量，再通过DCU控制尿素泵和尿素喷嘴等执行机构准确的喷入相应的还原剂。同时，控制器接收SCR催化器上下游的温度传感器采集的温度信号以及NOx传感器采集的催化器下游NOx浓度信号，通过和基于NOx传感器得到的上游NOx浓度进行比较，得到SCR系统实时的NOx转化效率，通过和SCR模型计算得到的NOx转化效率至进行比对，做出是否需要进行NH3泄漏诊断流程的判定。
SCR技术对还原剂供给量进行控制的基本目标是：在某一工况下，使NOx排放污染物的转化效率大于一定的阈值，并且NH3泄漏平均值控制在法规限值以下。精确的还原剂供给量控制策略，往往建立在准确的传感器信号输入、精确的还原剂供给机构执行、稳健且良好的催化剂反应性能等基础条件上，一旦这些基础条件发生偏移，则势必要进行相应的修正，才能让还原剂供给量的精确控制重回正轨。
发明内容
本发明的目的是，针对发动机排气中存在NH3泄漏，则会影响NOX传感器的读数，给尿素喷射量精确控制和OBD监控的准确实现带来不良影响；本发明提出判断下游排气中是否存在NH3泄漏的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法。
实现本发明的技术方案如下，一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，所述方法在SCR系统的上、下游安装NOx传感器；当工况条件合适时，比对NOx转化效率的模型计算值和NOx转化效率的传感器计算值；当二者差异超过一定限值后，认为排放超标并进一步激活停喷动作来确定排放超标是由NH3泄漏或者是NOx泄漏导致；停喷后记录下游NOx传感器的测量值并计算SCR系统消耗掉的储氨；如果停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨超过一定限值后NOx转化效率还未下降到限值以下，则做出NH3泄漏的判断；当NOx转化效率已经下降到限值以下，而停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨还未达到限值，则做出NOx排放过高的判断。
所述模型为预先建立的SCR系统热力学模型和化学反应动力学模型。
一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，步骤如下：
（1）建立SCR系统的热力学模型和化学反应动力学模型，模型通过SCR系统入口条件预估NOx转化效率和出口气体组分状态；
（2）通过延时处理后的上游NOx传感器测量值和下游NOx传感器的测量值，得到SCR系统NOx转化效率的传感器计算值；
（3）依据目标SCR系统的反应机理和后处理系统状态参数，筛选出适合进行NOx转化效率差异对比的工况点集范围；
（4）在进入步骤（3）所述的工况点集范围后，一旦检测到NOx转化效率的模型计算值和NOx转化效率的传感器计算值的差异超过一定程度且持续时间足够长后，认为系统已经存在排放超标行为，开始对系统的排放超标状态进行判断；
（5）为完成判断，需要在停喷尿素后记录下游NOx传感器的测量值，并依据这一测量值计算NOx转化效率和停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨；
（6）当停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨超过一定限值后，此时如果NOx转化效率的传感器计算值还未下降到标定限值以下，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NH3泄漏导致的判断；；
（7）当NOx转化效率的传感器计算值已经下降到标定限值以下，此时如果停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨还未达到限值，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NOx排放过高所导致的判断；
（8）对外输出相应的判断结果：NH3泄漏或者是NOx泄漏。
所述工况点集必须能够在OBD循环中连续存在一段时间，该段连续时间至少需超过正常比对过程所需时间的2倍。
所述后处理系统状态参数包括后处理系统结构形式、排气温度、排气空速、发动机工作模式和后处理系统工作模式。
所述SCR系统累计消耗掉的储氨由SCR系统模型计算得到。
所述NOx转化效率的传感器计算值是由下游NOx传感器的真实测量值计算得到，但是上游NOx的浓度来自与真实的NOx传感器，或来自于虚拟NOx传感器/NOx原排模型的输出结果。
