CN112196683A

CN112196683A - 一种柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统

Info

Publication number: CN112196683A
Application number: CN202010904437.3A
Authority: CN
Inventors: 朱丹丹; 陈玉俊; 袁集平; 张衡; 周杰敏; 蒋学锋; 刘乔华; 董定欢; 张恒平; 张亚晓
Original assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Current assignee: Dongfeng Commercial Vehicle Co Ltd
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2040-09-01
Also published as: CN112196683B

Abstract

本申请公开了一种柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统，涉及柴油机技术领域，该方法包括步骤：获取燃油总流量，并根据燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量；当柴油机处于主动再生状态、且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，燃油总流量为第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和；获取空气进气中碳原子的第二质量流量、以及排气中碳原子的第三质量流量，计算碳原子的流量偏差值；当流量偏差值超出预设范围时，判断空气流量不合理。本申请，无需关闭EGR阀，即可对空气流量的合理性进行诊断，以避免造成柴油机性能恶化、甚至排放超标。

Description

一种柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统

技术领域

本申请涉及柴油机技术领域，具体涉及一种柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统。

背景技术

目前，为了满足气体排放强制法规要求、以及未来对降低油耗的要求，对柴油机进行多方位监控尤为重要。其中，对空气系统新鲜空气量的准确监控是防止排放超标、提高燃烧性能的一种重要手段。

为了满足国六的排放要求，有些柴油机采用EGR(Exhaust Gas Return，废气再循环系统)来降低NO_x排放，在这种情况下，对新鲜空气量的控制一般是通过安装空气流量传感器或者测算EGR流量来实现。空气流量传感器的测量是否准确，及空气流量合理性诊断是OBD(On-Board Diagnostic，车载诊断系统)监控的一项关键技术。

相关技术中，对空气流量合理性的诊断主要是在EGR阀关闭的条件下，利用速度密度法计算出进气流量(模型值)，然后取空气流量的实测值与模型值的偏差来判断该空气流量测量值是否合理。其中，上述诊断策略对工况有以下要求：

1)要求柴油机EGR阀完全关闭；因为当EGR阀完全关闭时，空气流量传感器的测量值等于速度密度法算出的进气流量，当EGR阀打开时，速度密度法算出的进气流量需减去EGR阀流量才等于空气流量传感器的测量值，而计算EGR阀的流量会带来误差，使模型算出的新鲜空气流量值不准确，进而影响诊断的准确性。

2)要求新鲜空气流量较大；因为如果新鲜空气流量较小，速度密度法算出的新鲜空气流量偏差值较大，影响诊断的准确性。

但是，在柴油机实际运行中，EGR阀完全关闭的工况较少，这就降低了诊断的频次或者长时间都进入不了诊断窗口。当空气流量传感器测量不准确又不能及时诊断出来，会导致新鲜空气流量的控制有较大偏差，柴油机的燃烧不受控制，造成柴油机性能恶化，排放可能超标。若通过介入式诊断来实现该功能，即在某些工况下强制EGR阀进行完全关闭，则会影响柴油机的正常运行，甚至可能会带来柴油机性能和排放的差异。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统以解决相关技术中空气流量合理性诊断时需完全关闭EGR阀，造成柴油机性能恶化、甚至排放超标的问题。

本申请第一方面提供一种柴油机空气流量合理性的诊断方法，其包括步骤：

获取燃油总流量，并根据上述燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量；当柴油机处于主动再生状态、且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，上述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，上述燃油总流量为上述第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和；

获取空气进气中碳原子的第二质量流量、以及排气中碳原子的第三质量流量，并根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算碳原子的流量偏差值；

