對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置，所述裝置包括：電控單元、DPF前置壓力傳感器、DPF后置壓力傳感器，所述DPF前置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF前端，其用于獲取DPF入口壓力信號；所述DPF后置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF后端，其用于獲取DPF出口壓力信號；所述電控單元與所述DPF前置壓力傳感器和DPF后置壓力傳感器連接，用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和DPF的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷。本發(fā)明提供了一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明成本較低，實施不受發(fā)動機(jī)工況影響，實施較為容易、應(yīng)用范圍較廣。
【專利說明】對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柴油機(jī)尾氣微粒污染控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種對柴油顆粒過濾器(DPF)進(jìn)行實時故障診斷的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]DPF技術(shù)是一種減少PM排放的有效手段，是目前被廣泛認(rèn)可并且最接近商業(yè)化的一種后處理去除PM的技術(shù)。隨著愈加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)和排放法規(guī)的出臺，DPF將成為柴油車排氣后處理系統(tǒng)必不可少的組成部分。DPF在使用過程中會因熱沖擊、機(jī)械沖擊、再生不完全、灰分累積等原因?qū)е逻^濾體產(chǎn)生堵塞、燒融、斷裂等失效故障，造成安全性和功能性的障礙。因此，對于DPF的故障診斷成為制約其推廣使用的重要因素。
[0003]DPF本身的故障診斷也是柴油車故障診斷系統(tǒng)(OBD)不可或缺的重要組成部分。DPF作為與柴油車排放相關(guān)的核心子部件，對其工作狀態(tài)的實時監(jiān)控和故障的實時診斷是控制柴油車顆粒物排放的重要手段?，F(xiàn)階段的DPF故障診斷方法及其主要特點如下:
[0004](I)直接傳感器方法。一個完好健康的過濾體對炭煙的吸附效率一般在90%以上。如果DPF發(fā)生斷裂或者其他形式的損壞，一部分炭煙就會泄露出來?；谶@一規(guī)律，產(chǎn)生了一種顆粒物傳感器，將其安裝在DPF下游來監(jiān)測顆粒物的濃度。這種測試方法直接簡便，但是現(xiàn)在市場上的顆粒物傳感器標(biāo)準(zhǔn)不一，監(jiān)測的準(zhǔn)確性和使用壽命也不盡相同，并且這種傳感器價格昂貴，所以使用直接傳感器方法進(jìn)行DPF故障診斷存在一定的局限性。
[0005](2)平均壓降法。大部分監(jiān)測DPF狀態(tài)的方法都是基于過濾體前后的平均壓降，當(dāng)炭煙加載量增大的時候，這一壓降也逐漸增大，過高的壓差表示過濾體已經(jīng)堵塞了，而過低的壓差則表示過濾體損壞了，在壓差的上限和下限之間，則認(rèn)為DPF處于健康狀態(tài)。到達(dá)某一預(yù)先設(shè)定的限值時，DPF開始再生。由于該方法直接通過壓差數(shù)據(jù)反映DPF流通狀態(tài)，而實際車輛運行工況的多樣性和多種因素的干擾等容易造成誤判，這種方法通常只適用于DPF故障狀態(tài)的定性反映。
[0006](3)聲波分析法。DPF對排氣噪聲有抑制作用，因此也可以被用作消聲器，通過實時采集DPF聲學(xué)特性與良好狀態(tài)聲學(xué)特性比較進(jìn)行DPF狀態(tài)監(jiān)測。聲音設(shè)備由兩個拾音器，一個諧振器和發(fā)聲器組成，他們共同來監(jiān)測過濾體的狀態(tài)。通過電控單元可以調(diào)節(jié)發(fā)聲器發(fā)出聲波的頻率、強度、波長、幅值和其它基于發(fā)動機(jī)、微粒捕集器狀態(tài)和工作環(huán)境的特征參數(shù)，測得排氣的聲音特征。隨著微粒捕集器(DPF)狀態(tài)不同，聲音經(jīng)過過濾體后頻譜不同，這一關(guān)系可以預(yù)先編程寫入電控單元，這樣DPF的運行狀態(tài)可以通過采集到的聲波狀態(tài)表示，一旦DPF失效，記錄的聲波就會監(jiān)測到。但是實際使用中，排氣系統(tǒng)聲波影響因素多，需要建立建立DPF復(fù)雜的聲學(xué)模型并對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的處理，因而難度大、成本高。
[0007]因此，迫切需要一種可普遍適用、不受發(fā)動機(jī)工況影響、實施難度較小、成本較低的對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的是提供一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的適用受限、容易受發(fā)動機(jī)工況影響、實施難度較大、成本較高的缺陷。
[0009]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供了一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置，所述裝置包括:電控單元、DPF前置壓力傳感器、DPF后置壓力傳感器，所述DPF前置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF前端，其用于獲取DPF入口壓力信號；所述DPF后置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF后端，其用于獲取DPF出口壓力信號；所述電控單元與所述DPF前置壓力傳感器和DPF后置壓力傳感器連接，用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和DPF的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷。
[0010]其中，所述電控單元用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和過濾體的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷，具體為所述電控單元采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號；對所述入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到能量譜；對所述能量譜的曲線作平滑處理；計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值；將所述比值與預(yù)先存儲的健康DPF的值進(jìn)行比較。