所述下游NOx传感器必须为真实的NOx传感器。
一种实现基于模型的NH3泄漏诊断方法的装置，包括SCR控制单元、上游NOx传感器、下游NOx传感器。
所述SCR控制单元包括质量流量积分器、NH3泄漏诊断激活条件判断模块、SCR温变程度判断模块、供给率条件判断模块和喷射有效条件判断模块；所述上游NOx传感器和下游NOx传感器为SCR系统提供NOx转化效率的传感器计算值；所述NH3泄漏诊断激活条件判断模块通过SCR载体温度、SCR载体空速、还原剂需求喷射量参数的状态特征，结合SCR温变程度的判断模块、供给率条件判断模块、喷射有效条件判断模块的判定结果对发动机状态及SCR系统工作状态的稳定性进行判断，从而决定当前状态是否适合进行NH3泄漏诊断流程；所述质量流量积分器用于NH3质量流量积分运算，当SCR系统处于尿素停喷状态后，所述质量流量积分器开始进行积分运算，并将积分周期内的各个质量流量累积值进行运算，用以得到这段时间内所消耗的NH3质量值。
本发明的有益效果是，本发明提供了判断下游排气中是否存在NH3泄漏的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，基于此方法判断结果可以为NOx传感器信号的精确修正提供依据，进而为SCR系统尿素喷射量的精确控制奠定基础，有效实现降低NOx排放和NH3排放的控制目标。
该发明涉及的NH3泄漏判断方法使用了经过精确标定的模型进行SCR系统效率是否充分的判断，模型的精度是在不同的温度和空速条件下经过充分验证的，因此更能反映系统在硬件状态正常的情况下真实的转化能力，以此模型计算得到的转化效率为基准，对实际的转化效率进行评价是符合理论逻辑且足够准确的。
本发明提出的NH3泄漏判断方法，为还原剂供给量的实时修正提供了修正方向，并且在NOx或NH3排放超过系统判定限值后，可基于模型计算结果和NOx传感器的交叉感应特性实现对系统偏差状态的定量修正，使系统排放状态重新回到最佳控制区间。
附图说明
图1为现有SCR系统结构示意图；
图2 为NH3泄漏诊断功能的工作原理；
图3 为NH3泄漏诊断功能的激活原理；
图4 为质量流量积分器工作原理；
图5 为NH3泄漏检测结果判断模块；
图6为本发明NH3泄漏诊断流程图。
具体实施方式
本实施例SCR系统的NH3泄漏诊断的原理如图2所示。
本实施例的NH3泄漏诊断的原理如下：
SCR系统开始工作后，当车辆处于正常且较为平稳的工作状态（排除车辆冷启动、DPF再生等状态条件下）时，持续对基于模型的SCR转化效率和基于NOx传感器的SCR转化效率进行监控，当监控到基于NOx传感器的转化效率明显低于模型算得的转化效率时，触发NH3泄漏诊断流程。
本实施例诊断流程是基于SCR系统下游排放NOx的变化规律的停喷响应特性开展，首先停止尿素喷射，当停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨在超过一定限值前，此时如果NOx转化效率的传感器计算值还未下降到标定限值（如50%）以下，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NH3泄漏导致的判断；当NOx转化效率的传感器计算值已经下降到标定限值（如50%）以下，此时如果停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨还未达到限值，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NOx排放过高所导致的判断。
图3所示为NH3泄漏诊断功能的激活原理。本实施例SCR系统通过效率偏差激活NH3泄漏诊断。
NH3泄漏诊断激活条件判定模块通过SCR载体温度、SCR载体空速、还原剂需求喷射量等参数的状态特征，结合SCR温变程度的判断模块、供给率条件判断模块、喷射有效条件判断模块的判定结果对发动机状态及SCR系统工作状态的稳定性进行判断，从而决定当前状态是否适合进行NH3泄漏诊断流程。
该NH3泄漏诊断激活条件判定模块可确保车辆处于正常且较为平稳的工作状态（排除车辆冷启动、DPF再生等状态条件下）才启动NH3泄漏诊断流程，控制系统首先要确认以下4个条件是否满足：
（1）NH3泄露检测功能的使能开关处于打开状态，保证和系统其他工作状态没有冲突。
（2）距离上次NH3泄露检测完成的时间长度超过标定值，确保此次的催化剂在尿素喷射条件下经历了足够长的时间。
（3）基于传感器反馈值的NOx转化效率和基于模型的NOx转化效率的比值低于一定程度，NH3泄露检测的必要性开始存在。
