CN104968909A - 用于监控scr***的尿素品质的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控在SCR***的储箱中存储的尿素溶液中的尿素浓度和品质的方法。该***包括由发动机驱动的泵，该泵的压强由控制器控制。所述方法包括以下步骤：测量表征由发动机传输给泵的能量的参数数值；基于该表征由发动机传输给泵的能量的参数数值，来确定尿素浓度数值。

Description

用于监控SCR***的尿素品质的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定流体品质的方法。特别地，本发明涉及一种用于感测在SCR***的储箱中存储的尿素溶液中的尿素的浓度/品质的方法。
背景技术
关于车辆和重型货车的排放的法规中包括减少氮氧化物NOx向大气的排放。一种已知的实现该目的的方式在于使用选择性催化还原(英文为“Selective Catalytic Reduction”，缩写为SCR)工艺，该工艺允许通过将还原剂——一般为氨——注入排放线路中来还原氮氧化物。该氨可以来自于氨前驱体溶液的热分解，该氨前驱体溶液的浓度可以是低共熔浓度。该氨前驱体一般是尿素溶液。
通过使用SCR工艺，在发动机中以最佳效率燃烧时产生的大量的NOx在离开发动机之后被在催化剂中加以处理。该处理要求使用浓度精确且品质极高的还原剂。溶液由此被准确地计量并注入排放气流中，在该排放气流中溶液发生水解，继而将氮氧化物NOx转化为氮气N2和水H2O。
为了实现该处理，必须给车辆配备包含添加剂溶液(一般为尿素水溶液)的储箱，以及用于计量所期望量的添加剂并将其注入排放线路中的装置。
重要之处在于能够测量尿素的浓度，以确保储箱中的流体是浓度可接受的尿素。
当前的SCR***实施品质传感器技术。在SCR***中引入尿素品质传感器确保了特定品质的尿素能够被注入排放线路中。这也降低了受到干预或意外的错误充装的风险，并有助于确保合规，由此满足使用者和立法者等所关心之处。
已经提出了多种尿素品质传感器。
例如，申请US2008/280371描述了一种基于尿素液体中的超声速的尿素传感器(声音谐振器)。声音在尿素溶液中的速度可被用于测量浓度，这是因为声音在尿素溶液中的速度随尿素溶液的分子重量而变化。尿素溶液分子重量的变化按比例地影响声速。
其他已知的尿素品质传感器基于电容或射频技术。
这些已知的尿素品质传感器的一个缺陷在于这些传感器一般要求显著的封装空间。并且，现有SCR***中没有专用于这些尿素品质传感器的空间和电气连接，因此难以在其中布置和使用这些传感器。另一限制在于，尿素品质传感器的使用导致增大SCR***的整体成本。
存在对如下所述的方法的需求：该方法允许精确地确定尿素溶液中的尿素浓度以便SCR工艺令人满意地工作，并与所有现有的SCR***兼容，即可用于这些***。
发明内容
因此，本发明的一个方面在于提供一种用于以提高的准确度和简易度来确定尿素溶液的品质的方法。
本发明的另一方面在于提供一种用于监控在SCR***的储箱中存储的尿素溶液的尿素浓度的方法，所述***包括由发动机驱动的泵，该泵的压强由控制器控制。该方法包括以下步骤：
-测量表征由发动机传输给泵的能量的参数的数值；
-基于该表征由发动机传输给泵的能量的参数的数值，确定尿素浓度的数值。
本发明的思路在于通过监控泵的工作情况(例如泵的转速)来计算(即确定)尿素浓度。本发明基于以下发现：对于给定的泵，在给定的工作条件下(例如维持5bar的恒定***压强)，在维持所期望的工作条件所需的泵的工作情况与尿素浓度之间存在直接关联。尿素溶液的成分(即尿素浓度)的变化体现为尿素溶液的粘度的变化(在某些情况下还可体现为尿素溶液的密度的变化)。尿素溶液的粘度的变化影响维持所期望的工作条件所需的泵的工作情况。
应注意的是，根据泵的类型和泵的调节的不同，表征由发动机传输给泵的能量的参数可能是转速(针对旋转泵)、频率(针对往复泵)、电流、电压、扭矩等或这些参数的任何组合。
