СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАДИТЕЛЯ СИСТЕМЫ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА В ДИЗЕЛЬНОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2015 года по МПК F02M25/07 F02D21/08 F02D45/00 G01M15/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу диагностики эффективности охладителя EGR в дизельном двигателе.

Предпосылки к созданию изобретения

Система дизельного двигателя обычно содержит систему рециркуляции выхлопного газа (EGR), которая действует путем рециркуляции части выхлопного газа двигателя обратно к цилиндрам двигателя. В современных дизельных двигателях газ в системе рециркуляции выхлопного газа (EGR) охлаждается посредством теплообменника для того, чтобы допустить подачу в двигатель большей массы рециркулируемого газа и для понижения температуры газа. Система EGR в первую очередь используется для сокращения выбросов, в особенности NO_x.

Существующее законодательство европейских стран и США требует также, чтобы встроенный управляющий блок двигателя (ECU) выполнял также функцию отслеживания эффективности охладителя EGR.

А именно эффективность охладителя EGR измеряют с помощью двух датчиков температуры, один из которых помещен на входе охладителя EGR для измерения температуры на входе T_inlet, а другой помещен на выходе охладителя EGR для измерения температуры на выходе T_outlet.

При использовании этих двух датчиков можно измерить величину эффективности охладителя EGR η=(T_inlet-T_outlet)/(T_inlet-T_coolant), и когда она оказывается ниже заданного порогового значения, может быть подан сигнал тревоги или любой другой знак, указывающий на ухудшение показателей работы охладителя EGR.

Недостатком этого применявшегося до сих пор подхода является потребность в двух датчиках температуры для обнаружения ухудшения показателей работы охладителя EGR, а эти датчики обычно имеют высокую стоимость.

Целью изобретения является предложение методологии, позволяющей управляющему блоку дизеля обладать функцией слежения за эффективностью охладителя EGR при соответствии законодательству при одновременной возможности снижения суммарных затрат.

Другой целью изобретения является отказ от использования датчиков температуры в охладителе EGR для того, чтобы добиться заметного снижения затрат.

Описание изобретения

Изобретение использует базовые идеи теории статистического локального подхода (SLA). Такая теория раскрыта, например, в работе Zhang Q., Basseville M, Automatica, 1994, vol.30, no.1.

Другое применение подхода SLA можно найти в работе Amr Radwan, Ahmed Soliman and Giorgio Rizzoni, SAE technical paper n.2003-01-1057.

Для того чтобы применить технологию SLA к упомянутой технической проблеме, разработана аналитическая модель устойчивого состояния охладителя EGR. Разработанная модель не предусматривает использование датчиков температуры на охладителе и способна коррелировать эффективность охладителя со значениями температуры газа и давления в выпускном и впускном трубопроводе.

В частности, изобретение предлагает способ диагностики эффективности охладителя EGR в дизельном двигателе, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере следующие шаги:

- построение модели для определения снижения температуры y=ΔT в охладителе EGR, причем модель имеет параметр вектора θ и входной вектор x;

- выполнение фазы калибровки модели для оценки смещения h₀ системы;

- расчет группы первичных невязок ε (θ₀, x, ΔT), начиная от формулы модели и с использованием результатов фазы калибровки;

- расчет группы улучшенных невязок ε_N (θ₀):

$${\epsilon }_N\left({\theta }_0\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left(\epsilon \left({\theta }_0,x_k,y_k\right)-h_0\right)}$$

где N является количеством образцов, на которых выполняется диагностическое испытание;

- расчет диагностического показателя S:

$$S={\epsilon }_N^T{R}_0^{-1}{\epsilon }_N$$

где R₀ является корреляционной матрицей, рассчитанной по здоровой системе;

- использование диагностического показателя S для диагноза эффективности охладителя EGR.

Указанный способ допускает формулировку надежного и устойчивого диагностического показателя.

Кроме того, применение теории SLA возможно для определения диагностического показателя S, который имеет особые статистические свойства (например, следует хи-квадрат распределению).

