柴油机SCR后处理系统的OBD诊断及处理方法与流程

本发明涉及柴油机后处理技术领域，具体而言，涉及柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法。

背景技术：

柴油机排放控制的重点是nox和颗粒物(particulatematter，pm)排放，为了降低排放，选择性催化还原(selectivecatalyticreduction，scr)后处理技术得到迅速发展。采用scr技术不仅发动机本体改动小、耐久性好，可以有效降低排放，在国内外得到了大力的发展和广泛的应用。但是，现有的基于模型的在线故障诊断(on-boarddiagnostics，obd)方法还无法满足国v或更高的排放法规要求，当scr后处理系统出现故障时只能对发动机进行限扭矩，这不利于scr技术的推广应用，因此，设计柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法，对满足未来排放法规要求和大力推广scr技术有着积极的作用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了进一步改善scr后处理系统及其obd诊断系统的性能，而提供了一种柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法。该所述scr后处理系统包括scr催化器、位于所述scr催化器上游的尿素喷嘴、上游nox传感器、上游nh3传感器和上游温度传感器以及位于所述scr催化器下游的下游nox传感器、下游nh3传感器和下游温度传感器，所述obd诊断及处理方法包括以下步骤：

s1、建立scr催化器化学反应动力学模型；

s2、建立scr催化器温度模型；

s3、建立自适应滑模观测器；

s4、obd系统进行分级处理；

其中，s4具体包括：

s41：诊断所述上游温度传感器是否发生故障并处理；

当所述上游温度传感器发生故障时，用第一模型计算值代替所述上游温度传感器的测量值，所述第一模型计算值为发动机工况信息确定的scr催化器上游温度；

s42、诊断所述下游温度传感器是否发生故障并处理；

当所述下游温度传感器发生故障时，用第二模型计算值代替所述下游温度传感器的测量值，所述第二模型计算值为发动机工况信息确定的scr催化器下游温度；

s43、诊断所述上游nox传感器是否发生故障并处理；

当所述上游nox传感器发生故障时，用第三模型计算值代替所述上游nox传感器的测量值，所述第三模型计算值为发动机工况信息确定的scr催化器上游nox浓度；

s44、诊断所述下游nox传感器是否发生故障并处理

当所述下游nox传感器发生故障时，用所述自适应滑模观测器的输出估计值代替所述下游nox传感器的测量值；

s45、诊断尿素喷射量是否大幅减少并处理

当尿素喷射量大幅减少时，停止喷射尿素；

s46、诊断尿素喷射量是否大幅增加并处理

当尿素喷射量大幅增加时，停止喷射尿素；

s47、诊断尿素喷射量是否严重不符并处理

当尿素喷射量是否严重不符时，激活mil和发动机扭矩限制器；

s48、诊断scr催化器是否老化并处理

当催化器老化时，减少尿素的喷射量；

s49、诊断scr催化器是否不存在并处理

当scr催化器不存在时，停止喷射尿素并激活发动机扭矩限制器。

首先，本发明的柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法采用s41-s49的分级处理策略，能够显著提升故障诊断的精度，可满足国v或更高的排放法规要求。其次，本发明的柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法除了采用对发动机进行限扭矩之外，还通过模型计算值代替传感器测量值来保证系统的正常运行，具有更好的控制效果，有良好的实用价值。