在一个具体实施例中，测量以下参数组：泵输出流体压强、泵流体温度(即泵内部的流体的温度或进入或离开泵的流体的温度)、泵发动机电流、泵发动机供电电压以及泵的速度。
在一个具体实施例中，按照时间顺序或基于顺序的条件来对参数进行测量和比较。
在一个示例中，在第一时间测量第一组参数，在晚些的第二时间测量第二组参数。然后，将第一组和第二组参数与查询表或模型(如下所述)比较，以确定尿素浓度的数值。
本发明适用的泵是由发动机驱动的、其工作情况一般由控制器控制的泵，优选地为正排量泵。该泵优选地为旋转泵(齿轮泵或摆线泵类型)，因此一般包括定子和转子，并优选地能够在两个相反的转动方向上工作，其中一个方向一般对应于为馈送线路供应液体，另一方向则一般对应于排空馈送线路。优选地，泵为旋转泵，该表征由发动机传输给泵的能量的参数的数值为泵转速的数值。因此本发明使用齿轮泵获得了良好的结果。
在一个具体实施例中，泵的转速由霍尔效应或其他类型的速度传感器来测量。
在一个优选实施例中，泵的转速通过使用反电动势(“Electro-Motive Force”，缩写为EMF)的方法来估计。该反电动势方法在本领域中是为人所熟知的，下文不再说明。
任何类型的电动机都可以适于驱动泵。优选地，在齿轮泵的情况下，发动机属于无刷直流(英文为“brushless direct current”，缩写为BLDC)发动机类型。在该情况下，泵由泵的转子与发动机的定子之间的磁耦合来驱动。
优选地，该齿轮泵是受压强调节的。在一个具体实施例中，控制器与压强传感器连接。该布置构成闭合回路压强控制机制。控制器在回路中将给定压强设定点的数值与传感器测量到的数值进行比较，并由此作用于泵的转速，以试图使压强稳定在压强设定点的数值。
泵的控制器为控制模块(该控制模块一般包括PID调节器和发动机转速控制器)和电力供给单元，该电力供给单元优选地为发动机供给使其在所期望的速度下工作所需的电力，并允许在必要时反转发动机的转动方向。
优选地，该泵还由PWM类型的信号来控制。最特别地，电子控制模块(英文为“Electronic Control Module”，缩写为ECM)向泵控制器发送脉冲宽度调制(英文为“Pulse Width Modulation”，缩写为PWM)控制信号，该信号具有随所期望的泵的工作条件变化的占空比，控制器根据该占空比作用于发动机以将所述工作条件施加给泵。
如上所述，本发明应用于SCR***，该SCR***的用途在于将污染控制液体注入内燃机的尾气中。这种***一般包括至少一个用于存储所述液体的储箱和允许使用泵将所述液体传送给注入装置的馈送线路(该泵因此布置在该线路中)。本发明特别适用的一种液体是尿素。
术语“尿素”应理解为任何包含尿素的溶液，其一般为水溶液。本发明在使用低共熔水/尿素溶液时获得了良好的结果，针对该低共熔水/尿素溶液存在标准品质：例如，根据DIN 70070标准，在溶液(市售尿素溶液)的情况下，尿素浓度(在重量上)在31.8％至33.2％之间(即32.5+/-0.7wt％)，因此，氨的可用量在18.0％至18.8％之间。本发明也可以应用于也呈水溶液形式的以商业名称DenoxiumTM销售的尿素/甲酸铵混合物，其组分之一(Denoxium-30)包含与溶液等量的氨。
在本发明的一个变型中，泵故意地计量过多的液体，多余的液体例如通过使用配备有经校准的阀门或经校准的开孔的返回(或旁路)线路而回到储箱。该变型使得在没有尿素被注入引擎的尾气中时能够对泵进行冷却。或者，返回线路可以起始于注入装置，这样使得能够对所述注入装置进行冷却。
在本发明的另一变型中，在泵的每次使用之后(正好在关闭泵之前)排空馈送管线，以缩短***的启动时间并避免过早地损坏线路(因为尿素在冻结时膨胀)。排空可以例如通过使泵反向转动将馈送管线中含有的液体送回储箱所需的时间来进行。
