CN115788636A - 一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，包括以下步骤：通过激活条件模块配合发动机的工作环境以及状态获取上游NOx传感器检测的发动机原始NOx排放数值a，并通过下游NOx传感器获得SCR处理后的NOx排放数值b，本发明通过上下游NOx传感器来计算反应掉的NOx，进而计算得出尿素消耗量和尿燃比；在无法准确得到尿素箱体积情况下，利用尿素消耗量和尿素液位变化百分比计算尿素箱体积；根据实际车辆尿燃比的范围对计算尿燃比数值进行判定，划分不同的数值范围；可将计算出的尿素箱体积进行正态分布数值处理；通过尿素箱体积计算，可以有效判断系统作弊问题。

Description

一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法

技术领域

本发明属于柴油机尿燃比计算技术领域，具体为一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法。

背景技术

柴油机工作时尾气会排出大量的氮氧化物污染物，以一氧化氮和二氧化氮为主的氮氧化物是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因，汽车尾气中的氮氧化物与碳氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾，称为光化学烟雾，光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低，另外，氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的成分，在国家环保规划中，氮氧化物将成为继二氧化硫之后的实行总量控制的污染物。

为了降低柴油机尾气中的NOx排放，柴油机生产厂家目前普遍采用选择性催化还原法，其原理是向发动机尾气中喷射尿素溶液，尿素溶液高温会水解产生氨气，氨气和氮氧化物会产生氧化还原反应，生成氮气和水，从而降低柴油机的氮氧化物的排放；

其中主要反应如下：

4NH₃+4NO₂＝4N₂+6H₂O

8NH₃+6NO₂＝7N₂+12H₂O

尿燃比的定义是：尿素与燃油消耗体积比，柴油机在正常工作的条件下，在排放法规监控的工况下：柴油机尿燃比＝尿素消耗量(升)/柴油消耗量(升)×100％，装有SCR后处理系统柴油机在满足国家排放法规要求的发动机运行工况下，尿燃比大约在4％-8％左右，因此通过尿素比可以一定程度上发现柴油机运行状态是否正常，当尿燃比数值过小时，说明尿素消耗的过少，柴油机尾气NOx存在超标风险；当尿燃比过大时，说明尿素消耗过多，消耗过多的尿素可能无法反应掉，产生多余的氨气释放到大气中，同样会造成环境污染。

现有尿燃比计算技术说明：目前计算尿燃比普遍采用质量积分的方式进行，柴油机电控单元可以获得柴油机单位时间内的尿素喷射量和燃油消耗量，将单位时间内的数值进行积分，再根据尿素密度和燃油密度可以计算单位时间尿素的体积和燃油消耗体积，从而获得尿素比数值，该方法简单准确，最大的缺点是该方法只适合柴油机生产厂家进行自己监管，环保监管执法无法使用，因为尿素喷射量环保监管人员无法获得，就无法进行计算。

由于大部分厂家都将尿素喷射量视作厂家的技术秘密，不对外公开，并且根据目前国六排放法规的要求，重型柴油机国六法规附录Q中车载终端采集的数据不包含尿素喷射量数值，柴油机厂家不会主动提供该数据，造成环保部门执法人员无法判断尿燃比数值，对车辆的尿素消耗监管存在漏洞，车辆尿素结晶问题也是困扰柴油机厂家及环保监管的难题，尿素结晶是喷射尿素未参与反应，水分蒸发后板结在SCR箱内部的现象，目前没有太好手段进行诊断，只有拆开SCR箱进行实际测量。

发明内容：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，解决了背景技术中提到的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：

一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，包括以下步骤：

S1、通过激活条件模块配合发动机的工作环境以及状态获取上游NOx传感器检测的发动机原始NOx排放数值a，并通过下游NOx传感器获得SCR处理后的NOx排放数值b；

