CN113250800B - 一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种Urea‑SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，包括以下步骤：（1）通过实时采集ECU中的发动机转速、转矩、排气质量流量、SCR入口NOx浓度、SCR入口温度、尿素喷射量等数据；（2）利用结晶风险在线诊断模块计算得到系统当前的结晶风险等级；（3）当处于低结晶风险等级时，通过语音提示系统和仪表实现对驾驶员的提示与诱导；（4）当处于中等结晶风险等级时，一旦工况条件满足，通过主动触发标准结晶消除模式，对EGR率、后喷喷油量、喷油提前角、排气TV阀、电加热单元、尿素喷射控制策略等进行相应的控制；（5）当处于高结晶风险等级时，通过要求驾驶员尽快在驻车条件下开启强力结晶消除模式以尽早消除尿素结晶风险。

Description

一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法
技术领域
本发明涉及一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，属机动车排放控制技术领域。
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。
尿素选择性催化还原技术（简称Urea-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。
尿素结晶是Urea-SCR系统在实际应用过程中面临的普遍问题，Urea-SCR系统如图1所示。
现有的SCR系统的尿素结晶问题主要是由于混合系统设计不合理、尿素溶液喷射量过高、排气温度过低等情况导致。尿素结晶（亦称尿素沉积物）的积累会引起排气背压升高，催化剂工作效率降低，使得发动机经济性和排放特性变差，严重时甚至会堵塞排气管，导致发动机无法正常工作。
目前的车辆上没有相应的传感器或检测装置能够监测到尿素结晶的发生，往往需要等到尿素结晶程度已经严重到影响车辆的动力性或排放特性后，尿素结晶问题才会被发现，此时发动机和排气后处理系统已经在经济性和排放性不良的状态下运行了较长时间，给环境造成了很大的污染。同时，即使驾驶员及时发现了尿素结晶问题，限于其并不具备相应的专业背景，亦难以在车辆的使用过程中采取有效的手段去消除尿素结晶，往往只能选择去维修站点将排气后处理系统拆下进行维护，严重影响车辆的正常使用性能。
发明内容
本发明的目的是，为了在尿素结晶形成的初始阶段便能够发现并控制尿素结晶这一风险，本发明提出了一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法。
本发明实现的技术方案如下，一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，所述方法在系统中设置结晶风险在线诊断模块和主动控制模块，利用结晶风险在线诊断模块计算得到Urea-SCR系统当前的结晶风险等级；依据结晶风险等级从低到高，分别采取驾驶员诱导、主动触发标准结晶消除模式和主动触发强力结晶消除模式三种有区别的动作以尽早消除尿素结晶风险。
具体步骤如下：
（1）通过实时采集ECU中的发动机转速、转矩、排气质量流量、SCR入口NOx浓度、SCR入口温度、尿素喷射量等数据，利用结晶风险在线诊断模块计算得到当前系统的结晶风险等级，并通过仪表实时显示尿素结晶风险系数变化曲线图，该曲线图纵坐标为当前的风险持续时间计数器输出的具体数值，横坐标为对应的时间，每2s更新一次，以帮助驾驶员确认车辆当前的结晶风险变化规律，同时明确其采取的工况调整策略是否满足降低尿素结晶风险的要求。