至于返回线路，如果其存在的话，那么一般具有相对小的体积，因此，如果返回线路被加热，那么当泵停机时返回线路应该没有被排空。因此，在通过反转泵的转动方向来排空时，为了避免液体在排空期间在由馈送线路和返回线路限定的回路中来回兜圈，有利地给返回线路配备止回阀。
根据本发明，在不干扰SCR***正常工作的情况下进行对尿素浓度的监控，并且无需启动会显著地干扰SCR***的正常工作的测试程序，其中SCR***正常工作即该***持续地响应于信号，该信号一般由车载计算机和/或引擎控制单元(即ECU)和/或专用于SCR***的具有与ECU的接口的电子控制模块(ECM)传送，并包括与注入尾气中以控制其污染所必需的尿素溶液的量有关的信息。
在一个优选实施例中，该方法包括生成泵转速数值对应于尿素浓度数值的查询表。优选地，这些速度数值是绝对或相对速度变化。因此，将泵转速数值与查询表比较，以确定尿素浓度数值。优选地，该查询表包括在一个温度范围中的泵转速数值对应于尿素浓度数值。例如，如果尿素浓度处于预定工作范围或预定阈值之外，就可以向车载计算机和/或ECU和/或ECM发送信号。在一个示例中，如果尿素浓度低于26.5％，那么就向ECU发送信号。在另一示例中，工作范围可以设置为32.5％+/-5％。
在另一具体实施例中，该方法包括生成提供泵转速与泵压强之间的关系的模型。有利地，该模型被生成为测量到的泵流体温度和泵老化程度的函数。换句话说，该模型随泵流体温度和泵的寿命而变化。
并且，本发明的方法可被用于辨认溶液是否是尿素。
在一个实施变型中，本发明的测量技术(基于例如泵速度来测量尿素浓度)可以与被配置用于测量尿素浓度的传感器结合地使用。如在下文中所述地，该传感器还可以被配置为测量储箱中的尿素溶液的液位。优选地，该传感器是超声波传感器。可以使用其他类型的传感器，尤其是电容传感器。该结合的思路在于将所计算(即所确定)的尿素浓度数值和所测量的尿素浓度数值用于校准和诊断目的。在一个有利的实施例中，所测量的尿素浓度数值可被用作对所计算的尿素浓度数值进行校准的基准。在该具体情况下，所测量的尿素浓度数值允许例如补偿***的老化程度(泵磨损、过滤器堵塞、发动机等)。在另一有利实施例中，可将所计算的尿素浓度数值与所测量的尿素浓度数值比较，以验证所计算数值的可信度。例如，如果所计算的数值和所测量的数值之差大于预定阈值，那么就可以向ECU发送信号和/或启动修正措施(例如：校准/重新计算查询表的数值)。在另一有利实施例中，可以将所计算的尿素浓度数值与所测量的尿素浓度数值进行比较，以检测传感器是正常工作还是发生故障。
本发明的另一方面在于提供一种SCR***，该***包括：
-用于存储尿素溶液的储箱；
-由发动机驱动的泵；
-用于控制泵的压强的控制器；
-控制模块，该控制模块包括用于测量表示参数数值的信号的逻辑装置以及用于基于该参数数值确定尿素浓度数值的逻辑装置，其中该参数数值表征由发动机传输给泵的能量。
附图说明
通过附图1至附图5以非限制性的方式示出了本发明，在这些附图中：
图1为可以应用本发明的SCR***的一个具体实施例的示意图；
图2图示了测量结果，这些测量结果示出了泵速度与尿素浓度之间的关系，该关系是根据本发明的一个实施例的方法的关键；
图3示出了操作流程图，该操作流程图示出了用于根据本发明的一个具体实施例来感测尿素浓度的逻辑操作步骤。
图4和图5示意地示出了尿素输送模块的一个具体实施例。
具体实施方式
在图1至图5中分别使用相同附图标记来指示相同元件(或功能近似的元件)。
图1示出了可以应用本发明的SCR***的一个具体实施例。
该SCR***包括包含尿素溶液的尿素储箱1。该尿素储箱1配备有以下部件：
-计量器2(即液位传感器)；
-加热元件3；
-过滤器4；
-温度传感器5；以及
-加热元件用的电流传感器6。