S2、通过中间计算模块的计算得到发动机单位时间内反应掉的NOx质量流量；

S3、存储模块根据尿素液位信号下降沿激活情况记录尿素体积储存和燃油体积储存；

S4、结果计算模块根据尿素消耗体积和液位变化百分比计算尿素箱体积，并计算尿燃比R，同时在尿素箱体积分析模块的作用下进行正态分布处理；

S5、尿燃比判定模块根据S4中尿燃比R的值判定尿素消耗情况；

S6、综合判定模块根据S5中尿素消耗量以及S4中尿素箱体积对SCR箱中的尿素是否存在结晶问题进行判定。

作为优选，所述S2中反应掉的NOx质量流量的计算方式如下：

上游NOx传感器数值与下游NOx传感器数值a-b的差即为转化掉的NOx，其中a-b单位为ppm，质量流量单位为kg/h，且M_反应掉NOx＝(a-b)×46×[废气质量流量M(kg/h)]/(29×1000000)，其中NOx的摩尔质量由NO2代替，f_stoich＝氨气的分子质量/二氧化氮的分子质量＝0.37，尿素水溶液与NH3的质量比值为60/17/0.325/2＝5.425，消耗尿素质量M_尿素＝M_反应掉NOx/0.37×5.425，即可得到尿素的消耗量M_尿素。

作为优选，所述激活条件模块的输出端通信连接有中间计算模块，所述中间计算模块的输出端通信连接有存储模块，中间计算模块的输出端通信连接有结果计算模块，所述结果计算模块的输出端分别通信连接有尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块，所述尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块的输出端通信连接有综合判定模块。

作为优选，所述激活条件模块用于负责发动机的基本的条件判断；所述中间计算模块用于根据上游数据完成中间变量的计算，并将数据发送给结果计算模块；所述存储模块用于将中间计算模块得到的数值尿素体积和燃油体积进行存储；所述结果计算模块用于根据尿素液位信号每出现5次变化，计算得到尿燃比计算R值，同时根据尿素体积和尿素液位变化的百分比，计算尿素箱体积；所述尿燃比判定模块用于根据结果计算模块计算出的尿燃比与标准结果进行对比判断；所述尿素箱体积分析模块用于通过结果结算模块获得尿素箱体积数据，并根据若干组计算的尿素箱体积数据和机型数据处理，获得尿素箱体积数值的正态分布图；所述综合判断模块用于计算正态分布边缘点，并根据缘点判断SCR有无结晶状况。

作为优选，所述激活条件模块的条件为：

环境压力＞750hPa；车速＞0km/h；SCR上游温度＜450℃；上游NOx值∈(0-2000)ppm；下游NOx值∈(0-2000)ppm。

作为优选，所述中间计算模块的计算项包括：

计算发动机废气流量；

计算NOx转化量(ppm)；

计算燃油消耗体积；

记录尿素液位下降次数，且下降次数n＝n+1；

根据NOx转化量计算尿素消耗的体积。

作为优选，所述尿燃比判定模块的判断标准为：

R范围在(4％-6％)时尿素消耗正常；

R范围在(6％-10％)时尿素消耗偏高；

R范围在(2％-4％)时尿素消耗偏少；

且R范围小于2％时尿素消耗太少，存在NOx超标风险；R范围大于10％时尿素消耗过高，存在氨泄露风险。

作为优选，所述计算尿素箱体积公式为：

尿素箱体积＝尿素体积/尿素液位变化的百分比。

作为优选，所述正态分布中间相对集中的数据即为尿素箱的体积数值，且所述正态分布表达式中有两个参数：

期望μ和标准差σ，σ²为方差，正态曲线下，横轴区间(μ-σ,μ+σ)内的面积为68.268949％；P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826区域内的点数值取平均值获得尿素箱体积数值，X为计算出的尿素箱体积。

本发明的有益效果是：

1、可充分利用国六法规规定的远程终端信息，通过上下游NOx传感器来计算反应掉的NOx，进而计算得出尿素消耗量和尿燃比；

2、在无法准确得到尿素箱体积情况下，利用尿素消耗量和尿素液位变化百分比计算尿素箱体积的方法，根据尿素箱液位传感器测量呈阶梯状的工作特点，准确去捕捉尿素液位下降沿变化，从而获得液位变化百分比，再利用液位变化对应计算的尿素消耗量，为计算尿素箱体积做好基础；

3、根据实际车辆尿燃比的范围，对计算尿燃比数值进行判定，划分不同的数值范围，当不在合理范围内时，系统会做出相应的判断，为识别尿燃比异常做出重要标准；

4、可将计算出的尿素箱体积进行正态分布数值处理，将P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826范围内的点计算平均值，得到尿素箱的体积，对于严重偏离计算尿素箱体积点，进行判定，得出SCR箱是否存在结晶的结论，从而为车辆结晶问题排查提供了重要参考；