当上述流量偏差值超出预设范围时，判断空气流量不合理。

一些实施例中，上述获取燃油总流量之前，还包括：

判断柴油机的运行状态；当上述柴油机处于非主动再生状态时，上述第二燃油流量为零，上述燃油总流量等于上述第一燃油流量。

一些实施例中，上述获取空气进气中碳原子的第二质量流量，具体包括：

通过空气流量传感器获取空气进气流量；

根据大气温度和相对湿度，得到空气进气的绝对湿度；

根据上述空气进气流量和绝对湿度，计算得到第二质量流量。

一些实施例中，上述获取排气中碳原子的第三质量流量，具体包括：

通过上述排气浓度测量装置获取排气中二氧化碳的浓度；

根据上述排气中二氧化碳的浓度、空气进气流量以及燃油总流量，计算得到上述第三质量流量。

一些实施例中，根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值，具体包括：

以上述第一质量流量与第二质量流量的和作为总质量流量；

以上述总质量流量与上述第三质量流量的差值作为偏差流量；

以上述偏差流量与总质量流量的比值，作为上述流量偏差值。

本申请第二方面提供一种柴油机空气流量合理性的诊断系统，其包括：

空气流量传感器，设置于柴油机的进气管上，用于获取空气进气流量；

排气浓度测量装置，设置于柴油机的排气管上，用于获取排气中二氧化碳的浓度；

柴油机控制器，其用于根据上述柴油机的运行状态以及排气浓度测量装置的安装位置，计算燃油总流量，进而得到燃油中碳原子的第一质量流量；还用于根据上述空气进气流量得到空气进气中碳原子的第二质量流量，根据上述二氧化碳的浓度得到排气中碳原子的第三质量流量，以及根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值；

上述柴油机控制器还用于判断上述流量偏差值是否超出预设范围，以判断空气流量合理性。

一些实施例中，当上述柴油机处于主动再生状态且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，上述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，上述燃油总流量为上述第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和。

一些实施例中，上述柴油机控制器还用于判断柴油机的运行状态；当上述柴油机处于非主动再生状态时，上述第二燃油流量为零，上述燃油总流量等于上述第一燃油流量。

一些实施例中，上述柴油机的运行状态包括主动再生状态和非主动再生状态，上述非主动再生状态包括被动再生状态和非再生状态。

一些实施例中，上述诊断系统还包括：

温度传感器，其用于获取大气温度，并将上述大气温度发送至上述柴油机控制器；

湿度传感器，其用于获取相对湿度，并将上述相对湿度发送至上述柴油机控制器；

上述柴油机控制器用于根据上述大气温度、相对湿度、以及空气进气流量，得到上述第二质量流量。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的柴油机空气流量合理性的诊断方法及系统，由于根据柴油机的运行状态以及排气浓度测量装置的安装位置，获取燃油总流量，即可根据燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量，然后获取空气进气中碳原子的第二质量流量、以及排气中碳原子的第三质量流量后，根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，可计算得到碳原子的流量偏差值，最后通过判断碳原子的流量偏差值是否在预设范围内，以判断空气流量是否合理，因此，基于碳原子质量流量的计算，无需关闭EGR阀，即可对空气流量的合理性进行诊断，以避免造成柴油机性能恶化、甚至排放超标，适用于柴油机的多种工况下的空气流量合理性诊断。

附图说明

图1为本申请实施例提供的柴油机空气流量合理性的诊断方法的流程图；

图2为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第一种示意图；

图3为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第二种示意图；

图4为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第三种示意图；

图5为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第四种示意图；

图6为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第五种示意图；

图7为本申请实施例中碳原子质量流量走向的第六种示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。

参见图1所示，本申请实施例提供一种柴油机空气流量合理性的诊断方法，其包括步骤：

S1.获取燃油总流量，并根据上述燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量。

当柴油机处于主动再生状态、且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，上述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量。否则，上述燃油总流量为上述第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和。

S2.获取空气进气中碳原子的第二质量流量、以及排气中碳原子的第三质量流量，并根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算碳原子的流量偏差值。

S3.判断上述流量偏差值是否超出预设范围，当上述流量偏差值超出预设范围时，判断空气流量不合理，空气流量传感器异常，否则，判断空气流量合理，空气流量传感器无异常。

具体地，流量偏差值R的计算如下：

Q_f＝q_f×w_f

其中，q_f为燃油总流量，Q_f为第一质量流量，Q_a为第二质量流量，Q_e为第三质量流量，w_f为燃油中碳元素的质量比。若燃油组分为C₁₈H₃₆，则该燃油中碳元素的质量比为0.863。

本申请实施例的柴油机空气流量合理性的诊断方法，根据燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量，然后根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，即可计算得到碳原子的流量偏差值，最后通过判断碳原子的流量偏差值是否在预设范围内，以判断空气流量是否合理，因此，基于碳原子质量流量的计算，无需关闭EGR阀，即可对空气流量的合理性进行诊断，以避免造成柴油机性能恶化、甚至排放超标，适用于柴油机的多种工况下的空气流量合理性诊断。