（4）发动机及后处理系统状态条件满足（SCR系统已持续喷射尿素已超过一定时间；发动机上游NOX排放高于一定水平；后处理系统的温度变化率低于一定水平）；保证NH3泄露检测的功能在此状态下可以有效执行。
当以上4个条件满足且持续一段足够的时间后，开始对SCR系统的NH3泄露状态进行诊断：向系统发出指令停止喷射尿素，并基于停喷后SCR系统上、下游组分浓度的变化曲线，通过质量流量积分器计算出在停喷时间段内SCR系统累计消耗掉的NH3质量，基于该质量和标定储氨质量进行比较，从而判断之前效率过低是由NH3泄露导致还是NOx泄露导致的判断。
本实施例的质量流量积分器工作原理如图4所示。
当SCR系统处于尿素停喷状态后，质量流量积分器开始进行积分运算，并将积分周期内的各个质量流量累积值进行运算，用以得到这段时间内所消耗的NH3质量值。各部分质量的计算关系为：基于上游NOx体积浓度、废气质量流量、NOX的摩尔质量、空气的摩尔质量得到上游NOx质量流量；基于下游NOx体积浓度、废气质量流量、NOX的摩尔质量、空气的摩尔质量得到下游NOx质量流量；基于喷射的NH3质量浓度和废气质量流量得到上游NH3质量流量。
本实施例的NH3泄露检测结果判断模块如图5所示。
将质量流量积分器的在停喷周期内产生的三个输出：上游NOx质量累积值、下游NOx质量累积值、上游NH3质量累积值进行相应的计算，得到积分周期内消耗的储氨计算值，将这一储氨计算值和基于载体平均温度的储氨限值进行比较，如果储氨计算值高于限值，则认为在停喷之前催化剂的储氨状态是基本饱和的，这就意味着转化效率过低不可能是由于尿素喷射量不足产生，只能是尿素喷射过量所产生，故而可做出传感器计算的NOx转化效率过低实质上是由于排气中存在NH3泄露，进而影响NOx传感器输出值而导致的。
当计算的储氨和储氨限值完成比较后，会输出一个状态位：未超限为0，超限为1，将上述信号进行加1处理，则NOX泄露为1，NH3泄露为2，当氨泄露检测功能状态位切换到完成后，便将上述结果输出（1或2，分别表示检测出NOx泄露或检测出NH3泄露）。如果在一定的时间内不能完成氨泄露检测功能，则输出0，表示未成功完成NH3泄露检测。
如图6所示，本实施例一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，包括以下步骤：
（1）建立SCR系统的热力学模型和化学反应动力学模型，预估SCR系统出口状态条件和NOx转化效率。
（2）通过下游NOx传感器计算NOx转化效率。
（3）依据系统特性筛选出适合进行NOx转化效率差异对比的工况条件。
（4）一旦进入工况条件并检测到模型和传感器的转化效率偏差超过限值且持续时间足够长后，开始停喷尿素。
（5）记录下游NOx传感器的测量值，并依据这一测量值计算NOx转化效率和停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨。
（6）依据停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨变化特征和NOx转化效率的传感器计算值变化特征完成对系统转化效率过低原因的判断。
（7）对外输出相应的判断结果：NH3泄漏或者是NOx泄漏。

Claims (10)

1.一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述方法在SCR系统的上、下游安装NOx传感器；当工况条件合适时，比对NOx转化效率的模型计算值和NOx转化效率的传感器计算值；当二者差异超过一定限值后，认为排放超标并进一步激活停喷动作来确定排放超标是由NH3泄漏或者是NOx泄漏导致；停喷后记录下游NOx传感器的测量值并计算SCR系统消耗掉的储氨；如果停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨超过一定限值后NOx转化效率还未下降到限值以下，则做出NH3泄漏的判断；当NOx转化效率已经下降到限值以下，而停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨还未达到限值，则做出NOx排放过高的判断。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
（1）建立SCR系统的热力学模型和化学反应动力学模型，模型通过SCR系统入口条件预估NOx转化效率和出口气体组分状态；
（2）通过延时处理后的上游NOx传感器测量值和下游NOx传感器的测量值，得到SCR系统NOx转化效率的传感器计算值；