5、通过尿素箱体积计算，还可以有效判断系统作弊问题，当尿素液位百分比变化非常缓慢而尿素消耗显示正常时，此时计算出的尿素箱体积会很大，说明尿素箱液位信号或者NOx传感器信号存在异常，可能存在作弊问题，为车辆作弊排查提供依据。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明流程示意图；

图2是本发明基于NOx传感器数值计算尿燃比逻辑图。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图2所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

实施例1：

一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，包括以下步骤：

S1、通过激活条件模块配合发动机的工作环境以及状态获取上游NOx传感器检测的发动机原始NOx排放数值a，并通过下游NOx传感器获得SCR处理后的NOx排放数值b；

S2、通过中间计算模块的计算得到发动机单位时间内反应掉的NOx质量流量；可充分利用国六法规规定的远程终端信息，通过上下游NOx传感器来计算反应掉的NOx，进而计算得出尿素消耗量和尿燃比。

S3、存储模块根据尿素液位信号下降沿激活情况记录尿素体积储存和燃油体积储存；在无法准确得到尿素箱体积情况下，利用尿素消耗量和尿素液位变化百分比计算尿素箱体积的方法，根据尿素箱液位传感器测量呈阶梯状的工作特点，准确去捕捉尿素液位下降沿变化，从而获得液位变化百分比，再利用液位变化对应计算的尿素消耗量，为计算尿素箱体积做好基础。

S4、结果计算模块根据尿素消耗体积和液位变化百分比计算尿素箱体积，并计算尿燃比R，同时在尿素箱体积分析模块的作用下进行正态分布处理；可将计算出的尿素箱体积进行正态分布数值处理，将P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826范围内的点计算平均值，得到尿素箱的体积，对于严重偏离计算尿素箱体积点，进行判定，得出SCR箱是否存在结晶的结论，从而为车辆结晶问题排查提供了重要参考。

S5、尿燃比判定模块根据S4中尿燃比R的值判定尿素消耗情况；

S6、综合判定模块根据S5中尿素消耗量以及S4中尿素箱体积对SCR箱中的尿素是否存在结晶问题进行判定；通过尿素箱体积计算，还可以有效判断系统作弊问题，当尿素液位百分比变化非常缓慢而尿素消耗显示正常时，此时计算出的尿素箱体积会很大，说明尿素箱液位信号或者NOx传感器信号存在异常，可能存在作弊问题，为车辆作弊排查提供依据。

其中，所述S2中反应掉的NOx质量流量的计算方式如下：

上游NOx传感器数值与下游NOx传感器数值a-b的差即为转化掉的NOx，其中a-b单位为ppm，质量流量单位为kg/h，且M_反应掉NOx＝(a-b)×46×[废气质量流量M(kg/h)]/(29×1000000)，其中NOx的摩尔质量由NO2代替，f_stoich＝氨气的分子质量/二氧化氮的分子质量＝0.37，尿素水溶液与NH3的质量比值为60/17/0.325/2＝5.425，消耗尿素质量M_尿素＝M_反应掉NOx/0.37×5.425，即可得到尿素的消耗量M_尿素。

其中，所述激活条件模块的输出端通信连接有中间计算模块，所述中间计算模块的输出端通信连接有存储模块，中间计算模块的输出端通信连接有结果计算模块，所述结果计算模块的输出端分别通信连接有尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块，所述尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块的输出端通信连接有综合判定模块。

其中，所述激活条件模块用于负责发动机的基本的条件判断；所述中间计算模块用于根据上游数据完成中间变量的计算，并将数据发送给结果计算模块；所述存储模块用于将中间计算模块得到的数值尿素体积和燃油体积进行存储；所述结果计算模块用于根据尿素液位信号每出现5次变化，计算得到尿燃比计算R值，同时根据尿素体积和尿素液位变化的百分比，计算尿素箱体积；所述尿燃比判定模块用于根据结果计算模块计算出的尿燃比与标准结果进行对比判断；所述尿素箱体积分析模块用于通过结果结算模块获得尿素箱体积数据，并根据若干组计算的尿素箱体积数据和机型数据处理，获得尿素箱体积数值的正态分布图；所述综合判断模块用于计算正态分布边缘点，并根据缘点判断SCR有无结晶状况。