本实施例中，预设范围的设定需考虑到各误差因素及工况差异的影响，可根据实际情况设定。

可选地，上述预设范围为[-5％，5％]。当流量偏差值大于5％时，意味着空气流量传感器测量值偏小，即空气流量传感器的测量值比实际的进入发动机的新鲜空气量小；当流量偏差值小于-5％时，意味着空气流量传感器测量值偏大，即空气流量传感器的测量值比实际的进入发动机的新鲜空气量大。

国六柴油机可采用被动再生或主动再生来降低碳烟。如果是被动再生降低碳烟，则不会增加额外的燃油消耗。如果是主动再生，则包括通过在柴油机气缸外增加HC喷嘴实现降低碳烟(缸外喷射)，或者在柴油机气缸内通过喷油器进行远后喷实现降低碳烟(缸内喷射)，这两种主动再生都会增加部分燃油消耗。

优选地，上述S1中获取燃油总流量之前，还包括：

首先，判断柴油机的运行状态。柴油机的运行状态包括主动再生状态和非主动再生状态。

当上述柴油机处于非主动再生状态时，表明柴油机内没有用于主动再生的燃油流量，因此，该状态下的第二燃油流量q_fa为零，上述燃油总流量q_f仍等于上述第一燃油流量q_fb，即：

q_f＝q_fb+q_fa

q_fa＝0

当柴油机处于主动再生状态(缸外喷油)且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，由于排气浓度测量装置并未测量HC喷嘴中的碳原子，因此，燃油总流量q_f等于第一燃油流量q_fb，即：

q_f＝q_fb

当柴油机处于主动再生状态，柴油机气缸内通过喷油器进行远后喷或者通过柴油机气缸外增加HC喷嘴，但将排气浓度测量装置安装柴油机外HC喷嘴下游来降低碳烟时，燃油总流量q_f的计算如下：

q_f＝q_fb+q_fa

本实施例中，第一燃油流量q_fb即柴油机缸内正常基本燃烧时的燃油流量，不包括用于主动再生的燃油流量，该变量可由柴油机控制器计算输出。因此，根据柴油机缸内正常基本燃烧时的燃油流量计算出来的碳原子的质量流量Q_fb为：

Q_fb＝q_fb×w_f

本实施例中，第二燃油流量q_fa即柴油机用于主动再生的燃油流量，可由柴油机控制器计算输出。因此，根据柴油机用于主动再生的燃油流量计算出来的碳原子的质量流量Q_fa为：

Q_fa＝q_fa×w_f

本实施例中，上述步骤S2中，获取空气进气中碳原子的第二质量流量，具体包括：

首先，通过空气流量传感器获取空气进气流量。

然后，根据大气温度和相对湿度，计算得到空气进气的绝对湿度。

最后，根据上述空气进气流量和绝对湿度，计算得到空气进气中碳原子的第二质量流量。

其中，第二质量流量Q_a即新鲜空气中碳原子的质量流量的计算如下：

其中，q_a为空气流量，根据空气流量传感器获取；H_a为进气绝对湿度，根据大气温度和相对湿度计算；0.033％为大气中CO₂的浓度；28.9644(g/mol)为干燥空气的摩尔质量；12.011(g/mol)为一个碳原子的摩尔质量。

进一步地，上述步骤S2中，获取排气中碳原子的第三质量流量，具体包括：

首先，通过上述排气浓度测量装置获取排气中二氧化碳的浓度。

然后，根据上述排气中二氧化碳的浓度、空气进气流量以及燃油总流量，计算得到上述第三质量流量。

柴油机排气中碳原子会以CO₂、CO、HC和碳烟的形式排出。排气中CO和HC的气体浓度很小，碳烟会被DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒捕捉器)吸附或生成PM，在排气中的占比也很小。因此，在计算排气中碳原子的质量流量时可忽略CO、HC和碳烟这几项。

