CN113356988B - 一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法 - Google Patents

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Abstract

一种Urea‑SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，步骤如下：（1）对所有工况点的尿素喷射量、排气质量流量、SCR入口温度以及尿素结晶风险状态进行统计计算得到尿素结晶风险因子阈值R C ；（2）当实际尿素结晶风险因子R≥R C 时，此时***存在尿素结晶风险，尿素结晶风险持续时间计数器开始计算结晶风险持续时间等效值T D ；（3）实际尿素结晶风险因子R＜80%R C 时，且T C ＞350℃时，***进入结晶消除状态，此时尿素结晶风险持续时间计数器对结晶风险消除时间等效值T R 进行计算；（4）在线诊断模块以T D +T R 的实时累积值作为***风险等级的判断依据，累积值超过不同程度的标定限值时，***报出不同程度的结晶风险等级。

Description

一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法
技术领域
本发明涉及一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，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。
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。
图1为现有Urea-SCR***结构示意图，尿素结晶(亦称尿素沉积物)是Urea-SCR***在实际应用过程中面临的普遍问题，尿素结晶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。
目前的车辆上并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，而此时发动机已经在经济性和排放性不良的状态下运行了较长时间。
发明内容
本发明的目的是，为了在尿素结晶的初始阶段便能够监测到尿素结晶风险，实现预防Urea-SCR***尿素结晶风险的目标，本发明提出一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法。
本发明实现的技术方案如下，一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，步骤如下：
(1)通过目标发动机-后处理***的台架尿素结晶风险试验得到包含高风险区域、临界区域和低风险区域的结晶风险分布图，并基于图中临界状态曲线的斜率得到尿素结晶风险因子阈值RC；其中尿素喷射量与排气质量流量的比值作为结晶风险分布图的纵坐标轴，SCR入口温度作为结晶风险分布图的横坐标轴。
(2)设置在***中的结晶风险在线诊断模块通过采集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、SCR出口温度、尿素喷射量等信息，作为实际尿素结晶风险因子的计算输入。
(3)定义实际尿素结晶风险因子
Figure BDA0003149105210000021
其中QU为尿素喷射量，为mfexh排气质量流量，TC为SCR入口温度；结晶风险分布图确认后，可以获得C1值、C2值与临界状态下的结晶风险因子，临界状态的结晶风险因子可作为尿素结晶临界状态的判断阈值RC。
(4)在目标工况下，实际尿素结晶风险因子R大于尿素结晶风险因子阈值RC时，认为此时Urea-SCR***存在尿素结晶风险，尿素结晶风险持续时间计数器开始工作。
(5)当实际尿素结晶风险因子大于尿素结晶风险因子阈值RC时，基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量确定结晶风险持续时间等效系数当实际尿素结晶风险因子大于尿素结晶风险因子阈值RC时，基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量确定结晶风险持续时间等效系数当实际尿素结晶风险因子大于尿素结晶风险因子阈值RC时，基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量确定结晶风险持续时间等效系数fD：
fD＝QU(R-RC)/(TC+C3)；
其中C3为结晶温度修正系数。
通过下式计算结晶风险持续时间等效值：
TD＝fD×tD
其中，tD为处于结晶风险状态下的持续时间；TD值将作为被加数参与风险持续时间计数器的积分运算。
(6)当实际尿素结晶风险因子小于尿素结晶风险因子阈值RC时，基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量确定结晶风险消除时间等效系数fR：
fR＝QU(R-RC)*(TC-350)*C4
其中，C4为消除温度修正系数。
通过下式计算结晶风险消除时间等效值TR：
TR＝fR×tR；
其中，tR为处于结晶风险消除状态下的时间，由于结晶风险消除状态下R小于RC，故TR值为负，将同样作为被加数参与风险持续时间计数器的积分运算。
(7)风险持续时间计数器将持续计算结晶风险持续时间等效值TD和结晶风险消除时间等效值TR的实时累积值，如果当前SCR***状态既不处于尿素结晶形成状态，也不处于尿素结晶消除状态，则认为其处于结晶稳定状态，结晶风险程度积分值不再变化。
(8)风险持续时间计数器的值大于T1，则给出诊断结果：低尿素结晶风险，T1为低风险持续时间阈值；风险持续时间计数器的值大于T2，则给出诊断结果：中等尿素结晶风险，T2为中风险持续时间阈值；风险持续时间计数器的值大于T3，则给出诊断结果：高尿素结晶风险，T3为高风险持续时间阈值。
