基于SCR效率診斷防抖方法的魯棒性控制研究

趙子行，方曉鵬，孟媛媛，董秀云，王文麗

1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061； 2.盛瑞傳動(dòng)股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

歐洲已經(jīng)實(shí)施歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，2018年中國(guó)也發(fā)布重型車(chē)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。與國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)相比，重型車(chē)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulate matter, PM)排放限值分別下降80%和50%，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)載診斷(on-board diagnostics, OBD)要求更嚴(yán)格[2]，對(duì)選擇性催化還原(selective catalytic reduction SCR)效率監(jiān)控診斷時(shí)效性和準(zhǔn)確性的要求更高[3-4]。為準(zhǔn)確評(píng)估診斷監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段引入魯棒性分析[5]，通過(guò)量化的數(shù)字指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)OBD故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率。

誤報(bào)影響產(chǎn)品的正常工作和排放質(zhì)保，降低誤報(bào)概率將大大減小質(zhì)保費(fèi)用；漏報(bào)影響OBD認(rèn)證，導(dǎo)致排放檢查不合格，降低漏報(bào)概率將提高通過(guò)OBD系統(tǒng)認(rèn)證的成功率。SCR效率診斷的魯棒性研究就是要通過(guò)各種方法降低誤報(bào)和漏報(bào)的概率，平衡誤報(bào)和漏報(bào)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足在用監(jiān)測(cè)頻次要求的OBD診斷策略。魯棒性涉及不可接受最好性能(best performance unacceptable，BPU)有效件和可接受的最差性能(worst performances acceptable，WPA)有效件2個(gè)重要概念，BPU件一般是指老化到有效壽命的有效件，WPA件一般指接近于OBD排放限值的失效件。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，SCR效率診斷魯棒性控制通常的指導(dǎo)原則為：診斷限值距WPA件采集數(shù)據(jù)中值的距離為4σ，距BPU件采集數(shù)據(jù)中值的距離為2σ，滿(mǎn)足這個(gè)指導(dǎo)原則時(shí)系統(tǒng)誤報(bào)概率小于0.1%，漏報(bào)概率小于3%。

進(jìn)行魯棒性分析和數(shù)據(jù)處理前，SCR效率診斷的WPA件和BPU件多為重疊分布，很難根據(jù)上述的原則設(shè)置OBD診斷限值，需要使用各種防抖處理方法，國(guó)外有通過(guò)移動(dòng)平均防抖處理(exponentially weighted moving average，EWMA)降低誤報(bào)和漏報(bào)概率的相關(guān)研究[6-7]。魯棒性分析可以使用防抖處理方法，對(duì)參數(shù)敏感性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，研究使能條件的標(biāo)定和OBD限值的設(shè)置，找到對(duì)OBD策略魯棒性影響較大的因素[8-9]。

本文中主要研究SCR效率診斷的不同防抖處理方法對(duì)OBD魯棒性的影響。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用一臺(tái)滿(mǎn)足國(guó)六排放的直列、水冷、四沖程、電控共軌、增壓中冷6缸柴油機(jī)，柴油機(jī)裝有柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)、柴油顆粒捕捉器(diesel particulate filter, DPF)、SCR、氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst, ASC)等后處理系統(tǒng)。柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1；整車(chē)試驗(yàn)的車(chē)輛采用12擋12JSD180TA變速箱(各擋速比分別為12.10、9.41、7.31、5.71、4.46、3.48、2.71、2.11、1.64、1.28、1.00、0.78)，整車(chē)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2；整車(chē)試驗(yàn)工況及WPA和BPU件試驗(yàn)要求見(jiàn)表3(表中PEMS為便攜式車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng))。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 整車(chē)主要技術(shù)參數(shù)

表3 整車(chē)試驗(yàn)工況及要求、WPA和BPU件試驗(yàn)要求

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SCR效率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

將整車(chē)測(cè)試采集的SCR效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與報(bào)錯(cuò)限值進(jìn)行差值并進(jìn)行正態(tài)分布處理，得到圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 某車(chē)基于SCR效率監(jiān)測(cè)的魯棒性試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，試驗(yàn)結(jié)果WPA件的4σ限值小于BPU件的2σ限值，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行防抖處理，研究是否通過(guò)防抖處理滿(mǎn)足產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求。