Используя хорошо известные статистические свойства хи-квадрат-распределения, можно определить диагностическое пороговое значение упомянутого показателя, которое однозначно задает возможность обнаружения погрешности в работе охладителя EGR.

Иными словами, после установки определенной вероятности ложной тревоги (например, 1%) диагностическое пороговое значение может быть однозначно определено.

Например, в случае если во время мониторинга системы диагностический показатель имеет значение, превышающее пороговое, наблюдаемая в настоящий момент система не соответствует номинальной с вероятностью 99%.

Поэтому неисправная система может быть определена с помощью ECU с высокой вероятностью и без использования датчиков температуры, но только на основании описанной выше статистической модели.

Другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из следующего описания.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение будет теперь описано в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 схематически представлена математическая модель, применяемая для диагностики охладителя EGR изобретения;

на фиг.2 графически представлено соответствие такой модели группе результатов измерений в устойчивом состоянии на испытательном стенде; и

на фиг.3 представлена упрощенная блок-схема расчета диагностического показателя согласно изобретению.

Описание предпочтительного варианта реализации

Предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения описан со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Первый шаг согласно изобретению состоит из создания модели для определения снижения температуры в охладителе EGR. Применяемая в качестве примера модель основана на следующей формуле:

$$\left(1\right)T_{in}-T_{out}=k_1\cdot T_{H_{2}O}\cdot {\left(P_{exhaust}-P_{\mathrm{int}ake}\right)}^{k_2}\cdot T_{exhaust}^{k_3}\cdot N_{eng}^{k_4}$$

где:

T_in = температура на входе в охладитель EGR

T_out = температура на выходе из охладителя EGR

T_H2O = температура охладителя

P_exaust = давление на выходе охладителя EGR

P_intake = давление на входе охладителя EGR

T_exaust = температура на выхлопе охладителя EGR

N_eng = частота вращения двигателя

Далее, параметры k₁, k₂, k₃ и k₄ были идентифицированы и подтверждены из группы в 144 результата измерений в устойчивом состоянии на испытательном стенде (50% идентификации, 50% подтверждения).

Результат этих операций схематически представлен на фиг.2, на котором близкое соответствие значений, вычисленных с помощью указанной модели, нанесено против группы результатов измерений в устойчивом состоянии на испытательном стенде.

Способ согласно изобретению предусматривает применение признаков теории статистического локального подхода (SLA) и, в частности, он основывается на расчете «улучшенных» невязок, которые используются для обнаружения изменений в параметрах системы общей аналитической нелинейной модели.

Как обычно, под термином «невязка» подразумевается разность между значением согласно модели и фактическим измеренным значением.

При условии, что параметр вектора указанной модели θ=(k₁,…, k₄), вводные показатели модели как x=(N_eng, T_H2O, P_int, P_exh, P_exh) и снижение температуры y=ΔT, стандартные невязки определяются как:

$$e\left(x,\theta \right)=y-\widehat{y}\left(x,\theta \right)$$

Целью способа является определение изменений в параметре вектора 9 относительно номинального вектора θ₀, оценивающего улучшенный вектор невязки, определенный исходя из погрешности оценки.

Изменения в параметре вектора θ относительно номинального вектора θ₀ могут, например, происходить из-за износа компонентов двигателя, старения или других зависящих от времени факторов.

Номинальный вектор θ₀ обычно определяют с использованием техники идентификации модели, которая сводит к минимуму среднеквадратическую погрешность:

a(θ)=E[e^T(x, θ)·e(x, θ)]

Одной из ключевых точек подхода на основе SLA является то, что в случае если среднеквадратическая погрешность a(θ) является минимальной в случае номинальной системы, производная a в отношении параметра вектора должна быть близка к нулю.

Согласно указанному наблюдению SLA определяет первичную невязку следующим образом:

$$\epsilon \left({\theta }_0,x,y\right)=-\frac{1}{2}\frac{\partial }{\partial \theta }\left(e^T\left(x,\theta \right)\cdot e\left(x,\theta \right)\right)$$

Данные x и y, ε является вектором размера, равным размеру вектора θ.

