一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法

本发明涉及汽车发动机排气后处理scr系统领域，具体涉及一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法。

背景技术：

1、随着对内燃机污染物排放的要求不断提高，能兼顾动力性和经济性的排气后处理技术得到快速发展，并减少了内燃机向大气环境的最终排放。其中以氨为还原剂的选择性催化还原（selective catalytic reduction，scr）系统已被用于汽车发动机尾气中氮氧化物（nox）的排放控制。scr中尿素供给系统主要包括尿素泵，管路及尿素喷嘴。齿轮式尿素泵是目前国内市场广泛使用的一种scr系统尿素供给动力装置，具有精度高、响应快、小型化、受环境条件影响小等特点。然而，齿轮式尿素泵内部尿素结晶问题严重，并且由于尿素溶液与齿轮表面直接接触，尿素结晶会加剧齿轮磨损、腐蚀等，导致齿轮泵容易损坏。

2、任何一部分出现的故障，都会引起scr系统不能正常工作，不仅对系统的部件造成不必要的损坏，还会导致发动机整机排放的超标，对环境造成污染。为了保证scr系统的可靠运行，针对系统各部件的故障做出准确的诊断及自主控制必不可少。目前关于scr系统尿素结晶故障的诊断及控制方法主要有：基于超声回波信号响应特征的尿素结晶诊断方法、基于振动信号衰减模式识别的尿素结晶诊断方法等。然而，现有方法主要针对尿素喷射后的scr系统部件，且多为通过外加传感器来进行故障诊断，成本高，诊断程序复杂，难以满足系统小型化、实用化的发展趋势。尿素供给系统是scr系统的重要组成部分，齿轮式尿素泵尿素结晶问题是尿素供给系统最大故障之一。然而，目前的车辆上并没有相应的模块能够及时监测到齿轮式尿素泵尿素结晶，往往需等到尿素结晶程度已经严重到影响车辆排放性能后，尿素结晶问题才会被发现。此时齿轮式尿素泵已经被严重磨损、腐蚀。同时，由于难以拆卸维修，齿轮式尿素泵一旦发生严重尿素结晶，只能报废。因此，亟需开发一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，能够实现对齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及自动清除，以尽最大可能减少齿轮式尿素泵尿素结晶风险并提高使用寿命。

2、为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤1：进行齿轮式尿素泵尿素结晶故障模拟试验，获取不同环境条件下尿素结晶故障发生时齿轮式尿素泵建压过程的供给压力变化曲线；步骤2：比较尿素结晶故障发生时与未发生时的供给压力变化曲线，提取不同环境条件下尿素结晶故障发生时的特征点压力数据；步骤3：将齿轮式尿素泵尿素结晶故障模拟试验记录的环境压力、环境温度、特征点压力数据作为输入，尿素结晶故障发生与不发生的标志作为输出，训练齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型并验证；步骤4：将评价为可靠的人工神经网络模型的程序代码输入到尿素供给系统的电子控制器中，作为评估齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生的在线诊断模块；步骤5：当诊断结果为尿素结晶故障发生时，进行齿轮式尿素泵尿素晶体的主动清除过程。

5、进一步地，所述齿轮式尿素泵包括：尿素泵腔体、驱动电机和由驱动电机控制转动的齿轮；所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障指的是进入尿素泵腔体内的尿素溶液因各种原因导致水分挥发而析出尿素固体颗粒（即尿素晶体）存留在尿素泵腔体内，尿素晶体不断积累变大，造成齿轮式尿素泵工作不良。

6、进一步地，所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障模拟试验的第一步是人为制造尿素结晶生成条件，获得发生尿素结晶故障的齿轮式尿素泵，试验对象是已发生尿素结晶故障的齿轮式尿素泵，试验过程是齿轮式尿素泵的建压过程；所述不同环境条件包括高温、高寒以及高海拔等环境条件，通过环境压力和环境温度来表征；所述供给压力变化曲线为齿轮式尿素泵建压过程中供给压力随建压时间的变化；所述供给压力通过在齿轮式尿素泵出液口安装的压力传感器测量得到。

7、进一步地，所述尿素结晶故障发生的特征表现为齿轮式尿素泵建压速度变慢，建压时间明显加长；所述尿素结晶故障发生定义为齿轮式尿素泵在建压时间30s所对应的供给压力低于标定供给压力的80%；所述的标定供给压力为齿轮式尿素泵正常工作时在建压时间30s所对应的供给压力；所述特征点压力数据指的是尿素结晶故障发生时，供给压力变化曲线上特征建压时间所对应的压力数据；当某个建压时间所对应的供给压力低于齿轮式尿素泵正常工作时相同建压时间所对应的供给压力时，该建压时间定义为特征建压时间。

8、进一步地，所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型是基于误差反向传播训练方法来调整和优化权、阈值的多层前馈神经网络，其结构由输入层、隐藏层和输出层组成；其中，输入层包含环境压力、环境温度、特征点压力数据等数输入变量，输入的特征点压力数据在两个以上；隐藏层中的神经元个数大于输入变量个数；输出层的输出变量为齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生与不发生的标志，其中0为齿轮式尿素泵正常工作时的标志，1为齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生时的标志；所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型验证指的是通过决定系数、均方误差等重要指标来评价模型的可靠性。

9、进一步地，所述在线诊断模块的工作原理为：首先通过压力和温度传感器获取环境压力、环境温度以及供给压力并输入到尿素供给系统的电子控制器中，随后通过集成在内部的齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型来做出判断；当在线诊断模块输出1时，电子控制器判断齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生，并发出故障报警信号。