（2）当结晶风险在线诊断模块的输出值大于诊断阈值T1且小于诊断阈值T2时，认为系统处于低结晶风险状态，此时主动控制模块的工作目标以实现对驾驶员的诱导为主。主动控制模块通过语音提示系统提示驾驶员该车目前存在尿素结晶风险，应尽快调整驾驶策略以避免车辆长期工作在结晶风险超临界状态下。如果监测到结晶风险在线诊断模块的输出值继续增加，则触发仪表屏幕的闪烁；当监测到结晶风险在线诊断模块的输出值开始下降，系统处于结晶风险消除状态后，语音提示装置将通过语音提示驾驶员尽量保持当前的发动机运行工况。
（3）当结晶风险在线诊断模块的输出值大于诊断阈值T2且小于诊断阈值T3时，认为系统处于中度结晶风险状态，此时主动控制模块的工作目标是：在不影响驾驶员用车需求的条件下，通过自动调整发动机运行模式实现尿素结晶的消除。其具体工作逻辑为：当检测到系统存在中度结晶风险时，主动控制模块将向ECU发出风险消除请求，接收到这一请求以后，ECU首先需要判断当前的工况条件是否适合进行模式的切换，当发动机转速、喷油量、排气温度、空速、发动机工作模式等条件满足模式切换要求后，结晶风险消除动作将被执行，此时，发动机将切换到标准结晶消除模式。
（4）进入标准结晶消除模式后，视车辆配置与当前工况状态的不同，ECU将采取EGR率控制、增加后喷喷油量、推迟喷油提前角、部分关闭排气TV阀、触发电加热单元、调整尿素喷射控制策略等操作中的一种或几种，在维持当前车辆扭矩需求的基础上，快速提升排气温度、降低原排NOx浓度从而降低尿素喷射需求，进而达到在车辆运行过程中消除结晶的目的。
（5）当结晶风险在线诊断模块的输出值大于诊断阈值T3时，认为系统处于高结晶风险状态，此时尿素结晶已经有可能造成排气堵塞等恶劣后果，如不及时消除将会引发车辆更多的问题，因此必须尽快消除尿素结晶。此时主动控制模块的工作目标是：迅速通过较为激进的手段消除尿素结晶，以保障发动机和后处理系统的正常运行。
（6）主动控制模块监测到系统处于高结晶风险状态后，将会首先请求查询DPF系统的当前累碳里程，当本循环累碳里程已超过再生里程限值的80%，则直接提示驾驶员车辆将进入DPF主动再生模式，当再生条件满足后，通过DPF再生过程中的高温快速消除尿素结晶。
（7）如果本循环累碳里程低于再生里程限值的80%，则提示驾驶员尽快寻找合适位置停车，并判断手刹状态、离合状态、车速、发动机转速等是否满足驻车结晶消除需求，为强力结晶消除模式的运行做好准备。当监测到车辆进入驻车状态并经由驾驶员手动确认可以开始运行强力结晶消除模式后，车辆将进入该模式。强力结晶消除模式通过增加发动机转速、燃油后喷使得SCR温度升至500℃以上，从而达到消除结晶的目的，相比于DPF再生模式，其持续时间更短，燃油消耗量更低。
（8）检测到系统DPF再生完成或者强力结晶消除模式完成后，主动控制模块将发送结晶风险消除状态位标志信号，结晶风险在线诊断模块收到此信号后，风险持续时间计数器的累积值将重置为0，此时结晶风险在线诊断模块的输出值亦为0，指示系统重新回到无结晶风险状态。
本发明的有益效果是，本发明提供了一种尿素结晶风险的主动控制方式，针对不同等级的尿素结晶风险水平，有差异性地通过ECU调整发动机工作模式、尿素喷射控制策略或诱导驾驶员进行特定的操作从而使得发动机原始排放条件、后处理系统温度条件和尿素喷射状态条件更有利于尿素结晶的消除。本发明的主动控制方式可在结晶风险初期即开始对驾驶员进行提示，使得驾驶员更容易通过主动的工况调整有目的地干预结晶的进一步生成，尽早降低尿素风险等级；当结晶风险较高时则通过发动机和后处理系统的自动模式切换确保系统进入尿素结晶消除状态，使得Urea-SCR系统能够在较短的时间内恢复正常状态，充分发挥其排放控制效果，有效降低NOx排放。