另外，尽管开式的活塞曲轴箱通风也会将较少的碳原子直接排到大气中，但是其占比较小，因此，在计算上述第三质量流量时也忽略了该项。

具体地，第三质量流量的计算如下：

其中，

为排气中CO₂的浓度；u为排气中CO₂密度和排气密度比。本实施例中，u为0.0015189，f为其他修正系数。

本实施例中，当CO₂的浓度是干基浓度，则需要转化湿基进行计算，f为干湿基校正系数；当CO₂的浓度是湿基浓度，此处的f为1。

本实施例中，上述步骤S2中，根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值，具体包括：

首先，以上述第一质量流量与第二质量流量的和作为碳原子的总质量流量。

然后，以上述总质量流量与上述第三质量流量的差值作为碳原子的偏差流量。

最后，以偏差流量与上述总质量流量的比值，作为碳原子的流量偏差值。

本申请实施例还提供一种柴油机空气流量合理性的诊断系统，其包括空气流量传感器、排气浓度测量装置和柴油机控制器。

空气流量传感器设置在柴油机的进气管上，空气流量传感器用于获取空气进气流量。

排气浓度测量装置设置在柴油机的排气管上，排气浓度测量装置用于获取排气中二氧化碳的浓度。

柴油机控制器用于根据上述柴油机的运行状态以及排气浓度测量装置的安装位置，计算燃油总流量，进而得到燃油中碳原子的第一质量流量。柴油机控制器还用于根据上述空气进气流量得到空气进气中碳原子的第二质量流量，根据上述二氧化碳的浓度得到排气中碳原子的第三质量流量，以及根据上述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值。

柴油机控制器还用于判断上述流量偏差值是否超出预设范围，以判断空气流量合理性。当上述流量偏差值超出预设范围时，柴油机控制器判断上述空气流量不合理。

本实施例中，当上述柴油机处于主动再生状态(缸外喷油)、且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，上述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，上述燃油总流量为上述第一燃油流量、与用于主动再生的第二燃油流量之和。

进一步地，上述柴油机控制器还用于判断柴油机的运行状态。当上述柴油机处于非主动再生状态时，上述第二燃油流量为零，上述燃油总流量的值等于上述第一燃油流量。

本实施例中，上述柴油机的运行状态包括主动再生状态和非主动再生状态，上述非主动再生状态包括被动再生状态和非再生状态。

优选地，上述诊断系统还包括温度传感器和湿度传感器。

温度传感器用于获取大气温度，并将上述大气温度发送至上述柴油机控制器。湿度传感器用于获取相对湿度，并将上述相对湿度发送至上述柴油机控制器。上述柴油机控制器用于根据上述大气温度、相对湿度、以及空气进气流量，得到上述第二质量流量。

本实施例中，后处理系统包括DOC(Diesel Oxident Catalyst，氧化催化器)、DPF(Diesel Particulate Filter，颗粒捕捉器)和SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原)系统。

本实施例中，当柴油机处于主动再生状态时，对于带主动再生缸外HC喷射的柴油机碳原子质量流量走向如图2所示，其排气CO2的浓度测量装置位于后处理系统的下游。

该实施例中的燃油总流量为上述第一燃油流量与第二燃油流量之和，且HC喷嘴中的第二燃油流量不为零。

当柴油机处于主动再生状态时，对于带主动再生缸内远后喷的柴油机碳原子质量流量走向如图3所示，其排气CO₂浓度测量装置位于后处理系统的下游。

该实施例中的燃油总流量为上述第一燃油流量与第二燃油流量之和，且远后喷中的第二燃油流量不为零。

当柴油机处于非主动再生状态时，对于没有再生或带被动再生的柴油机碳原子质量流量走向如图4所示，其排气CO₂浓度测量装置位于后处理系统的下游。

该实施例中的燃油总流量虽然为上述第一燃油流量与第二燃油流量之和。但是，对于没有再生或带被动再生的柴油机，其第二燃油流量为零，进而，燃油总流量仍是等于第一燃油流量。

当柴油机处于主动再生状态时，对于带主动再生缸外HC喷射的柴油机碳原子质量流量走向如图5所示，其排气CO2浓度测量装置位于后处理系统的上游，且位于HC喷嘴的上游。

由于，排气浓度测量装置位于HC喷嘴上游，此处排气的碳原子不包括HC喷嘴中的碳原子，计算燃油中碳原子质量流量时需要减去HC喷嘴中的碳原子，因此，其燃油总流量为上述第一燃油流量。

当柴油机处于主动再生状态时，对于带主动再生缸内远后喷的柴油机碳原子质量流量走向如图6所示，其排气CO2浓度测量装置位于后处理系统的上游。该实施例中的燃油总流量为上述第一燃油流量与第二燃油流量之和。

当柴油机处于非主动再生状态时，对于没有再生或带被动再生的柴油机碳原子质量流量走向如图7所示，其排气CO2浓度测量装置安排位于后处理系统的上游。该实施例中的燃油总流量的值等于第一燃油流量。