进一步地，步骤s41中，当时，所述上游温度传感器发生故障；其中，td为所述下游温度传感器的测量值，tu为所述上游温度传感器的测量值，tm为scr催化器前后温度差值的阈值，为scr催化器上游温度估计残差，为scr催化器上游温度估计残差的阈值，tu,e为所述第一模型计算值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s42中，当时，所述下游温度传感器发生故障；其中，td为所述下游温度传感器的测量值，tu为所述上游温度传感器的测量值，tm为scr催化器前后温度差值的阈值，为scr催化器下游温度估计残差，为scr催化器下游温度估计残差的阈值，td,e为所述第二模型计算值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s43中，当且时，所述上游nox传感器发生故障；其中，f4为nox浓度map图和发动机排气量map图共同确定的三维map图，me为发动机扭矩，n为发动机转速，q为发动机喷油量，为所述第三模型计算值，为所述上游nox传感器的测量值，为上游nox浓度的估计残差，为上游nox传感器的估计残差的阈值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s44中，当时，所述下游nox传感器发生故障；其中，为下游nox传感器的测量值，为所述自适应滑模观测器的输出估计值，为下游nox浓度的估计残差，为下游nox传感器的估计残差阈值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s45中，当时，停止喷射尿素；其中，为下游nh3传感器所测得的nh3浓度，为scr催化器下游氨泄漏量的阈值，k0为尿素喷嘴的截面系数，^sk0为尿素喷嘴截面系数的阈值，η为scr后处理系统nox转化效率，^sη为scr后处理系统nox转化效率的阈值，为上游nox传感器的测量值，为下游nox传感器的测量值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s46中，当时，停止喷射尿素；其中，为下游nh3传感器所测得的nh3浓度，为scr催化器下游氨泄漏量的阈值，θ为scr催化器氨覆盖度，ⁱθ为scr催化器氨覆盖度的阈值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s47中，当时，激活mil和发动机扭矩限制器；其中，为尿素溶液的理论平均消耗量，为尿素溶液的实际平均消耗量；其中，madblue为尿素溶液的实际喷射流量，单位为g/s；为尿素溶液的理论喷射流量，单位为g/s；t0为计时开始的时间点；δt为时间窗长度，取发动机累计运行48小时和累计消耗尿素溶液15l所运行时间两者中的较大值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s48中，当时，减少尿素喷射量；其中，为下游nh3传感器所测得的nh3浓度，为scr催化器下游氨泄漏量的阈值，θ为scr催化器氨覆盖度，^sθ为scr催化器氨覆盖度的阈值，η为scr后处理系统nox转化效率，^sη为scr后处理系统nox转化效率的阈值，为scr催化器上游nox浓度，为scr催化器下游nox浓度。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

进一步地，步骤s49中，当时，停止喷射尿素；其中，td为所述下游温度传感器的测量值，tu为所述上游温度传感器的测量值，tm为scr催化器前后温度差值的阈值，为上游nox传感器的测量值，为下游nox传感器的测量值，c0为scr催化器前后nox浓度差值的阈值。由此，诊断结果的精度高且控制效果好。

可见，本发明的柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法的工艺简单，对现有的obd策略进行简单的改进即可，通过采用分级处理策略，能够显著提升故障诊断的精度，可满足国v或更高的排放法规要求。除了传统的对发动机进行限扭矩之外，还通过模型计算值代替传感器测量值来保证系统的正常运行，具有更好的控制效果，有良好的实用价值。

下面通过具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

具体实施方式

下面对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。术语“mil”表示故障指示灯。术语“map”表示脉谱图。sup表示上确界，inf表示下确界。

本发明提供了一种柴油机scr后处理系统的obd诊断及处理方法，所述scr后处理系统包括scr催化器、位于所述scr催化器上游的尿素喷嘴、上游nox传感器、上游nh3传感器和上游温度传感器以及位于所述scr催化器下游的下游nox传感器、下游nh3传感器和下游温度传感器。

该obd诊断及处理方法具体包括以下步骤：

s1、建立scr催化器化学反应动力学模型

scr催化器化学反应动力学模型如下所示：

其中：为空速，f为发动机废气体积流量，vscr为scr催化器容积，为发动机原排nox浓度，由scr后处理系统的控制系统对尿素的质量流量进行控制进而控制即scr催化器化学反应动力学模型的控制输入为为scr催化器的氨气表面覆盖度，为对时间的导数，为scr催化器的氨气浓度，为对时间的导数，为scr催化器的氮氧化合物浓度，为对时间的导数，φ为scr催化器中储存的氨气的摩尔总量，ki为scr催化器的化学反应频率因子，r为气体常数，tmean为scr催化器床温，ei为氨气的解吸附能。