（3）依据目标SCR系统的反应机理和后处理系统状态参数，筛选出适合进行NOx转化效率差异对比的工况点集范围；
（4）在进入步骤（3）所述的工况点集范围后，一旦检测到NOx转化效率的模型计算值和NOx转化效率的传感器计算值的差异超过一定程度且持续时间足够长后，认为系统已经存在排放超标行为，开始对系统的排放超标状态进行判断；
（5）为完成判断，需要在停喷尿素后记录下游NOx传感器的测量值，并依据这一测量值计算NOx转化效率和停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨；
（6）当停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨超过一定限值后，此时如果NOx转化效率的传感器计算值还未下降到标定限值以下，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NH3泄漏导致的判断；；
（7）当NOx转化效率的传感器计算值已经下降到标定限值以下，此时如果停喷后SCR系统累计消耗掉的储氨还未达到限值，则做出传感器测得的转化效率过低是由于NOx排放过高所导致的判断；
（8）对外输出相应的判断结果：NH3泄漏或者是NOx泄漏。
3.根据权利要求2所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述工况点集必须能够在OBD循环中连续存在一段时间，该段连续时间至少需超过正常比对过程所需时间的2倍。
4.根据权利要求2所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述后处理系统状态参数包括后处理系统结构形式、排气温度、排气空速、发动机工作模式和后处理系统工作模式。
5.根据权利要求2所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述SCR系统累计消耗掉的储氨由SCR系统模型计算得到。
6.根据权利要求2所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述NOx转化效率的传感器计算值是由下游NOx传感器的真实测量值计算得到，但是上游NOx的浓度来自与真实的NOx传感器，或来自于虚拟NOx传感器/NOx原排模型的输出结果。
7.根据权利要求1所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述下游NOx传感器必须为真实的NOx传感器。
8.根据权利要求1所述的一种基于模型的NH3泄漏诊断方法，其特征在于，所述模型为预先建立的SCR系统热力学模型和化学反应动力学模型。
9.一种如权利要求1所述的实现基于模型的NH3泄漏诊断方法的装置，包括SCR控制单元、上游NOx传感器、下游NOx传感器，其特征在于，所述SCR控制单元包括质量流量积分器、NH3泄漏诊断激活条件判断模块、SCR温变程度判断模块、供给率条件判断模块和喷射有效条件判断模块；所述上游NOx传感器和下游NOx传感器为SCR系统提供NOx转化效率的传感器计算值；所述NH3泄漏诊断激活条件判断模块通过SCR载体温度、SCR载体空速、还原剂需求喷射量参数的状态特征，结合SCR温变程度的判断模块、供给率条件判断模块、喷射有效条件判断模块的判定结果对发动机状态及SCR系统工作状态的稳定性进行判断，从而决定当前状态是否适合进行NH3泄漏诊断流程；所述质量流量积分器用于NH3质量流量积分运算，当SCR系统处于尿素停喷状态后，所述质量流量积分器开始进行积分运算，并将积分周期内的各个质量流量累积值进行运算，用以得到这段时间内所消耗的NH3质量值。
10.根据权利要求9所述的实现基于模型的NH3泄漏诊断方法的装置，其特征在于，所述NH3泄漏诊断激活条件判定模块确保车辆处于正常且较为平稳的工作状态才启动NH3泄漏诊断流程，需满足以下4个条件：
（1）NH3泄露检测功能的使能开关处于打开状态，保证和系统其他工作状态没有冲突；
（2）距离上次NH3泄露检测完成的时间长度超过标定值，确保此次的催化剂在尿素喷射条件下经历了足够长的时间；
（3）基于传感器反馈值的NOx转化效率和基于模型的NOx转化效率的比值低于一定程度，NH3泄露检测的必要性开始存在；
（4）发动机及后处理系统状态条件满足；保证NH3泄露检测的功能在此状态下有效执行。
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