10、进一步地，所述齿轮式尿素泵尿素晶体的主动清除是通过开启内置在尿素供给系统电子控制器中的主动清除程序来实现的，清除程序工作原理为：尿素供给系统电子控制器发出齿轮式尿素泵正向转动命令，将开水输入到尿素泵腔体内部，利用尿素晶体可溶于水溶液的特性来液化、清除尿素泵腔体内的尿素晶体；同时，尿素供给系统电子控制器触发尿素供给系统内置电加热单元为齿轮式尿素泵加热保温；等待尿素晶体溶于水形成尿素水溶液后，尿素供给系统电子控制器触发齿轮反向转动倒抽作业命令，通过回液口将尿素晶体溶于水后形成的尿素水溶液从齿轮式尿素泵中抽出。

11、与现有技术相比，本发明的优点在于：

12、本发明提供了一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，能够在线诊断齿轮式尿素泵尿素结晶故障并主动清除，防止齿轮被尿素晶体磨损、腐蚀，解决齿轮式尿素泵难以拆卸维修问题，提高齿轮式尿素泵使用寿命；本发明利用scr中尿素供给系统自带的压力传感器进行在线诊断，利用尿素供给系统内置电加热单元和齿轮反向转动倒抽功能自动内部清理尿素结晶体，整个尿素供给系统小型化、实用化，诊断程序简易且成本低。

技术特征：

1.一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述齿轮式尿素泵包括：尿素泵腔体、驱动电机和由驱动电机控制转动的齿轮；所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障指的是进入尿素泵腔体内的尿素溶液因各种原因导致水分挥发而析出尿素固体颗粒（即尿素晶体）存留在尿素泵腔体内，尿素晶体不断积累变大，造成齿轮式尿素泵工作不良。

3.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障模拟试验的第一步是人为制造尿素结晶生成条件，获得发生尿素结晶故障的齿轮式尿素泵，试验对象是已发生尿素结晶故障的齿轮式尿素泵，试验过程是齿轮式尿素泵的建压过程；所述不同环境条件包括高温、高寒以及高海拔等环境条件，通过环境压力和环境温度来表征；所述供给压力变化曲线为齿轮式尿素泵建压过程中供给压力随建压时间的变化；所述供给压力通过在齿轮式尿素泵出液口安装的压力传感器测量得到。

4.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述尿素结晶故障发生的特征表现为齿轮式尿素泵建压速度变慢，建压时间明显加长；所述尿素结晶故障发生定义为齿轮式尿素泵在建压时间30s所对应的供给压力低于标定供给压力的80%；所述的标定供给压力为齿轮式尿素泵正常工作时在建压时间30s所对应的供给压力；所述特征点压力数据指的是尿素结晶故障发生时，供给压力变化曲线上特征建压时间所对应的压力数据；当某个建压时间所对应的供给压力低于齿轮式尿素泵正常工作时相同建压时间所对应的供给压力时，该建压时间定义为特征建压时间。

5.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型是基于误差反向传播训练方法来调整和优化权、阈值的多层前馈神经网络，其结构由输入层、隐藏层和输出层组成；其中，输入层包含环境压力、环境温度、特征点压力数据等数输入变量，输入的特征点压力数据在两个以上；隐藏层中的神经元个数大于输入变量个数；输出层的输出变量为齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生与不发生的标志，其中0为齿轮式尿素泵正常工作时的标志，1为齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生时的标志；所述齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型验证指的是通过决定系数、均方误差等重要指标来评价模型的可靠性。

6.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述在线诊断模块的工作原理为：首先通过压力和温度传感器获取环境压力、环境温度以及供给压力并输入到尿素供给系统的电子控制器中，随后通过集成在内部的齿轮式尿素泵尿素结晶故障检测人工神经网络模型来做出判断；当在线诊断模块输出1时，电子控制器判断齿轮式尿素泵尿素结晶故障发生，并发出故障报警信号。

7.根据权利要求1所述的一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，其特征在于，所述齿轮式尿素泵尿素晶体的主动清除是通过开启内置在尿素供给系统电子控制器中的主动清除程序来实现的，清除程序工作原理为：尿素供给系统电子控制器发出齿轮式尿素泵正向转动命令，将开水输入到尿素泵腔体内部，利用尿素晶体可溶于水溶液的特性来液化、清除尿素泵腔体内的尿素晶体；同时，尿素供给系统电子控制器触发尿素供给系统内置电加热单元为齿轮式尿素泵加热保温；等待尿素晶体溶于水形成尿素水溶液后，尿素供给系统电子控制器触发齿轮反向转动倒抽作业命令，通过回液口将尿素晶体溶于水后形成的尿素水溶液从齿轮式尿素泵中抽出。

技术总结
本发明公开了一种齿轮式尿素泵尿素结晶故障的在线诊断及控制方法，包括以下步骤：进行齿轮式尿素泵尿素结晶故障模拟试验；比较尿素结晶故障发生时与未发生时的供给压力变化曲线，提取不同环境下的特征点压力数据；将环境压力、环境温度、特征点压力数据作为输入，尿素结晶故障发生与不发生的标志作为输出，训练人工神经网络模型并验证；将人工神经网络模型的程序代码输入到尿素供给系统的电子控制器中，作为尿素结晶故障发生的在线诊断模块；进行齿轮式尿素泵尿素晶体的主动清除过程。该方法能够在线诊断齿轮式尿素泵尿素结晶故障并主动清除，防止齿轮被尿素晶体磨损、腐蚀，解决齿轮式尿素泵难以拆卸维修问题，提高齿轮式尿素泵使用寿命。

技术研发人员：黄豪中,邢孔钊,王毅
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10