[0011]相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法，所述方法包括如下步驟:
[0012]第一步:采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號；
[0013]第二步:對采集的所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到能量譜；
[0014]第三步:集成每赫茲的能量值，即對所述能量譜的曲線作平滑處理；
[0015]第四步:計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值；
[0016]第五步:根據(jù)所述比值確定所述DPF是否存在故障。
[0017]其中，在第五步中，根據(jù)所述比值與預(yù)先存儲的健康DPF的值進(jìn)行比較，若在健康范圍內(nèi)，則所述DPF沒有故障；若不在健康范圍內(nèi)，則所述DPF存在故障。
[0018]其中，在第一步中，采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號是在頻域中進(jìn)行的，所述頻域取決于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，根據(jù)發(fā)動機(jī)全工況的轉(zhuǎn)速范圍計算所述頻域。
[0019]其中，在第一步中，以采集一定步長的所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行分析，求取譜能量比率曲線，采用五點平均算法求得每段所述比率曲線的五點平均峰值，以所述五點平均峰值構(gòu)成離散點。
[0020]本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明成本較低，實施不受發(fā)動機(jī)工況影響，實施較為容易、應(yīng)用范圍較廣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的方法流程圖；
[0023]圖中，1-電控單元，2-DPF，3_DPF前置壓力傳感器，4-DPF后置壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解為此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]本發(fā)明是基于DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和DPF的健康程度的關(guān)系建立的，其適用性不受發(fā)動機(jī)工況的影響，可以實時的對DPF進(jìn)行故障診斷。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明中的裝置包括:電控單元、DPF前置壓力傳感器、DPF后置壓力傳感器，所述DPF前置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF前端，其用于獲取DPF入口壓力信號；所述DPF后置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF后端，其用于獲取DPF出口壓力信號；所述電控單元與所述DPF前置壓力傳感器和DPF后置壓力傳感器連接，用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和DPF的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷。
[0027]其中，所述電控單元用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和過濾體的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷，具體為所述電控單元采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號；對所述入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到能量譜；對所述能量譜的曲線作平滑處理；計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值；將所述比值與預(yù)先存儲的健康DPF的值進(jìn)行比較。
[0028]如圖2所示，本發(fā)明提供的方法包括如下步驟:
[0029]S201:采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號；
[0030]S202:對采集的所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到
能量譜；
[0031]S203:集成每赫茲的能量值，即對所述能量譜的曲線作平滑處理；
[0032]S204:計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值；
[0033]S205:根據(jù)所述比值確定所述DPF是否存在故障。
[0034]本發(fā)明中，是在頻域?qū)PF入口以及出口的壓力信號進(jìn)行分析。入口以及出口的壓力信號和DPF的傳遞函數(shù)特征相關(guān)聯(lián)。一旦關(guān)聯(lián)壓力信號的方法確定下來，DPF的傳遞函數(shù)特征就被確定下來了。排除干擾項的影響，傳遞函數(shù)絕對值的平方可以用DPF入口以及出口壓力譜能量密度的比值表示，即可以用DPF入口以及出口壓力信號的譜能量比率來表示傳遞函數(shù)絕對值的平方。對于健康DPF和故障DPF，傳遞函數(shù)絕對值的平方大小不同，以此為依據(jù)建立DPF的故障診斷算法。
[0035]求取傳遞函數(shù)絕對值的平方具體實施步驟可如下:
[0036]1、采集壓力信號原始數(shù)據(jù):DPF入口壓力信號和出口壓力信號。
[0037]2、對入口以及壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換壓力信號到能量譜。
[0038]3、集成每赫茲的能量值，同時也是對能量譜曲線作平滑處理。
[0039]4、計算每赫茲DPF入口以及出口壓力信號頻譜能量的比值，由以上推理，這一比值近似等于傳遞函數(shù)值的平方。
[0040]為比較健康和故障DPF的傳遞函數(shù)值的平方，需要確定比較的數(shù)據(jù)區(qū)間，也就是頻率范圍。DPF前后壓力信號的能量大部分集中在點火頻率附近，取決于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。根據(jù)發(fā)動機(jī)全工況的轉(zhuǎn)速范圍計算著火頻率所處范圍即為傳遞函數(shù)平方值比較的數(shù)據(jù)區(qū)間。