其中，所述激活条件模块的条件为：

环境压力＞750hPa；车速＞0KM/h；SCR上游温度＜450℃；上游NOx值∈(0-2000)ppm；下游NOx值∈(0-2000)ppm。

其中，所述中间计算模块的计算项包括：

计算发动机废气流量；

计算NOx转化量(ppm)；

计算燃油消耗体积；

记录尿素液位下降次数，且下降次数n＝n+1；

根据NOx转化量计算尿素消耗的体积。

其中，所述尿燃比判定模块的判断标准为：

R范围在(4％-6％)时尿素消耗正常；

R范围在(6％-10％)时尿素消耗偏高；

R范围在(2％-4％)时尿素消耗偏少；

且R范围小于2％时尿素消耗太少，存在NOx超标风险；R范围大于10％时尿素消耗过高，存在氨泄露风险。

其中，所述计算尿素箱体积公式为：

尿素箱体积＝尿素体积/尿素液位变化的百分比。

其中，所述正态分布中间相对集中的数据即为尿素箱的体积数值，且所述正态分布表达式中有两个参数：

期望μ和标准差σ，σ²为方差，正态曲线下，横轴区间(μ-σ,μ+σ)内的面积为68.268949％；P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826区域内的点数值取平均值获得尿素箱体积数值，X为计算出的尿素箱体积。

实施例2：

先对发动机的基本的条进行判断，由于NOx传感器在车辆刚启动时是不能工作的，需要排气管温度达到一定温度后才释放，因此需要进行露点检测，在露点检测期间，NOx传感器是不能正常测量NOx数值的，此时NOx传感器显示值远大于2000ppm，通过这个判断可以把不合理数值筛选掉当车速大于0km/h是为了保证车辆在正常行驶；环境压力大于750hPa是法规对排放控制的要求；SCR上游温度(T6温度)满足小于450℃是将DPF再生工况筛选掉，柴油机再生工况比较恶劣，温度高，SCR转化效率不理想，因此将该工况取消掉，当车速大于0km/h保证车辆在正常行驶，环境压力大于750hPa达到排放控制的要求，SCR上游温度满足小于450℃，将DPF再生工况筛选掉，这时即可通过上游NOx传感器检测的发动机原始NOx排放数值a，并通过下游NOx传感器获得SCR处理后的NOx排放数值b，由于柴油机的废气流量可以通过柴油机进气量和燃油喷射量进行计算，且NOx转化量是根据上下游NOx传感器数值计算，其数值为a-b，燃油消耗量体积是根据燃油质量除以燃油的密度，能根据NOx计算出尿素质量，再将尿素质量除以尿素密度得到尿素体积，由于尿素液位信号变化因为是阶梯型变化，中间不是连续性变化，因此每次尿素液位信号下降沿出现时，进行计数，M_反应掉NOx＝(a-b)×46×[废气质量流量M(kg/h)]/(29×1000000)，其中NOx的摩尔质量由NO2代替，f_stoich＝氨气的分子质量/二氧化氮的分子质量＝0.37，尿素水溶液与NH3的质量比值为60/17/0.325/2＝5.425，消耗尿素质量M_尿素＝M_反应掉NOx/0.37×5.425，即可得到尿素的消耗量M_尿素，若经过中间计算模块的尿素液位信号下降沿激活，则通过存储模块分别对尿素体积和燃油体积进行存储，若尿素液位信号下降沿未激活，且重复上一步骤，直至激活成功，当尿素液位下降次数n＞4时，通过计算结果模块根据尿素消耗体积和液位变化百分比计算尿素箱体积，并在尿素箱体积分析模块的作用下进行正态分布处理，随后对尿燃比R进行计算，并通过尿燃比判定模块对尿燃比的等级进行判定，其判断原则为：R范围在(4％-6％)时尿素消耗正常；R范围在(6％-10％)时尿素消耗偏高；R范围在(2％-4％)时尿素消耗偏少；R范围小于2％时尿素消耗太少，存在NOx超标风险；R范围大于10％时尿素消耗过高，存在氨泄露风险，通过结果结算模块获得尿素箱体积数据，根据若干组计算的尿素箱体积数据，机型数据处理，获得尿素箱体积数值的正态分布图，正态分布中间相对集中的数据即为尿素箱的体积数值，正态分布表达式中有两个参数，即期望(均数)μ和标准差σ，σ²为方差，正态曲线下，横轴区间(μ-σ,μ+σ)内的面积为68.268949％，P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826区域内的点数值取平均值获得尿素箱体积数值，X为计算出的尿素箱体积，由于尿素消耗少和计算的尿素箱体积小，配合综合判断模块计算的正态分布边缘点，当出现尿素结晶时，喷射尿素没有完全参与反应，因此通过NOx传感器计算出来的尿素数值是偏小的，同时尿素体积除以液位下降百分比得到的尿素箱体积数值偏小，因此存在结晶风险。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激活条件模块配合发动机的工作环境以及状态获取上游NOx传感器检测的发动机原始NOx排放数值a，并通过下游NOx传感器获得SCR处理后的NOx排放数值b；