附图说明
图1为现有Urea-SCR系统工作原理图；
图2 为尿素结晶风险在线诊断模块工作原理图；
图3 为尿素结晶风险主动控制模块的工作原理图。
具体实施方式
本实施例中Urea-SCR系统尿素结晶风险主动控制模块的工作原理如图3所示。
结晶风险主动控制模块接收来自结晶风险在线诊断模块的诊断结果后，将触发仪表实时显示尿素结晶风险系数变化曲线图，该曲线图纵坐标为当前的风险持续时间计数器输出的具体数值，横坐标为对应的时间，每2s更新一次，以帮助驾驶员确认车辆当前的结晶风险变化规律，同时明确其采取的工况调整策略是否满足降低尿素结晶风险的要求。依据风险等级的不同，结晶风险主动控制模块将采取不同的风险控制策略。
低结晶风险状态下以对驾驶员的引导为主，此时主动控制模块通过语音提示系统提示驾驶员该车目前存在尿素结晶风险，应尽快调整驾驶策略以避免车辆长期工作在结晶风险超临界状态下，如果监测到结晶风险在线诊断模块的输出值继续增加，则触发仪表屏幕的闪烁；当监测到结晶风险在线诊断模块的输出值开始下降，系统处于结晶风险消除状态后，语音提示装置将通过语音提示驾驶员尽量保持当前的发动机运行工况。
当主动控制模块监测到系统存在中度结晶风险时，主动控制模块将向ECU发出风险消除请求，接收到这一请求以后，ECU将会判断当前的工况条件是否适合进行风险消除动作，当发动机转速、喷油量、排气温度、空速、发动机工作模式等条件满足要求后，发动机将切换到标准结晶消除模式，视车辆配置与当前工况状态的不同，ECU在标准结晶消除模式下将采取EGR率控制、增加后喷喷油量、推迟喷油提前角、部分关闭排气TV阀、触发电加热单元、调整尿素喷射控制策略等操作中的一种或几种，在维持当前车辆扭矩需求的基础上，快速提升排气温度、降低原排NOx浓度从而降低尿素喷射需求，进而达到在车辆运行过程中消除结晶的目的。标准结晶消除模式运行过程中，一旦检测到结晶风险持续时间计数器的值低于T1，ECU将退出标准结晶消除模式，回到正常控制模式；如果标准结晶消除模式持续工作时间超过一定限值以后结晶风险持续时间计数器的值还没有低于T2，则同样退出标准结晶消除模式，提示驾驶员系统需要进入强力结晶消除模式，在其确认后直接请求触发强力结晶消除模式。
当主动控制模块监测到系统处于高结晶风险状态后，此时已不能兼顾车辆的正常驾驶需要，要求立刻提示驾驶员进行强力结晶消除操作，此时主动控制模块将会首先请求查询DPF系统的当前累碳里程，当本循环累碳里程已超过再生里程限值的80%，则直接提示驾驶员车辆将进入DPF主动再生模式，当再生条件满足后，通过DPF再生状态下的高温快速消除尿素结晶；如果本循环累碳里程低于再生里程限值的80%，则提示驾驶员尽快寻找合适位置停车，并判断手刹状态、离合状态、车速、发动机转速等是否满足驻车结晶消除需求，为强力结晶消除模式的运行做好准备。当监测到车辆进入驻车状态并经由驾驶员手动确认可以开始运行强力结晶消除模式后，车辆将进入该模式。强力结晶消除模式通过增加发动机转速、燃油后喷使得SCR温度升至500℃以上，从而达到消除结晶的目的，相比于DPF再生模式，其持续时间更短，燃油消耗量更低。检测到系统DPF再生完成或者强力结晶消除模式完成后，主动控制模块将发送结晶风险消除状态位标志信号，结晶风险在线诊断模块收到此信号后，风险持续时间计数器的累积值将重置为0，此时结晶风险在线诊断模块的输出值亦为0，指示系统重新回到无结晶风险状态。
本实施例尿素结晶风险在线诊断模块的工作原理如图2所示。