[0041]隨著故障程度的加深，傳遞函數(shù)平方的峰值呈遞增趨勢。這種趨勢產(chǎn)生的原因依賴于入口以及出口壓力信號各自的特性。當(dāng)入口壓力信號穿過DPF基體時，很大一部分能量會損失掉。這一能量損失是與DPF狀況相關(guān)的，健康DPF的能量損失要大于斷裂故障DPF的能量損失，這是由于健康DPF會對排氣產(chǎn)生更大的阻力。因此，能量損失的不同是導(dǎo)致健康和故障DPF譜能量差異的原因。
[0042]本發(fā)明中為獲取不受測試循環(huán)影響的數(shù)據(jù)，可采用一次分析一定時長，可以是五分鐘的采樣數(shù)據(jù)的方法。以5分鐘采樣的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，求取譜能量比率曲線，采用了五點平均算法求得每段曲線的五點平均峰值，以減小異常值對算法產(chǎn)生的干擾，保證算法的魯棒性。以5分鐘為步長的五點平均峰值構(gòu)成離散點，這些點擬合之后趨勢符合對數(shù)曲線，并且隨著故障程度的加深,故障過濾體對數(shù)曲線偏離健康過濾體對數(shù)曲線的值增大。
[0043]本發(fā)明中可使用可變門限值的DPF故障診斷算法，可變的衰減門限值大小取決于發(fā)動機(jī)類型和DPF的尺寸。這一可變的門限值曲線以可查表的形式保存在電控單元中。再生之后開始計時，直到下次再生開始。在可控的再生過程(再生:是指微粒捕集器(DPF)使用一段時間后，由于捕集的柴油機(jī)排氣顆粒物不斷的累積，會造成排氣阻力增加，因此，需要對DPF進(jìn)行再生，即去除已經(jīng)捕集的顆粒物，使DPF恢復(fù)初始狀態(tài))結(jié)束時，觸發(fā)計時器。DPF前后的壓力信號以至少400Hz的采樣頻率采集五分鐘。由香農(nóng)定理可以知道，這一采樣頻率保證了可以在頻域分析200Hz范圍的信號。計時器計數(shù)C被記錄下來。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到五點平均峰值。在時間C處的門限值(該門限值使通過之前研究得到并存在電控單元中)可以通過查找電控單元的存儲單元找到。通過采樣數(shù)據(jù)計算出的五點平均峰值和查找到的門限值作比較，如果計算值大于門限值，即點亮故障指示燈，發(fā)出DPF故障報警指示。如果計算值低于門限值，認(rèn)為過濾體工作正常。檢測結(jié)束后，如果下一次再生還沒有開始，則重新開始 檢測。
[0044]下面以北汽福田Aumark汽車發(fā)動機(jī)上對本發(fā)明進(jìn)行了試驗。下述過濾體等同DPF。
[0045]柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下表:
[0046]試驗用發(fā)動機(jī)參數(shù)
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置，其特征在于，所述裝置包括:電控單元、DPF前置壓力傳感器、DPF后置壓力傳感器，所述DPF前置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF前端，其用于獲取DPF入口壓力信號；所述DPF后置壓力傳感器設(shè)置于所述DPF后端，其用于獲取DPF出口壓力信號；所述電控單元與所述DPF前置壓力傳感器和DPF后置壓力傳感器連接，用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和DPF的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的裝置，其特征在于，所述電控單元用于基于所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號在不同頻段的能量分布和過濾體的健康程度的關(guān)系實時進(jìn)行DPF故障診斷，具體為所述電控單元采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號；對所述入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到能量譜；對所述能量譜的曲線作平滑處理；計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值；將所述比值與預(yù)先存儲的健康DPF的值進(jìn)行比較。
3.一種對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 第一步:采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號； 第二步:對采集的所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到能量譜； 第三步:集成每赫茲的能量值，即對所述能量譜的曲線作平滑處理； 第四步:計算每赫茲所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號頻譜能量的比值； 第五步:根據(jù)所述比值確定所述DPF是否存在故障。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法，其特征在于，在第五步中，根據(jù)所述比值與預(yù)先存儲的健康DPF的值進(jìn)行比較，若在健康范圍內(nèi)，則所述DPF沒有故障；若不在健康范圍內(nèi)，則所述DPF存在故障。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法，其特征在于，在第一步中，采集所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號是在頻域中進(jìn)行的，所述頻域取決于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，根據(jù)發(fā)動機(jī)全工況的轉(zhuǎn)速范圍計算所述頻域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的對柴油顆粒過濾器進(jìn)行實時故障診斷的方法，其特征在于，在第一步中，以采集一定步長的所述DPF入口壓力信號和出口壓力信號進(jìn)行分析，求取譜能量比率曲線，采用五點平均算法求得每段所述比率曲線的五點平均峰值，以所述五點平均峰值構(gòu)成離散點。
【文檔編號】F01N11/00GK103939192SQ201410071874
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】姚廣濤, 資新運, 郭子榮, 姜大海, 劉宏威, 龐海龍, 張英鋒 申請人:中國人民解放軍軍事交通學(xué)院