电控柴油机EGR系统NOx排放水平监控方法及装置

摘要

本发明涉及一种电控柴油机EGR系统NOx排放水平监控方法及装置，包括：1)设置EGR阀位置传感器、其他传感器、EGR阀、发动机管理模块、EGR阀开度转化模块、EGR阀堵塞状态识别模块和NOx排放水平监控模块装置；预设EGR阀位置传感器对应0％开度的电压和对应100％开度的电压，开度阈值I、II、III、IV；2)发动机管理模块测得EGR阀控制信号和目标开度；3)EGR阀开度转化模块插值计算得到位置传感器实测电压对应的实测开度；4)EGR阀堵塞状态识别模块根实测开度及目标开度，判断EGR阀堵塞状态；5)NOx排放水平监控模块根据EGR阀实测开度和堵塞状态采用滞回算法判断NOx排放水平。本发明不必采用NOx传感器，而直接采用EGR阀位置传感器作为NOx排放水平信号源，节省成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电控柴油机监控方法及系统，特别是关于基于位置传感器的电控柴油机EGR系统NOx排放水平监控方法和装置。

背景技术

随着政府法规的不断升级，法规中要求的柴油机排放限值也在不断降低。这使柴油机生产企业采用了很多新的排气后处理技术以降低排放。EGR(Exhaust Gas Recirculation，废气再循环技术)就是一种广泛应用的技术。该技术中，通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有的大量惰性气体具有较高的热容比这一特性来降低排放污染物中NOx成分。由于NOx的生成条件是高温富氧，而废气的引入一方面使混合气热容量增大，造成相同量的混合气升高同样温度所需热量增多，从而降低了最高燃烧温度；另一方面，废气对新鲜充气的稀释也相应降低了氧的浓度，从而有效的抑制了NOx的生成。随着技术的进步，现阶段EGR系统多采用基于电控技术的反馈控制，反馈控制的信号源主要包括EGR阀位置传感器和空气流量计两大类。

与此同时，法规中也要求发动机强制安装OBD系统(On-Board Diagnostics，车载诊断系统)。该系统根据汽车行驶状况随时监控发动机排放是否超标，一旦超标，会马上发出警示并采用相应的处理措施。采用OBD系统的目的在于保证发动机使用过程中排放水平满足法规要求标准。因此，发动机必须装备一套NOx排放水平监控系统。该系统将作为OBD系统的一部分，用于实时监控NOx排放水平。对应现有欧四排放标准的OBD法规，NOx排放水平至少应包括四个状态：正常状态，NOx排放超过5g/KWh状态(简称超5状态)，NOx排放超过7g/KWh状态(简称超7状态)，故障状态。

为监控NOx排放水平，可采用NOx传感器实时测量，但是NOx传感器价格较高。对于基于位置传感器的EGR系统，NOx传感器并不是控制系统的必需设备，如能开发替代算法取代NOx传感器的监控功能将能显著节省成本，提高产品竞争力。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于EGR阀位置传感器的柴油机EGR系统NOx排放水平监控方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电控柴油机EGR系统NOx排放水平监控方法，其特征在于，它包括以下步骤：

1)设置一包括发动机传感器、执行器和处理器的控制系统，其中发动机传感器包括EGR阀位置传感器和其他状态传感器，执行器为EGR阀，处理器中设置有发动机管理模块、EGR阀开度转化模块、EGR阀堵塞状态识别模块和NOx排放水平监控模块，在EGR阀开度转化模块中，预设EGR阀位置传感器对应0％开度的电压和对应100％开度的电压，在EGR阀堵塞状态识别模块中预设堵塞偏差开度、堵塞持续时间、恢复偏差开度和恢复持续时间，在NOx排放水平监控模块中预设开度阈值I、II、III、IV，且按顺序依次增大；

2)所述发动机管理系统模块以EGR阀实测开度和发动机其他状态传感器信号为输入，输出EGR阀控制信号和EGR阀控制目标开度；

3)在EGR阀开度转化模块中，以0％开度、预设的0％开度对应位置传感器电压、100％开度、预设的100％开度对应位置传感器电压为已知量，以位置传感器的实测电压为输入，插值计算得到位置传感器实测电压对应的开度，记为EGR阀实测开度，用百分比表示；