S2、通过中间计算模块的计算得到发动机单位时间内反应掉的NOx质量流量；

S3、存储模块根据尿素液位信号下降沿激活情况记录尿素体积储存和燃油体积储存；

S4、结果计算模块根据尿素消耗体积和液位变化百分比计算尿素箱体积，并计算尿燃比R，同时在尿素箱体积分析模块的作用下进行正态分布处理；

S5、尿燃比判定模块根据S4中尿燃比R的值判定尿素消耗情况；

S6、综合判定模块根据S5中尿素消耗量以及S4中尿素箱体积对SCR箱中的尿素是否存在结晶问题进行判定。

2.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述S2中反应掉的NOx质量流量的计算方式如下：

上游NOx传感器数值与下游NOx传感器数值a-b的差即为转化掉的NOx，其中a-b单位为ppm，质量流量单位为kg/h，且M_反应掉NOx＝(a-b)×46×[废气质量流量M(kg/h)]/(29×1000000)，其中NOx的摩尔质量由NO2代替，f_stoich＝氨气的分子质量/二氧化氮的分子质量＝0.37，尿素水溶液与NH3的质量比值为60/17/0.325/2＝5.425，消耗尿素质量M_尿素＝M_反应掉NOx/0.37×5.425，即可得到尿素的消耗量M_尿素。

3.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述激活条件模块的输出端通信连接有中间计算模块，所述中间计算模块的输出端通信连接有存储模块，中间计算模块的输出端通信连接有结果计算模块，所述结果计算模块的输出端分别通信连接有尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块，所述尿燃比判定模块和尿素箱体积分析模块的输出端通信连接有综合判定模块。

4.根据权利要求3所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述激活条件模块用于负责发动机的基本的条件判断；所述中间计算模块用于根据上游数据完成中间变量的计算，并将数据发送给结果计算模块；所述存储模块用于将中间计算模块得到的数值尿素体积和燃油体积进行存储；所述结果计算模块用于根据尿素液位信号每出现5次变化，计算得到尿燃比计算R值，同时根据尿素体积和尿素液位变化的百分比，计算尿素箱体积；所述尿燃比判定模块用于根据结果计算模块计算出的尿燃比与标准结果进行对比判断；所述尿素箱体积分析模块用于通过结果结算模块获得尿素箱体积数据，并根据若干组计算的尿素箱体积数据和机型数据处理，获得尿素箱体积数值的正态分布图；所述综合判断模块用于计算正态分布边缘点，并根据缘点判断SCR有无结晶状况。

5.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述激活条件模块的条件为：

环境压力＞750hPa；车速＞0KM/h；SCR上游温度＜450℃；上游NOx值∈(0-2000)ppm；下游NOx值∈(0-2000)ppm。

6.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述中间计算模块的计算项包括：

计算发动机废气流量；

计算NOx转化量(ppm)；

计算燃油消耗体积；

记录尿素液位下降次数，且下降次数n＝n+1；

根据NOx转化量计算尿素消耗的体积。

7.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述尿燃比判定模块的判断标准为：

R范围在(4％-6％)时尿素消耗正常；

R范围在(6％-10％)时尿素消耗偏高；

R范围在(2％-4％)时尿素消耗偏少；

且R范围小于2％时尿素消耗太少，存在NOx超标风险；R范围大于10％时尿素消耗过高，存在氨泄露风险。

8.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述计算尿素箱体积公式为：

尿素箱体积＝尿素体积/尿素液位变化的百分比。

9.根据权利要求1所述的一种基于NOx传感器数值的柴油机尿燃比计算方法，其特征在于，所述正态分布中间相对集中的数据即为尿素箱的体积数值，且所述正态分布表达式中有两个参数：

期望μ和标准差σ，σ²为方差，正态曲线下，横轴区间(μ-σ,μ+σ)内的面积为68.268949％；P{|X-μ|<σ}＝2Φ(1)-1＝0.6826区域内的点数值取平均值获得尿素箱体积数值，X为计算出的尿素箱体积。

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