尿素溶液通过泵7的作用而被向注入装置12输送，该注入装置位于用于排放车辆引擎尾气的线路11中、SCR催化剂17的上游。泵7由BLDC发动机15驱动，由控制器(未示出)来控制。控制器能够接收由压强传感器10测量的信号(该信号有关泵的输出压强)和由速度传感器8测量的信号(该信号有关泵的转速)。例如，通过向发动机15输送给定电压来实现对发动机15的转速的控制，以使得泵的输出压强遵循给定压强设定点数值，该给定电压的形式可以是PWM电压。SCR***包括止回阀16，该止回阀允许调节泵输出位置的压强。SCR***还包括用于馈送线路和泵的加热丝9。该SCR***还包括配备有以下部件的返回(或旁路)线路：
-止回阀13，该止回阀阻止液体在排空(此时泵反向转动)期间(在由馈送线路和用于返回储箱的线路限定的回路中)来回兜圈；以及
-经校准的开孔(限制)，其被用于设定流速，和增加抵抗从而增大压强(通过增大返回线路中的压降)。
图2示出了在与图1中示出的***类似的***上的测试活动期间记录的速度/浓度测量结果的一个示例。图2的曲线图示出了对于持续的压强调节(例如通过将压强调节在5bar来使***稳定)，相对于尿素浓度变化的泵速度的变化。在该曲线图中，在x轴上示出的是温度(单位为℃)，在y轴上示出的是泵的转速(单位为rpm)。在该图中，曲线C1对应于0％的尿素浓度(即水)，曲线C2对应于10％的尿素浓度，曲线C3对应于20％的尿素浓度，曲线C4对应于32.5％的尿素浓度(即溶液)，曲线C5对应于40％的尿素浓度。从图2的图中可观察到，随着溶液中的尿素浓度增大，泵的速度降低。这主要是由于溶液粘度的变化，该变化源于尿素浓度的增大。能够通过简单地测量泵的转速(或任何其他表征由发动机传输给泵的能量的参数)来感测尿素浓度是一个实实在在的优点，因为无需专门的品质传感器。由于用于确定尿素浓度的部件已经存在于SCR***中，因此没有给SCR***增加成本。
由此可以基于这些速度/浓度测量值来生成泵转速数值对应于尿素浓度数值的查询表。例如，可以将该查询表存储在包括在ECU中的存储器中，以用于以下参照图3所述的逻辑操作。
ECU包含如下文所述的一系列的计算机可执行指令，这些指令允许ECU基于泵转速数值来确定尿素溶液的浓度。这些指令可以例如存在于ECU的RAM中。或者，这些指令可以包含在具有计算机可读介质(例如USB密匙或CD-ROM)的数据存储装置中。
图3示出了操作流程图，该操作流程图示出了用于根据本发明的一个具体实施例来感测尿素浓度的逻辑操作步骤。在框31处开始，存储在储箱1中的尿素溶液被泵7泵送，泵的转速被测量。例如，通过使用反电动势(EMF)方法可以估计泵的转速。继续至框32，将在框31处测量到的泵转速与存储在ECU中的数值——例如如上所述生成和存储的查询表进行比较。然后在框33处，从查询表推算或确定尿素浓度。
在一个有利实施例中，泵7和SCR***的其他部件可以集成在一个模块中(下文称为输送模块)。图4和图5示意地示出了输送模块的一个具体实施例。有利地，输送模块40被配置为固定在尿素储箱1的底部表面上。在图4和图5示出的实施例中，输送模块40包括液位传感器2。
优选地，液位传感器2为超声波传感器(压电传感器)。有利地，超声波传感器可以被配置为测量储箱中的尿素溶液的液位和尿素浓度。使用超声波技术是有利的，这是由于该技术是非接触技术，这意味着能够不在模块中制造穿孔，从而消除潜在的泄漏通道。并且，超声波液位测量可以测量满的流体高度。并且，超声波技术允许使用单个传感器测量液位和浓度。在另一实施例中，超声波传感器可以被电容传感器替代。
在一个具体布置中，超声波传感器可以被安装和放置在输送模块的底部，以使得该超声波传感器可以进行水平测量。然而，这种布置需要储箱中的显著空间并且是昂贵的。
在一个优选布置中，超声波传感器被安装和放置在输送模块的底部，以使得该超声波传感器可以进行垂直测量。该优选布置在图4和图5中示出。在该优选布置中，通过发送第一声波信号(在图4和图5中以标记为S1的虚线示出)，超声波传感器可以测量储箱中的尿素溶液的液位。通过发送第二声波信号(在图4和图5中以标记为S2的虚线示出)，该超声波传感器还可以测量尿素浓度。在图4和图5示出的实施例中，超声波传感器2与偏转器401协作。该偏转器401被用于将第二声波信号S2反弹回传感器。偏转器使得能够进行基准测量。通过具有固定高度，能够从超声波传感器向偏转器发送回波，该回波被反弹，然后被传感器测量。由于是固定高度，能够测量飞行时间，并且基于环境条件能够确定流体的密度。以此方式可以确定尿素浓度。