2.2 防抖處理方法分析

2.2.1 平均值法

平均值防抖處理方法是將測(cè)量值進(jìn)行平均，以測(cè)量值的平均值與標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較，判定是否存在故障。對(duì)WPA件的4σ限值和BPU件的2σ限值進(jìn)行的平均值防抖分析如圖2所示。

由圖2可知：隨著平均次數(shù)的增加，WPA件的4σ限值逐步上升并趨于穩(wěn)定，BPU件的2σ限值逐步下降并趨于穩(wěn)定，WPA件的4σ限值與BPU件的2σ限值差距逐步拉大并趨于穩(wěn)定；當(dāng)平均次數(shù)為2次時(shí)，WPA件的4σ限值大于BPU件的2σ限值，表明采用2次平均值方法時(shí)滿(mǎn)足WPA件的4σ和BPU件的2σ距離要求；隨著平均次數(shù)的增加，WPA件和BPU件的區(qū)分度越大但故障監(jiān)測(cè)完成所用的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)則不滿(mǎn)足在用監(jiān)測(cè)頻次(in-use performance ratio，IUPR)要求的風(fēng)險(xiǎn)越大，在確定平均次數(shù)時(shí)須全面考慮降低Ⅰ型(誤報(bào)錯(cuò))和Ⅱ型(漏報(bào)錯(cuò))風(fēng)險(xiǎn)以及IUPR要求。

2.2.2 駕駛循環(huán)次數(shù)法

故障監(jiān)測(cè)判定存在故障，通過(guò)若干駕駛循環(huán)最終確認(rèn)故障存在的防抖處理方法即駕駛循環(huán)次數(shù)防抖處理法，文獻(xiàn)[1]中允許2個(gè)駕駛循環(huán)確認(rèn)故障，如故障監(jiān)測(cè)超過(guò)2個(gè)駕駛循環(huán)須向檢測(cè)部門(mén)備案。WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)的駕駛循環(huán)次數(shù)防抖分析如圖3所示。

由圖3可知：從1個(gè)循環(huán)增加到2個(gè)循環(huán)時(shí)，WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)降低較大，之后隨著駕駛循環(huán)數(shù)的增多，WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)降低幅度很小并趨于穩(wěn)定；隨著駕駛循環(huán)數(shù)增加，BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)隨駕駛循環(huán)數(shù)呈線(xiàn)性小幅增加。增加駕駛循環(huán)數(shù)可較大降低WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)且BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)增加較小。當(dāng)采用2個(gè)駕駛循環(huán)確認(rèn)故障時(shí)，WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)為0.000 002，滿(mǎn)足4σ要求；BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)為0.002 7，滿(mǎn)足2σ要求，BPU件的Ⅱ型險(xiǎn)增加幅度較小可接受。

2.2.3m/n法

m/n防抖處理方法是將測(cè)量值與監(jiān)測(cè)限值進(jìn)行n次測(cè)量比較，當(dāng)測(cè)量值低于監(jiān)測(cè)限值次數(shù)超過(guò)m次，則確認(rèn)故障存在。本文中以n=5(WPA件Ⅰ型初始風(fēng)險(xiǎn)為2σ，BPU件Ⅱ型初始風(fēng)險(xiǎn)為1σ)為例對(duì)WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行m/n防抖處理方法分析，m/n防抖分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 m/n防抖分析

由圖4可知：WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)隨著m的增加逐步降低且逐步趨于穩(wěn)定；BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)隨著m的增加逐步升高，當(dāng)m>3后風(fēng)險(xiǎn)陡增；當(dāng)m=2時(shí)，WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)降低為0.005，滿(mǎn)足4σ要求；BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)為0.003，滿(mǎn)足2σ要求，BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)增加幅度較小可接受。