После разработки формул модели системы можно аналитически рассчитать первичные невязки:

$$\epsilon \left({\theta }_0,x,y\right)=-\frac{1}{2}\frac{\partial }{\partial \theta }\left(e^T\left(x,\theta \right)\cdot e\left(x,\theta \right)\right)=\left({\frac{\partial \widehat{y}\left(x,\theta \right)}{\partial \theta }|}_{\theta ={\theta }_0}\right)\left(y-\widehat{y}\left(x,{\theta }_0\right)\right)$$

Можно учесть возможное отклонение системы из-за погрешностей в моделировании или из-за неточной оценки номинальных параметров. Отклонение оценивается путем измерения K образцов в исправной системе:

$$h_0=E\left[\epsilon \left(\theta ,x,y^0\right)\right]=\frac{1}{K}{\displaystyle \sum _{k=1}^K\left(\epsilon \left({\theta }_0,x_k,y_k^0\right)\right)}$$

где h₀ является вектором размера, равным размеру вектора θ.

Рассматривая группу из N образцов, можно определить не имеющие отклонений нормализованные «улучшенные невязки» следующим образом:

$${\epsilon }_N\left({\theta }_0\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left(\epsilon \left({\theta }_0,x_k,y_k\right)-h_0\right)}$$

Благодаря центральной предельной теореме улучшенные невязки имеют нормальное распределение с нулевым средним в случае исправности системы или с ненулевым средним в случае неисправной системы.

По этой причине при расчете отклонения и определении улучшенных невязок способ должен быть устойчивым к погрешностям в моделировании и неточной оценке номинальных параметров.

Стандартное статистическое X² (хи-квадратное) испытание может быть применено к определению изменения величины среднего, а именно диагностическое пороговое значение может быть очерчено общими характеристиками статистики хи-квадрат.

Для исполнения диагностического испытания охладителя EGR в качестве индикатора отклонения используется следующий количественный показатель: $$S={\epsilon }_N^T{R}_0^{-1}{\epsilon }_N$$ , где R₀ является корреляционной матрицей, рассчитанной для исправной системы с хи-квадратным распределением в случае нормального распределения улучшенных невязок.

Согласно теоретической основе, объясненной выше, способ согласно настоящему изобретению описан теперь со специальным применением к диагностической функции относительно охладителя EGR.

После создания модели для определения снижения температуры в охладителе EGR, описанной выше в формуле (1), выполняется ряд шагов по калибровке диагноза охладителя EGR.

Эти операции включают в себя, во-первых, определение оптимальных значений параметра модели θ=(k₁,…, k₄) с использованием стандартной техники идентификации на представительных N образцах с величиной N, достаточно большой для получения группы экспериментальных данных, полученных в исправной системе охладителя EGR.

Далее выполняется расчет отклонения по формуле следующим образом:

$$h_0=E\left[\epsilon \left(\theta ,x,y^0\right)\right]=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left(\epsilon \left({\theta }_0,x_k,y_k^0\right)\right)}$$ размер (4×1)

Затем выполняется расчет следующей матрицы Е на основе экспериментальных данных по исправной системе:

$$E_{ij}={\epsilon }_j\left({\theta }_0,x_i,y_i^0\right)-h_{0i}$$ размер (N×4)

В заключении вычисляется ковариационная матрица Ro улучшенной остаточной матрицы:

R₀=coν(E) размер (4×4)

Параметры модели θ₀, отклонение h₀ и ковариационная матрица R₀ вычисляются только во время фазы калибровки. Поэтому они жестко связаны с исправной системой охладителя EGR.

После фазы калибровки следует основное применение способа.

Начиная с формулы модели, осуществляется непосредственный расчет первичных невязок ε (θ₀, x, ΔT), где:

θ₀=(k₁,…, k₄) являются параметрами калибровки модели;

x=(N_eng, T_H2O, P_int, P_exh, P_exh) являются (измеренными или моделированными) вводами в модель системы;

ΔT является измеренной разностью температур T_exaust-T_intake.