参照图4，储箱中的尿素溶液的液位在偏转器401之上。在这种情况下，超声波传感器能够测量储箱中的尿素溶液的液位和尿素浓度。有利地，所测量的尿素浓度数值被用来与所确定的尿素浓度数值(例如基于泵速度数值)相结合地用于校准和诊断目的(如上所述)。
参照图5，储箱中的尿素溶液的液位在偏转器401之下。在这种情况下，超声波传感器仅能够测量储箱中的尿素溶液的液位。在这种情况下，通过将泵转速数值与查询表进行比较来确定尿素浓度。在偏转器以下，液位测量的准确度要差些。本发明的一个有利方面在于：当储箱中的尿素溶液的液位在偏转器之下时，使用所确定的尿素浓度数值(例如基于泵速度数值)来对超声波传感器进行自校准，从而获得更准确的液位测量。

Claims (10)

1.一种用于监控在SCR***的储箱中存储的尿素溶液的尿素浓度的方法，所述***包括由发动机驱动的泵，所述泵的压强由控制器控制，其中所述方法包括以下步骤：
-测量表征由所述发动机传输给所述泵的能量的参数数值；
-基于所述表征由所述发动机传输给所述泵的能量的参数数值，确定尿素浓度数值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述泵为齿轮泵，所述表征由所述发动机传输给所述泵的能量的参数数值为所述泵的转速数值。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述控制器与压强传感器连接，以及所述控制器在回路中将给定的压强设定点数值与所述传感器测量到的数值进行比较，并据此作用于所述泵的转速，以试图将所述压强稳定在所述压强设定点数值。
4.如权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，所述泵的转速由速度传感器测量。
5.如权利要求2和3中任一项所述的方法，其中，所述泵的转速通过使用反电动势法来估计。
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
-生成泵转速数值对应于尿素浓度数值的查询表；
-将所述泵转速数值与所述查询表进行比较；
-据此确定所述尿素浓度数值。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述查询表包括在一个温度范围中的泵转速数值对应于尿素浓度数值。
8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
-借助于传感器测量尿素浓度数值，并且执行以下步骤中的至少一个：
-通过将所测量的尿素浓度数值用作基准来对所确定的尿素浓度数值进行校准；
-将所述所确定的尿素浓度数值与所述所测量的尿素浓度数值进行比较，并且基于所述比较的结果来确定所述所确定的尿素浓度数值的可信度；以及
-将所述所确定的尿素浓度数值与所述所测量的尿素浓度数值进行比较，并且基于所述比较的结果来检测所述传感器是否存在故障。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述传感器是超声波传感器。
10.一种SCR***，包括：
-用于存储尿素溶液的储箱；
-由发动机驱动的泵；
-用于控制所述泵的压强的控制器；
-控制模块，该控制模块包括用于测量表示参数数值的信号的逻辑装置和用于基于所述参数数值确定尿素浓度数值的逻辑装置，其中所述参数数值表征由所述发动机传输给所述泵的能量。
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