Urea-SCR系统开始工作后，结晶风险在线诊断模块将通过ECU数据流采集尿素喷射量、排气质量流量、SCR入口温度等信号计算实际的尿素结晶风险因子；该风险因子与尿素结晶风险因子阈值相比较，如果实际的尿素结晶风险因子大于尿素结晶风险因子阈值，则开始计算结晶风险持续时间等效值，此时结晶风险持续时间积分器亦开始工作并输出结晶风险程度积分值，在尿素结晶风险因子大于尿素结晶风险因子阈值这一状态下，输出的结晶风险程度积分值将增多。
如果实际的尿素结晶风险因子小于尿素结晶风险因子阈值，则开始计算结晶风险消除时间等效值，此时结晶风险持续时间积分器输出的结晶风险程度积分值将减小；结晶风险程度积分值计算结果小于0，则对外输出为0，不允许出现输出为负值的情况；依据输出的结晶风险程度积分值的不同，该结晶风险在线诊断模块对外输出不同程度的尿素结晶风险结果。

Claims (4)

1.一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，包括实时采集ECU中的发动机转速、转矩、排气质量流量、SCR入口NOx浓度、SCR入口温度、尿素喷射量数据，其特征在于，所述方法利用结晶风险在线诊断模块计算得到Urea-SCR系统当前的结晶风险等级；依据结晶风险等级从低到高，分别采取驾驶员诱导、主动触发标准结晶消除模式和主动触发强力结晶消除模式三种有区别的动作以尽早消除尿素结晶风险；
所述采取驾驶员诱导，是通过语音提示系统和仪表显示联合实现；主动控制模块通过语音提示系统提示驾驶员所驾车辆目前存在尿素结晶风险，应尽快调整驾驶策略以避免所驾车辆长期工作在结晶风险超临界状态下；如果监测到结晶风险在线诊断模块的输出值继续增加，则触发仪表屏幕的闪烁；当监测到结晶风险在线诊断模块的输出值开始下降，系统处于结晶风险消除状态后，语音提示装置将通过语音提示驾驶员尽量保持当前的发动机运行工况；
所述标准结晶消除模式，通过ECU调整发动机和尿素喷射系统的控制模式实现结晶消除；视车辆配置与当前工况状态的不同，ECU采取EGR率控制、增加后喷喷油量、推迟喷油提前角、部分关闭排气TV阀、触发电加热单元、调整尿素喷射控制策略操作中的一种或几种，建立尿素结晶的消除条件；
所述强力结晶消除模式，在驻车条件下通过ECU控制发动机转速上升、增加燃油后使得SCR温度升至500℃以上，从而达到消除结晶的目的，相比于DPF再生模式，其持续时间更短，燃油消耗量更低。
2.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，其特征在于，所述结晶风险的等级判断依据为：当结晶风险在线诊断模块的输出值T大于诊断阈值T1、且小于诊断阈值T2时，认为系统处于低结晶风险状态；当结晶风险在线诊断模块的输出值大于诊断阈值T2、且小于诊断阈值T3时，认为系统处于中度结晶风险状态；当结晶风险在线诊断模块的输出值大于诊断阈值T3时，认为系统处于高结晶风险状态；其中诊断阈值T1、诊断阈值T2、诊断阈值T3由试验获得。
3.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，其特征在于，所述强力结晶消除模式开始前，请求查询DPF系统的当前累碳里程，当本循环累碳里程已超过再生里程限值的80%，则直接提示驾驶员车辆将进入DPF主动再生模式，当再生条件满足后，通过DPF再生状态下的高温快速消除尿素结晶。
4.根据权利要求3所述的一种Urea-SCR系统尿素结晶风险的主动控制方法，其特征在于，所述本循环累碳里程低于再生里程限值的80%，则提示驾驶员尽快寻找合适位置停车，并判断手刹状态、离合状态、车速、发动机转速是否满足驻车结晶消除需求，为强力结晶消除模式的运行做好准备；当监测到车辆进入驻车状态并经由驾驶员手动确认可以开始运行强力结晶消除模式后，车辆将进入该模式。
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