将scr催化器沿着气流轴线方向分为n个理想的cell，并构造第j(j＝1,2,...,ncell)个cell的状态向量：

其中，为第j个cell中的氨气表面覆盖度，为第j个cell中的氨气浓度，为第j个cell中的氮氧化合物浓度，t为温度向量。

则第j个cell的scr催化器化学反应动力学模型为：

其中：为scr催化器第j个cell入口处的nox浓度，为scr催化器第j个cell入口处的nh3浓度，系数矩阵为：

其中，φj为第j个cell中储存的nh3的摩尔总量。

非线性函数fj为：

第j个cell的输出即为第j+1个cell的输入，则该scr催化器化学反应动力学模型满足如下所示的边界条件：

其中，为上游nh3传感器所测得的nh3浓度，为上游nox传感器的测量值。

构造状态向量、输出向量和观测向量：

其中，为xj的转置，为scr催化器最后一个cell出口处的nh3浓度，即scr催化器的氨泄漏量；x为状态向量，y为输出向量，z为观测向量，z表示scr催化器所有cell的nh3表面覆盖度和催化器的氨泄漏。

由scr催化器各cell的模型和边界条件可得，scr催化器化学反应动力学模型的非线性模型为：

其中：scr催化器化学反应动力学模型的系数矩阵的表达式为：

c1＝[0,0,0，…,0,1],c2＝[1,0,0,1,0,0,1,0,0,…,1,1,0]

非线性函数f(x)的表达式为：

s2、建立scr催化器温度模型

第j个cell的scr催化器的温度模型为：

其中：m为排气质量流量，tin,j为第j个cell的入口温度，tout,j为第j个cell的出口温度，tamb为环境温度，a1和a2为scr催化器的温度模型的系数，其表达式为：

其中，cp,eg为排气定压比热容，cp,c为催化器比热容，mc为scr催化器的质量，εrad＝0.507，εrad为scr催化器的黑度，σsb为气体辐射常数，arad为scr催化器辐射表面积。

scr催化器温度模型满足边界条件：

其中：tu为上游温度传感器的测量值，td,e为由发动机工况信息确定的scr催化器下游温度，即第二模型计算值。

构造scr催化器的温度模型状态向量

选取scr催化器的温度模型的输出变量为则

其中，td为下游温度传感器的测量值；为t对时间的导数，

scr催化器内部温度场分布较复杂，而温度是催化器内部还原反应的主要影响因素，能代表催化器中各处不同催化剂温度的一个“均值”被称为催化器床温。最简单的方法就是平均加权，即：

tmean＝0.5(tu+td)(8)

s3、建立自适应滑模观测器

针对scr催化器化学反应动力学模型的非线性模型，构造如下所示的自适应滑模观测器：

其中，为x状态向量的观测值，为对时间的导数，为y输出向量的观测值，即自适应滑模观测器的输出观测值，为z向量的观测值，为f(x)的观测值，θ为氨气表面覆盖率，为θ对时间的导数，sgn为符号函数，v是自适应切换增益函数，其表达式为：

其中，自适应切换增益的更新律为

其中，系数α＞0用来调整滑模观测器切换增益的自适应速度，自适应切换增益的初值为θ0≥0，l1和l2是误差反馈增益矩阵，满足条件：

对于任意给定的正定对称矩阵q>0，若存在正定对称阵p>0和误差反馈增益矩阵l1、l2，使得矩阵a0＝a-l1c1+l0是严格的hurwitz稳定矩阵，即满足下列lyapunov方程：

且误差反馈增益矩阵l2满足

其中，l0为李普希兹常数，a0为稳定矩阵，为a0的转置矩阵，为c1的转置矩阵。

s4、obd系统进行分级处理

s41、诊断所述上游温度传感器是否发生故障并处理

scr催化器上游温度与发动机工况有关，两者之间的关系可用如下所示的一阶动态过程描述：

其中：k为离散采样时间点；dt为延时时间间隔，可由实验确定；kp为温度系数；t1为时间常数，可由实验确定；m为发动机排气质量流量；x为发动机排气温度，由发动机排温map图确定。

定义scr催化器上游温度估计残差为：

其中：tu,e为由发动机工况信息确定的scr催化器上游温度，即第一模型计算值；为scr催化器上游温度估计残差，当较大且scr催化器上下游温度传感器测量值相差较大时，obd系统诊断出上游温度传感器故障，即