本发明的有益效果在于，本发明提供了一种量化评估目标Urea-SCR***尿素结晶风险状态的方法，该方法通过在线计算实际的尿素结晶风险因子并和尿素结晶风险因子阈值进行比较，得出Urea-SCR***运行在结晶风险状态的持续时间等效值和运行在结晶消除状态下的持续时间等效值，通过对前述2种等效值的实时累加持续输出Urea-SCR***的尿素结晶风险状态，有助于在***存在尿素结晶倾向的初期便发现这一风险，并能够给出不同等级和程度的结晶风险诊断结果，使得车辆使用者可以实时了解后处理***的尿素结晶风险等级，进而能够采取相应的措施避免让Urea-SCR***长期处于尿素结晶状态。
本发明涉及的尿素结晶临界状态试验通过使用和目标车型一致的发动机-后处理***进行，结晶风险因子阈值基于该试验得到的目标发动机-后处理***结晶风险分布图获得，具备很好的结晶风险相关性，同时基于该试验得到的尿素结晶风险因子阈值可用于该发动机-后处理系族的所有车型，具备较好的普适性。
附图说明
图1为现有Urea-SCR***结构示意图；
图2为获取尿素结晶风险因子阈值的方法；
图3为尿素结晶风险在线诊断功能流程图；
图4为尿素结晶风险持续时间积分器工作原理；
图5为尿素结晶风险等级判断模块。
具体实施方式
本实施例对Urea-SCR***的尿素结晶风险进行在线诊断的功能流程图如图3所示。
Urea-SCR***开始工作后，设置在***的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，计算实际尿素结晶风险因子R；该实际尿素结晶风险因子R与尿素结晶风险因子阈值RC相比较，如果实际尿素结晶风险因子R大于尿素结晶风险因子阈值RC，则开始计算结晶风险持续时间等效值TD；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；在实际尿素结晶风险因子R大于尿素结晶风险因子阈值RC这一状态下，输出的结晶风险程度积分值将增多。
如果实际尿素结晶风险因子R小于尿素结晶风险因子阈值RC，则开始计算结晶风险消除时间等效值TR，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，该诊断模块对外输出不同程度的尿素结晶风险结果。
本实施例获取尿素结晶风险因子阈值的方法图2所示。
搭建发动机-后处理***台架，进行一系列典型工况点在不同尿素喷射量下的尿素结晶临界状态确认试验；通过完成上述试验，并基于本发明所提出的三种尿素结晶风险状态定义，对每个工况点所进行的尿素结晶临界状态确认试验结果进行可视化确认，保证每个工况点至少能够观测到无风险、低风险、高风险三种尿素结晶风险状态；将所有试验工况点的工况参数和尿素结晶风险状态结果汇总，以每个工况点的温度值为横坐标，尿素喷射量与排气质量流量的比值(β值)为纵坐标确定点的位置，并以该试验点的最终评价结果对应的颜色为该点进行着色；当所有试验工况点着色完成后，用直线或曲线拟合状态过渡区域的边界，最终可以将上述坐标图划分为高风险区域(橙红色域)、临界区域(黄色域)和低风险区域(绿色域)，此临界区域的中心线，即为临界状态曲线，其与X轴的截距为C，其斜率为临界结晶因子。
图4所示为本实施例尿素结晶风险持续时间积分器工作原理。本实施例会对尿素结晶的形成和消除状态分别统计，以获得持续、动态的尿素结晶风险诊断结果。
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尿素结晶风险因子；该实际尿素结晶风险因子R与尿素结晶风险因子阈值RC相比较，如果实际尿素结晶风险因子R大于尿素结晶风险因子阈值RC，认为***处于尿素结晶风险状态，此时立刻开始计算结晶风险持续时间等效值TD，同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。
结晶风险持续时间等效系数由下式确定：fD＝QU(R-RC)/(TC+C3)。
结晶风险持续时间等效系数fD由两部分构成，分子为实际尿素结晶风险因子R减去结晶风险因子阈值RC，再乘以尿素喷射量QU，反映尿素喷射超过结晶临界状态的程度与绝对喷射量对结晶风险的正相关促进作用；分母为SCR入口温度与温度修正常数之和，反映出尿素结晶风险随着SCR***温度的增加而下降这一客观规律。
结晶风险持续时间等效系数fD确认后，再乘以在尿素结晶风险状态下的持续时间，即得到结晶风险持续时间等效值TD，即TD＝fD×tD；TD作为结晶风险持续时间积分器的输入，每秒进行一次积分运算，输出的结果用来诊断SCR***的尿素结晶风险程度，称为结晶风险程度积分值；
当***不处于尿素结晶风险状态时，积分器的输出值停止增加。此时对***状态再次进行判断，如果SCR入口温度大于350℃且实际结晶风险因子小于80％的结晶风险因子阈值，则认为进入尿素结晶消除状态；此时计算模块亦会首先进行结晶风险消除时间等效系数的计算，结晶风险消除时间等效系数由3个因子相乘得到构成，因子1为实际结晶风险因子减去结晶风险因子阈值之差再乘以实际的尿素喷射量，反映了尿素喷射量偏离结晶临界状态的程度；因子2为SCR入口温度与结晶消除起始温度(350℃)之差，反映了温度对消除结晶的正向促进作用；因子3为结晶消除等效过程修正系数，其与温度相关，反映了不同温度条件下的尿素结晶消除速率的变化规律；
在尿素结晶消除状态下，结晶风险消除时间等效值作为结晶风险持续时间积分器的输入，每秒进行一次积分运算，但由于实际结晶风险因子减去结晶风险因子阈值之值为负，因此该状态下积分器的输出结果会逐渐减少；
如果当前SCR***状态既不处于尿素结晶形成状态，也不处于尿素结晶消除状态，则认为其处于结晶稳定状态，结晶风险程度积分值不再变化。
图5所示为本实施例尿素结晶风险等级判断模块工作原理；
***根据结晶风险持续时间积分器输出的结晶风险程度积分值，对SCR***目前所处的尿素结晶风险等级进行分级，由于积分器工作是一个持续的过程，结晶风险等级的输出值一定是连续的，在正常情况下，诊断***的诊断结果为：无结晶风险，当***处于尿素结晶风险状态且结晶状态持续升级，则诊断***将依据T1、T2、T3这三个风险判定阈值，依次报出低结晶风险、中结晶风险、高结晶风险三个不同等级的诊断结果，并采取逐步升级的警告措施确保驾驶员知晓这一结晶风险的存在。