4)在EGR阀堵塞状态识别模块中，根据EGR阀实测开度及发动机管理系统模块输出的EGR阀目标开度，判断EGR阀堵塞状态；

5)在NOx排放水平监控模块中，根据EGR阀实测开度和堵塞状态采用滞回算法判断NOx排放水平。

在所述步骤1)中，预设EGR阀位置传感器对应0％开度的电压、对应100％开度的电压、堵塞偏差开度、堵塞持续时间、恢复偏差开度和恢复持续时间、开度阈值I、开度阈值II、开度阈值III、开度阈值IV都根据发动机系统及实际工况标定。

在所述步骤4)中，判断EGR阀堵塞状态的标准如下：

①当前EGR阀堵塞状态为正常时，当EGR阀目标开度与实测开度之差超过预设堵塞偏差开度且持续时间超过预设堵塞持续时间时，则EGR阀堵塞状态跳变为堵塞，否则继续维持正常状态；

②当前EGR阀堵塞状态为堵塞时，当EGR阀目标开度与实测开度之差小于预设恢复偏差开度且持续时间超过预设恢复持续时间时，则EGR阀堵塞状态跳变为正常，否则继续维持堵塞状态。

在所述步骤5)中，将NOx排放水平分为正常、故障、超5和超7四种状态，判断NOx排放水平的方法为：

①当前NOx排放水平为正常状态时：如果EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平维持正常状态，如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值III，则NOx排放水平为故障状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值III，则NOx排放水平为超5状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设阈值I，则NOx排放水平为超7状态；

②当前NOx排放水平为故障状态时：如果EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值III，则NOx排放水平维持故障状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值III，则NOx排放水平为超5状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值I，则NOx排放水平为超7状态；

③当前NOx排放水平为超5状态时：如果EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为故障状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值IV，则NOx排放水平维持超5状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值I，则NOx排放水平为超7状态；

④当前NOx排放水平为超7状态时：如果EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为故障状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值II同时小于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为超5状态；如果EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值II，则NOx排放水平维持超7状态。

上述超5状态是指NOx排放超过5g/KWh，超7状态是指NOx排放超过7g/KWh。

本发明提供一种实现上述方法的电控柴油机EGR系统NOx排放水平监控装置，其特征在于：它包括发动机和处理器，发动机中包括EGR阀位置传感器和其他传感器，以及EGR阀，处理器中设置有发动机管理模块、EGR阀开度转化模块、EGR阀堵塞状态识别模块和NOx排放水平监控模块；发动机管理系统模块输入端与EGR阀开度转化模块和发动机其他传感器相连，输出端与EGR阀和EGR阀堵塞状态识别模块相连；EGR阀开度转化模块输入端与EGR阀位置传感器相连，输出端分别与发动机管理系统模块、EGR阀堵塞状态识别模块和NOx排放水平监控模块相连；EGR阀堵塞状态识别模块输入端与发动机管理系统模块输出端及EGR阀开度转化模块输出端相连，输出端与NOx排放水平监控模块相连。

所述其他传感器的测量信号为发动机状态信号，包括发动机转速、油门开度位置、冷却液温度。

在所述EGR阀开度转化模块中，预设有EGR阀位置传感器对应0％开度的电压和对应100％开度的电压，根据发动机系统及实际工况标定；在所述EGR阀堵塞状态识别模块中预设有堵塞偏差开度、堵塞持续时间、恢复偏差开度和恢复持续时间，根据发动机系统及实际工况标定；在所述NOx排放水平监控模块中预设有开度阈值I、开度阈值II、开度阈值III和开度阈值IV，且开度阈值I、开度阈值II、开度阈值III和开度阈值IV依次增大，根据发动机系统及实际工况标定。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明OBD系统不必采用NOx传感器，而直接采用EGR阀位置传感器作为NOx排放水平信号源，节省成本。2、由于控制算法中采用了滞回算法，具有较强的抗干扰性。