2.2.4 基于事件上升/下降計(jì)數(shù)法

事件上升/下降計(jì)數(shù)防抖處理方法是以測(cè)量值與監(jiān)測(cè)限值比較結(jié)果作為1次診斷事件，當(dāng)測(cè)量值低于監(jiān)測(cè)限值時(shí)故障計(jì)數(shù)增加1次，測(cè)量值高于監(jiān)測(cè)限值時(shí)計(jì)數(shù)降低1次，當(dāng)計(jì)數(shù)大于計(jì)數(shù)限值后確認(rèn)故障存在的防抖處理方法。本文中以計(jì)數(shù)限值等3(WPA件Ⅰ型初始風(fēng)險(xiǎn)為2σ，BPU件Ⅱ型初始風(fēng)險(xiǎn)為1σ)為例對(duì)WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 事件上升/下降計(jì)數(shù)防抖分析

由圖5可知：WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)隨著診斷事件數(shù)增加而增加并逐步趨于穩(wěn)定，BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)隨著診斷事件的增加逐步降低且逐步趨于穩(wěn)定。診斷事件數(shù)受到駕駛循環(huán)的影響，針對(duì)不限定診斷事件次數(shù)的策略使用此防抖處理方法控制WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.5 基于事件連續(xù)計(jì)數(shù)法

事件連續(xù)計(jì)數(shù)防抖處理方法是以測(cè)量值與監(jiān)測(cè)限值比較結(jié)果作為1次診斷事件，當(dāng)測(cè)量值低于監(jiān)測(cè)限值時(shí)故障計(jì)數(shù)增加1次，測(cè)量值高于監(jiān)測(cè)限值時(shí)計(jì)數(shù)重置清零，當(dāng)計(jì)數(shù)大于計(jì)數(shù)限值后確認(rèn)故障存在的防抖處理方法。本文中以計(jì)數(shù)限值等2(WPA件Ⅰ型初始風(fēng)險(xiǎn)為2σ，BPU件Ⅱ型初始風(fēng)險(xiǎn)為1σ)為例對(duì)WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 事件連續(xù)計(jì)數(shù)防抖分析

由圖6可知：WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)隨著診斷事件數(shù)增加而增加并逐步趨于穩(wěn)定，BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)隨著診斷事件的增加逐步降低且逐步趨于穩(wěn)定。診斷事件數(shù)受到駕駛循環(huán)的影響，針對(duì)不限定診斷事件次數(shù)的策略使用此防抖處理方法可控制WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

探討不同防抖處理方法對(duì)OBD魯棒性的影響，通過(guò)分析平均值防抖、駕駛循環(huán)次數(shù)防抖、m/n防抖、事件上升/下降計(jì)數(shù)防抖、事件連續(xù)計(jì)數(shù)防抖處理方法對(duì)OBD魯棒性風(fēng)險(xiǎn)影響，得到以下結(jié)論。

1)平均值防抖處理方法隨著平均次數(shù)的增加使WPA件的4σ限值升高，BPU件的2σ限值降低；本例采用2次平均即可滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)要求。

2)駕駛循環(huán)次數(shù)防抖方法可將WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)降低較大，BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)基于駕駛循環(huán)數(shù)線(xiàn)性增加，考慮文獻(xiàn)[1]要求，采用2個(gè)駕駛循環(huán)確認(rèn)故障可降低WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)且BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)增加可接受。

3)m/n防抖處理方法隨著m增加WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)逐步降低并逐步趨于穩(wěn)定；BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)隨著m的增加初期緩慢增加，然后風(fēng)險(xiǎn)陡增；當(dāng)n=5時(shí)，m=2即可滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)要求。

4)針對(duì)不限定診斷事件次數(shù)的策略，且風(fēng)險(xiǎn)使用事件上升/下降計(jì)數(shù)防抖處理或事件連續(xù)計(jì)數(shù)防抖處理均能控制WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)，且風(fēng)險(xiǎn)隨著診斷事件次數(shù)增加趨于穩(wěn)定。

5)不同的防抖處理方法對(duì)WPA件的Ⅰ型風(fēng)險(xiǎn)和BPU件的Ⅱ型風(fēng)險(xiǎn)影響不同，應(yīng)根據(jù)診斷策略和產(chǎn)品問(wèn)題選擇合適的防抖處理方法來(lái)提高OBD系統(tǒng)魯棒性。