Далее осуществляется расчет улучшенных невязок ε_N (k₁,…, k₄):

$${\epsilon }_N\left({\theta }_0\right)=\frac{1}{\sqrt{N}}{\displaystyle \sum _{k=1}^N\left(\epsilon \left({\theta }_0,x_k,y_k\right)-h_0\right)}$$

где N равно количеству образцов, на которых выполняется диагностическое испытание.

В заключении способ предлагает расчет диагностического показателя S: $$S={\epsilon }_N^T{R}_0^{-1}{\epsilon }_N$$ .

Диагностический показатель S используется затем для определения диагностического порогового показателя, который однозначно устанавливает возможность найти погрешность охладителя EGR после статистического X² (хи-квадратного) испытания.

Далее будет описано применение способа согласно изобретению со ссылкой на некоторый конкретный пример.

В конкретном примере погрешность в эффективности охладителя EGR моделируется путем блокирования в промежуточном положении перепускного исполнительного механизма и измерения системы в 24 различных рабочих точках при устойчивом состоянии двигателя.

Таким образом получают две группы результатов измерений путем блокирования исполнительного механизма в двух различных положениях (30% и 75% от полностью открытого положения).

Выполняется моделирование методом Монте-Карло, при котором рассчитывают диагностический показатель системы S согласно способу, являющемуся предметом изобретения. Диагностический показатель системы S следует X² (хи-квадратному) испытанию для различных колонок в табл.1 ниже. Значения для каждой колонки были получены путем расчета среднего значения S по 20 группам измерения данных, выбранных произвольно из полного комплекта данных.

Таблица 1   Количество результатов измерений в устойчивом состоянии, использованных при расчетах 5 10 15 20 24 S (исправный) 4,0 5,0 4,9 5,1 5,0 S (30% неисправности) 389,81 703,1 1000,2 1369,1 1523,3 S (75% неисправности) 554,6 1004,0 1427,8 1882,7 2024,1 (S75-S исправный)/(S30-S исправный) 1,4 1,4 1,4 1,4 1,3 Накопленная сумма (исправный) 24 56 91 116 137 Накопленная сумма (30% неисправности) 443,6 902,6 1352,8 1813,0 2147,0 Накопленная сумма (75% неисправности), 509,1 1031,5 1547,3 2077,0 2462,0 (Накопл. 75 - накопл. исправн)/(Накопл. 30 - накопл. исправн.) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Ясное различие между номинальным случаем и случаем неисправности показано параметром S.

Если считать вероятность ложной тревоги равной 1%, то согласно X² статистике предположение об исправности справедливо, если S<11,35.

Сравнение накопленной остаточной суммы показывает улучшенную чувствительность к неисправности при расчете SLA.

Расчет накопленной суммы отклоняется при погрешности в моделировании.

Способ согласно изобретению обладает рядом важных преимуществ по сравнению с существующей техникой.

Во-первых, он обеспечивает выполнение существующего законодательства, в особенности выполнение законодательства OBD.

В качестве второго дополнительного преимущества изобретение обеспечивает улучшение качества системы мониторинга.

Далее, изобретение позволяет обойтись без использования датчиков температуры на охладителе, что обеспечивает значительную экономию затрат. Способ согласно изобретению позволяет поэтому коррелировать эффективность охладителя со значениями температуры газа и давления в выпускном и впускном патрубках.

И, в заключение, применяемая методология калибровки основывается на хорошо обоснованных теоретических принципах, что гарантирует точность и надежность применяемого способа.