附图说明

图1是EGR阀开度与NOx排放水平关系示意图；

图2是本发明的系统结构示意图；

图3是本发明的NOx排放水平状态转化关系及转化条件示意图；

图4是本发明的一个具体应用实例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明基于一种原理：即NOx排放水平与EGR阀开度存在反比关系，如图1所示，即EGR阀开度较大时，NOx排放水平较低，EGR阀开度较小时，NOx排放水平较高。

如图2所示，本发明的EGR系统NOx排放水平监控装置包括一发动机10和处理器20。发动机10中包括EGR阀位置传感器11、其他传感器12和执行器13。传感器11的测量信号为EGR阀位置传感器电压信号，传感器12的测量信号为发动机状态信号，可能包括发动机转速、油门开度位置、冷却液温度等；执行器13即为EGR阀。处理器中有预设的发动机管理模块21、EGR阀开度转化模块22、EGR阀堵塞状态识别模块23和NOx排放水平监控模块24。发动机管理系统模块21输入端分别与EGR阀开度转化模块22输出端和发动机其他传感器12相连，输出端分别与EGR阀13和EGR阀堵塞状态识别模块23相连；发动机管理系统模块以EGR实测开度和发动机状态为输入，输出为执行器控制信号和EGR阀控制目标开度。EGR阀开度转化模块22输入端与EGR阀位置传感器11相连，输出端分别与发动机管理系统模块21、EGR阀堵塞状态识别模块23和NOx排放水平监控模块24相连；EGR阀开度转化模块以位置传感器11电压信号为输入，输出为用百分比表示的EGR阀实测开度。EGR阀堵塞状态识别模块23输入端与发动机管理系统模块21输出端及EGR阀开度转化模块输22出端相连，输出端与NOx排放水平监控模块24相连；EGR阀堵塞状态识别模块以EGR阀实测开度和目标开度为输入，输出为EGR阀堵塞状态。NOx排放水平监控模块24以EGR阀实测开度和堵塞状态为输入，判断NOx排放水平。

因此基于上述装置的NOx排放水平监控方法为：

1)设置按上述连接关系确定的NOx排放水平监控装置，在EGR阀开度转化模块22中，预设EGR阀位置传感器对应0％开度的电压和对应100％开度的电压；在EGR阀堵塞状态识别模块23中预设堵塞偏差开度、堵塞持续时间、恢复偏差开度和恢复持续时间；在NOx排放水平监控模块24中预设开度阈值I、开度阈值II、开度阈值III和开度阈值IV，且开度阈值I、开度阈值II、开度阈值III和开度阈值IV依次增大；

2)所述发动机管理系统模块以EGR阀实测开度和发动机其他状态传感器信号为输入，输出EGR阀控制信号和EGR阀控制目标开度；

3)在EGR阀开度转化模块22中，以0％开度、预设的0％开度对应位置传感器电压、100％开度、预设的100％开度对应位置传感器电压为已知量，以位置传感器11的实测电压为输入，插值计算得到位置传感器实测电压对应的开度，记为EGR阀实测开度，用百分比表示。

4)在EGR阀堵塞状态识别模块23中，根据EGR阀实测开度及发动机管理系统模块21输出的EGR阀目标开度，判断EGR阀堵塞状态，具体判断标准如下：当前EGR阀堵塞状态为正常时，当EGR阀目标开度与实测开度之差超过预设堵塞偏差开度且持续时间超过预设堵塞持续时间时，则EGR阀堵塞状态跳变为堵塞，否则继续维持正常状态；当前EGR阀堵塞状态为堵塞时，当EGR阀目标开度与实测开度之差小于预设恢复偏差开度且持续时间超过预设恢复持续时间时，则EGR阀堵塞状态跳变为正常，否则继续维持堵塞状态。

5)在NOx排放水平监控模块24中，根据EGR阀实测开度和堵塞状态采用滞回算法判断NOx排放水平。

通常NOx排放水平分为正常、故障、超5和超7四种状态，超5状态是指NOx排放超过5g/KWh，超7状态是指NOx排放超过7g/KWh，如图3所示，各状态之间有转化条件，共分为6种，记为条件1、2、3、4、5、6，如：故障状态转化为超7状态的转化条件为1。图中箭头指向表示各状态之间的转化方向。这些转化条件根据EGR阀实测开度和堵塞状态决定，如表1所示。转化条件确定后就可知当前的NOx排放状态将向哪一种状态转变。