其中：td为下游温度传感器的测量值，tu为上游温度传感器测量值，tm为scr催化器前后温度差值的阈值，为scr催化器上游温度估计残差的阈值。

当故障诊断条件(15)成立时，obd系统诊断出上游温度传感器发生故障，此时，用tu,e代替tu，以保证scr后处理系统的正常运行，同时obd系统发出故障警报。

s42、诊断下游温度传感器是否发生故障并处理

定义scr催化器下游温度估计残差为：

其中：td,e为由发动机工况信息确定的scr催化器下游温度，即第二模型计算值，为scr催化器下游温度估计残差，当较大且scr催化器前后温度传感器测量值相差较大时，obd系统诊断出下游温度传感器故障，即

其中，为scr催化器下游温度估计残差阈值。当故障诊断条件(16)成立时，obd系统诊断出下游温度传感器发生故障，此时，用td,e代替td，以保证scr后处理系统继续运行，同时obd系统发出故障警报。

s43、诊断上游nox传感器是否发生故障并处理

scr催化器上游nox浓度即发动机原排,与发动机工况有关，两者之间的关系可通过map图确定：

其中：me为发动机扭矩，n为发动机转速，q为发动机喷油量，为由发动机工况信息确定的scr催化器上游nox浓度，即第三模型计算值，其中f4为nox浓度map和发动机排气量map共同确定的三维map图。定义scr催化器上游nox浓度的估计残差为：

其中，为上游nox传感器的测量值，为scr催化器上游nox浓度的估计残差，当该估计残差较大时，obd系统诊断出上游nox传感器故障，即

其中，为scr催化器上游nox浓度的估计残差阈值，此时，obd系统诊断出上游nox传感器发生故障，可以用代替以保证scr后处理系统继续运行，同时obd系统发出故障警报。

s44、诊断下游nox传感器是否发生故障并处理

定义scr催化器下游nox浓度的估计残差为：

其中，为下游nox传感器的测量值；为自适应滑模观测器的输出估计值，为＝scr催化器下游nox浓度的估计残差，当较大时，oybd系统诊断出下游nox传感器发生故障，即

其中，为scr催化器下游nox浓度的估计残差阈值；此时，obd系统诊断出下游nox传感器发生故障，用代替以保证scr后处理系统继续运行，同时obd系统发出故障警报。

s45、诊断尿素喷射量是否大幅减少并处理

针对如下所示的尿素喷射模型

其中：系数2表示1摩尔尿素分解产生2摩尔的氨气，α为时间常数；τ为尿素溶液中尿素的质量分数，nurea为尿素的摩尔质量，uurea为由尿素喷嘴喷入scr催化器上游的尿素溶液的质量流量，vscr为scr催化器的体积，k0为尿素喷嘴的截面系数，对于正常工作的尿素喷嘴，k0＝1，当尿素喷嘴发生泄漏或堵塞时，0≤k0＜1，其中k0＝0表示尿素喷嘴完全被堵死。

尿素喷嘴发生泄漏或堵塞故障时最主要的特征就是尿素喷嘴的截面系数k0明显降低，根据所测得的scr催化器入口处的nh3浓度和尿素溶液喷射的质量流量uurea，在线辨识出尿素喷嘴的截面系数k0后，obd系统即可诊断出该故障。所采用的在线辨识方法为如下所示的最小二乘法：

其中，t为时间，为上游nh3传感器所测得的nh3浓度，为最小二乘估计的scr催化器上游nh3浓度。

求解公式(17)即可辨识出尿素喷嘴截面系数k0，为了实现尿素喷嘴截面系数k0的在线辨识，需要利用递推最小二乘法(recursiveleastsquares，rls)对其进行在线估计，首先就需要利用欧拉法将尿素喷射模型转化为如下所示的标准最小二乘格式：

其中，为待辨识的参数向量，ts为离散采样时间，h(k)为数据序列，其表达式如下所示：

针对公式(18)，采用如下所示的rls算法即可在线辨识出尿素喷嘴的截面系数k0：

其中，k(k)为rlp算法的第k时间步长增益矩阵，p(k)为rlp算法的第k时间步长增益矩阵，h^t(k+1)为第k+1时间步长的h转置，为第k+1时间步长的观测值，为φ1的观测值，φ1为第1个cell中储存的nh3的摩尔总量，为φ2的观测值，φ2为第2个cell中储存的nh3的摩尔总量，i为2×2的单位矩阵，且选取初值为