В то время как настоящее изобретение описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты реализации и определенные области применения, понятно, что приведенное здесь описание должно рассматриваться в качестве примера, но не в качестве ограничения рамок изобретения. Специалисты в данной области техники могут признать возможность различных модификаций определенных вариантов реализации и в рамках прилагаемой формулы изобретения. Поэтому предполагается, что изобретение не должно ограничиваться описанными вариантами реализации, но полностью соответствует описанию в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение может быть использовано в диагностике эффективности охладителя рециркуляции выхлопного газа (EGR) в дизельном двигателе. Способ диагностики эффективности охладителя системы (EGR) в дизельном двигателе заключается в том, что определяют значение температуры газа и давления в выпускном и впускном трубопроводах, осуществляют построение посредством управляющего блока двигателя модели для определения снижения температуры y=ΔТ в охладителе EGR, причем модель имеет параметр вектора θ и входной вектор x. Выполняют посредством управляющего блока двигателя фазу калибровки модели для оценки смещения h₀ системы и расчет посредством управляющего блока двигателя группы первичных невязок ε (θ₀, x, ΔТ), начиная от формулы модели и с использованием результатов фазы калибровки. Расчет группы улучшенных невязок ε_N (θ₀) осуществляют по математическому выражению в зависимости от количества образцов, на которых выполняются диагностические испытания. Осуществляют расчет посредством управляющего блока двигателя диагностического показателя S по математическому выражению, использующему корреляционную матрицу R₀, рассчитанную по исправной системе. Диагностический показатель S используют для диагноза эффективности охладителя EGR. Технический результат заключается в отказе от использования датчиков температуры в охладителе EGR. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.,1 табл.

1. Способ диагностики эффективности охладителя системы рециркуляции выхлопного газа (EGR) в дизельном двигателе, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере следующие шаги:
определение значений температуры газа и давления в выпускном и впускном трубопроводах;
построение посредством управляющего блока двигателя модели для определения снижения температуры y=ΔТ в охладителе EGR, причем модель имеет параметр вектора θ и входной вектор x;
выполнение посредством управляющего блока двигателя фазы калибровки модели для оценки смещения h₀ системы;
расчет посредством управляющего блока двигателя группы первичных невязок ε (θ₀, x, ΔТ), начиная от формулы модели и с использованием результатов фазы калибровки;
расчет группы улучшенных невязок ε_N (θ₀):

где N является количеством образцов, на которых выполняется диагностическое испытание;
расчет посредством управляющего блока двигателя диагностического показателя S:

где R₀ является корреляционной матрицей, рассчитанной по исправной системе;
использование диагностического показателя S для диагноза эффективности охладителя EGR.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фаза калибровки модели включает в себя по меньшей мере следующие операции:
a) определения оптимальных значений θ₀ вектора параметра модели с использованием представительного количества N образцов экспериментальных данных, полученных для исправной системы;
b) оценки отклонения h₀ системы на основании по меньшей мере оптимальных значений θ₀ вектора параметра модели, входного вектора x и снижения температуры y=ΔТ в охладителе EGR;
c) расчета следующей матрицы Е на основе экспериментальных данных по исправной системе:

d) вычисления ковариационной матрицы R₀ улучшенной остаточной матрицы по исправной системе:
R₀=cov(E)
причем параметры модели θ₀, отклонение h₀ и ковариационная матрица R₀ вычисляются только во время фазы калибровки.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оценка отклонения h₀ системы следует отношению:

4. Способ диагностики охладителя EGR в дизельном двигателе с общей топливной магистралью по п. 1, в котором модель для определения снижения температуры в охладителе EGR основана на следующей формуле:

где:
Т_in = температура на входе в охладитель EGR,
T_out = температура на выходе из охладителя EGR,
Т_H2O = температура охладителя,
P_exaust = давление на выходе охладителя EGR,
P_intake = давление на входе охладителя EGR,
T_exaust = температура на выхлопе охладителя EGR,
N_eng = частота вращения двигателя.

5. Способ по п. 4, в котором вектор параметров θ (k₁, k₂, k₃ и k₄) идентифицирован и подтвержден по группе результатов измерений в устойчивом состоянии на испытательном стенде.

6. Способ по п. 1, в котором распределение значений диагностического показателя S является нормальным и статистическое X² (хи-квадратное) распределение используется для определения диагностического порогового показателя, однозначно указывающего на возможность обнаружить отказ в охладителе EGR.