表一

  转化条件 EGR阀状态  EGR阀开度  1 堵塞状态  实测开度＜开度阈值I  2 堵塞状态开度阈值I＜实测开度＜开度阈值III  3 堵塞状态实测开度＞开度阈值IV  4 堵塞状态开度阈值II＜实测开度＜开度阈值IV  5 堵塞状态实测开度＞开度阈值III  6 正常状态

通过上述可知，根据EGR阀实测开度和堵塞状态采用滞回算法可判断NOx排放水平，具体判断标准如下：

当前NOx排放水平为正常状态时：如EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平维持正常状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值III，则NOx排放水平为故障状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值III，则NOx排放水平为超5状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设阈值I，则NOx排放水平为超7状态。

当前NOx排放水平为故障状态时：如EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值III，则NOx排放水平维持故障状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值III，则NOx排放水平为超5状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值I，则NOx排放水平为超7状态。

当前NOx排放水平为超5状态时：如EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为故障状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值I同时小于预设开度阈值IV，则NOx排放水平维持超5状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值I，则NOx排放水平为超7状态。

当前NOx排放水平为超7状态时：如EGR阀堵塞状态为正常，则NOx排放水平为正常状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为故障状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度高于预设开度阈值II同时小于预设开度阈值IV，则NOx排放水平为超5状态；如EGR阀堵塞状态为堵塞且EGR阀实测开度小于预设开度阈值II，则NOx排放水平维持超7状态。

由上可知，当EGR阀处于正常状态时，NOx排放水平为正常状态。当EGR阀处于堵塞状态时，转化条件由NOx排放水平当前状态决定。这种转化条件与当前状态有关的特点使该判断算法具有抗干扰能力较强的滞回特性。如图3所示，超5状态与超7状态两个相邻状态的转化条件并不相同，从超7状态向超5状态转化时采用开度阈值II，而从超5状态向超7状态转化时采用开度阈值I。这种采用不同阈值的方法可避免信号波动照成的状态高频切换。

下面通过一个具体实施例来对滞回算法进行详细描述。如图4所示，EGR阀目标开度如图中虚线所示，一直未变；EGR阀实测开度如图中实线所示。初期，EGR阀控制系统正常工作，目标开度与实测开度误差较小，EGR阀堵塞状态为正常，NOx排放水平也为正常。之后EGR阀控制系统受到某种干扰，实测开度不能很好的跟随目标开度。

t₁时刻，实测开度与目标开度之差超过堵塞偏差开度，此时开始启动计时。

t₂时刻，计时时间等于堵塞持续时间，且在此期间内，实测开度与目标开度误差一直大于堵塞偏差开度，因此判断EGR阀处于堵塞状态。同时，由于此时EGR阀实测开度小于开度阈值1，满足转化条件1，所以判断NOx排放水平为超7状态。之后，EGR阀开度在控制系统的作用下开始提升。

t₃时刻，EGR阀实测开度超过阈值2，满足转化条件4，NOx排放水平变为超5状态。

t₄时刻，EGR阀实测开度超过阈值IV，满足转化条件3，NOx排放水平变为故障状态。t₃时刻至t₄时刻的过程中，虽然EGR阀实测开度与目标开度之差曾小于恢复偏差开度，但是由于持续时间小于恢复持续时间，所以认为EGR阀始终处于堵塞状态，NOx排放水平也就未恢复正常水平。

t₅时刻，EGR阀实测开度小于阈值III，满足转化条件2，NOx排放水平变为超5状态。

t₆时刻，实测开度与目标开度之差小于恢复偏差开度，此时开始启动计时。

t₇时刻，计时时间等于恢复持续时间，且在此期间内，实测开度与目标开度误差一直小于恢复偏差开度，因此判断EGR阀处于正常状态。NOx排放水平也恢复为正常。

本发明采取EGR阀位置传感器作为NOx排放水平信号源，从而无需采用NOx检测传感器，节省了成本。同时由于NOx排放水平判断算法中采用了滞回算法，所以具有较强的抗干扰能力。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式及具体运算过程等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。