国六柴油机空气流量合理性诊断工况需设定在稳态工况，且转速负荷不能太低，这种状况下流量偏差值的计算更加准确。

可选地，如果设定在主动再生工况诊断，则需考虑HC喷嘴或后喷的燃油流量影响，因此，诊断工况可以设定在非主动再生工况，以排除HC喷嘴或后喷的燃油流量影响。

本实施例的系统，适用于上述各方法，无需关闭EGR阀，即可适用于较多工况下对空气流量的合理性诊断，当计算得到的流量偏差值超出预设范围时，空气流量合理性就会报出故障。

本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种柴油机空气流量合理性的诊断方法，其特征在于，其包括步骤：

获取燃油总流量，并根据所述燃油总流量得到燃油中碳原子的第一质量流量；当柴油机处于主动再生状态、且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，所述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，所述燃油总流量为所述第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和；

获取空气进气中碳原子的第二质量流量、以及排气中碳原子的第三质量流量，并根据所述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算碳原子的流量偏差值；

当所述流量偏差值超出预设范围时，判断空气流量不合理。

2.如权利要求1所述的柴油机空气流量合理性的诊断方法，其特征在于，所述获取燃油总流量之前，还包括：

判断柴油机的运行状态；当所述柴油机处于非主动再生状态时，所述第二燃油流量为零，所述燃油总流量等于所述第一燃油流量。

3.如权利要求1所述的柴油机空气流量合理性的诊断方法，其特征在于，所述获取空气进气中碳原子的第二质量流量，具体包括：

通过空气流量传感器获取空气进气流量；

根据大气温度和相对湿度，得到空气进气的绝对湿度；

根据所述空气进气流量和绝对湿度，计算得到第二质量流量。

4.如权利要求3所述的柴油机空气流量合理性的诊断方法，其特征在于，所述获取排气中碳原子的第三质量流量，具体包括：

通过所述排气浓度测量装置获取排气中二氧化碳的浓度；

根据所述排气中二氧化碳的浓度、空气进气流量以及燃油总流量，计算得到所述第三质量流量。

5.如权利要求1所述的柴油机空气流量合理性的诊断方法，其特征在于，根据所述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值，具体包括：

以所述第一质量流量与第二质量流量的和作为总质量流量；

以所述总质量流量与所述第三质量流量的差值作为偏差流量；

以所述偏差流量与总质量流量的比值，作为所述流量偏差值。

6.一种柴油机空气流量合理性的诊断系统，其特征在于，其包括：

柴油机控制器，其用于根据所述柴油机的运行状态以及排气浓度测量装置的安装位置，计算燃油总流量，进而得到燃油中碳原子的第一质量流量；还用于根据所述空气进气流量得到空气进气中碳原子的第二质量流量，根据所述二氧化碳的浓度得到排气中碳原子的第三质量流量，以及根据所述第一质量流量、第二质量流量和第三质量流量，计算流量偏差值；

所述柴油机控制器还用于判断所述流量偏差值是否超出预设范围，以判断空气流量合理性。

7.如权利要求6所述的柴油机空气流量合理性的诊断系统，其特征在于：当所述柴油机处于主动再生状态且排气浓度测量装置位于柴油机外HC喷嘴上游时，所述燃油总流量为柴油机气缸内非用于主动再生的第一燃油流量；否则，所述燃油总流量为所述第一燃油流量、与柴油机用于主动再生的第二燃油流量之和。

8.如权利要求7所述的柴油机空气流量合理性的诊断系统，其特征在于：

所述柴油机控制器还用于判断柴油机的运行状态；当所述柴油机处于非主动再生状态时，所述第二燃油流量为零，所述燃油总流量等于所述第一燃油流量。

9.如权利要求8所述的柴油机空气流量合理性的诊断系统，其特征在于：所述柴油机的运行状态包括主动再生状态和非主动再生状态，所述非主动再生状态包括被动再生状态和非再生状态。

10.如权利要求6所述的柴油机空气流量合理性的诊断系统，其特征在于，所述诊断系统还包括：

温度传感器，其用于获取大气温度，并将所述大气温度发送至所述柴油机控制器；

湿度传感器，其用于获取相对湿度，并将所述相对湿度发送至所述柴油机控制器；

所述柴油机控制器用于根据所述大气温度、相对湿度、以及空气进气流量，得到所述第二质量流量。