则尿素喷嘴的截面系数k0为：

当尿素喷嘴的截面系数k0大幅降低、nox转化效率下降且下游的氨泄漏量较低时，表征着尿素喷嘴发生故障，即

其中：为下游nh3传感器所测得的nh3浓度；为scr催化器下游氨泄漏量的阈值；^sk0为尿素喷嘴截面系数的阈值；^sη为scr后处理系统nox转化效率的阈值，η为scr后处理系统nox转化效率，其计算式如下所示：

其中，为上游nox传感器的测量值，为nox传感器的测量值。

当故障诊断条件(19)成立时，obd系统诊断出尿素喷嘴发生故障，此时，scr后处理系统停止喷射尿素同时obd系统发出故障警报。

s46、诊断尿素喷射量是否大幅增加并处理

当氨覆盖度大幅升高且催化器下游存在严重的氨泄漏时，表征着尿素喷嘴发生故障，即

其中：为scr催化器下游氨泄漏量的阈值，θ为scr催化器氨覆盖度，可由储氨状态观测器进行估计，ⁱθ为scr催化器氨覆盖度的阈值。

当故障诊断条件(20)成立时，obd系统诊断出尿素喷嘴发生故障，此时，scr后处理系统停止喷射尿素，同时obd系统发出故障警报。

s47、诊断尿素喷射量是否严重不符并处理

发动机累计运行48小时或累计消耗尿素溶液15l期间(取两者中发动机运行时间较长者)，尿素溶液的平均消耗量和理论平均消耗量的相对误差超过50％，obd系统诊断出尿素喷射管路破损或者尿素喷嘴堵塞，此时，尿素溶液的实际平均消耗量和理论平均消耗量严重不符，即

其中：和分别为尿素溶液的理论平均消耗量和实际平均消耗量，其计算式如下所示：

其中：madblue为尿素溶液的实际喷射流量，单位为g/s；为尿素溶液的理论喷射流量，单位为g/s；t0为计时开始的时间点；δt为时间窗长度，取发动机累计运行48小时和累计消耗尿素溶液15l所运行时间两者中的较大值。

当故障诊断条件(21)成立时，obd系统诊断出尿素喷射系统故障，此时，obd系统激活mil和发动机扭矩限制器。

s48、诊断催化器是否老化并处理

scr催化器发生老化后最主要的特征就是scr催化器的储氨能力下降。当scr催化器的氨覆盖度大幅降低、nox转化效率下降且存在严重的氨泄漏时，表征着scr催化器已发生老化，即

其中，^sθ为scr催化器氨覆盖度的阈值。当故障诊断条件(22)成立时，obd系统诊断出scr催化器老化，此时，scr后处理系统减少尿素的喷射量以避免氨泄漏造成的二次污染，同时obd系统发出故障警报提醒驾驶员维修。

s49、诊断催化器是否不存在并处理

当用一个劣质或假的scr催化器代替，甚至干脆不安装scr催化器或人为将scr催化器拆卸下来时，scr催化器几乎没有nox的转化能力，为了方便，这几类故障情况统称为催化器不存在。当催化器前后nox浓度差很小的时候，可以认为scr催化器已经发生故障。一方面，由于scr催化器的特殊结构设计可以避免与环境发生热传递，另一方面，受催化器内部发生化学反应的影响，催化器前后温度会有一定的差值。发动机启动后，当催化器前后nox浓度差很小且前后温度相差也很小时，说明催化器内部几乎没有发生化学反应，则可以认为催化器不存在，即scr催化器的存在性故障诊断条件为：

其中：为下游nox传感器的测量值，为上游nox传感器的测量值，c0为scr催化器前后nox浓度差值的阈值。

当故障诊断条件(23)成立时，obd系统诊断出scr催化器不存在，此时，scr后处理系统停止喷射尿素以避免氨泄漏，同时obd系统发出故障警报提醒驾驶员维修，并激活发动机扭矩限制器。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。