Claims (6)

1.一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)通过目标发动机-后处理***的台架尿素结晶风险试验得到尿素结晶风险分布图，并由尿素结晶风险分布图中的临界状态曲线的斜率得到尿素结晶风险因子阈值RC；
(2)Urea-SCR***的结晶风险在线诊断模块需要采集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、SCR出口温度、尿素喷射量信息完成诊断，计算实际尿素结晶风险因子R；
(3)当实际尿素结晶风险因子R大于尿素结晶风险因子阈值RC时，认为此时Urea-SCR***存在尿素结晶风险，尿素结晶风险持续时间计数器开始工作；
(4)尿素结晶风险持续时间计数器工作后，基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量，确定结晶风险持续时间等效系数fD，并进一步计算得到结晶风险持续时间等效值TD；
(5)当实际尿素结晶风险因子R小于尿素结晶风险因子阈值RC时，如果SCR入口温度大于350℃、且实际尿素结晶风险因子小于80％的尿素结晶风险因子阈值，则认为进入尿素结晶消除状态；
(6)检测到Urea-SCR***处于结晶消除状态后，在线诊断模块基于SCR入口温度、实际尿素结晶风险因子、尿素结晶风险因子阈值和喷射量确定结晶风险消除时间等效系数fR，并进一步计算得到结晶风险消除时间等效值TR；
(7)风险持续时间计数器将持续计算结晶风险持续时间等效值TD和结晶风险消除时间等效值TR的实时累积值；如果当前SCR***状态既不处于尿素结晶形成状态，也不处于尿素结晶消除状态，则认为其处于结晶稳定状态，结晶风险程度积分值不再变化；
(8)当风险持续时间计数器的值大于T1，则给出诊断结果：低尿素结晶风险；当风险持续时间计数器的值大于T2，则给出诊断结果：中等尿素结晶风险；当风险持续时间计数器的值大于T3，则给出诊断结果：高尿素结晶风险。
2.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述实际尿素结晶风险因子R的计算方法如下：
Figure FDA0003149105200000021
其中QU为尿素喷射量；mfexh为排气质量流量；TC为SCR入口温度，C1为尿素喷射浓度修正因子，C2为SCR入口温度修正因子；
C1值、C2值分别通过结晶风险分布图中临界状态曲线在纵坐标轴与横坐标轴的截距确认。
3.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述结晶风险持续时间等效系数fD的计算方法如下：
fD＝QU(R-RC)/(TC+C3)；
其中，QU为尿素喷射量；R为实际尿素结晶风险因子；RC为尿素结晶风险因子阈值；TC为SCR入口温度；C3为结晶温度修正系数。
4.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述结晶风险持续时间等效值TD的计算方法如下：
TD＝fD×tD
其中tD为处于结晶风险状态下的持续时间；TD值将作为被加数参与风险持续时间计数器的积分运算。
5.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述结晶风险消除时间等效系数fR的计算方法如下：
fR＝QU(R-RC)*(TC-350)*C4
其中QU为尿素喷射量；R为实际尿素结晶风险因子；RC为尿素结晶风险因子阈值；TC为SCR入口温度；C4为消除温度修正系数。
6.根据权利要求1所述的一种Urea-SCR***尿素结晶风险的在线诊断方法，其特征在于，所述结晶风险消除时间等效值TR的计算方法如下：
TR＝fR×tR；
其中tR为处于结晶风险消除状态下的时间，由于结晶风险消除状态下R小于RC，故TR值为负，将同样作为被加数参与风险持续时间计数器的积分运算。
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