CN109838295B - 柴油发动机的尾气后处理***及压力波动幅度确定方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于柴油发动机的尾气后处理***(1)，包括：处理剂箱(2)、计量喷射模块(4)、连接在处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间的供给模块(3)、连接在计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)、用于测量尾气处理剂管(6)内的***压力的压力传感器以及控制器(7)；其中，所述控制器(7)被配置成：从压力传感器获取***压力信号序列，如果供给模块(3)在与所述***压力信号序列对应的时段内满足预定工作条件，则至少基于对所述***压力信号序列进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值确定***压力的由供给模块(3)激励的波动幅度。还公开了一种相应的确定波动幅度的方法。该方法简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种柴油发动机的尾气后处理***以及一种用于确定柴油发动机的尾气后处理***的***压力的由供给模块激励的波动幅度的方法。
背景技术
柴油发动机由于具有可靠性好、热效率高以及输出扭矩大等特性而被广泛用于小型、重型或大型车辆、船舶、发电机以及军用坦克等机器。然而，由于柴油发动机排放的尾气中具有较高含量的氮氧化物，需要通过专用的尾气后处理***对尾气进行处理以后才能排放到大气中，以满足日益严格的环保要求。
换言之，为了减少空气污染，对于柴油发动机的尾气进行后处理已经成为柴油发动机的标准配备。对于尾气的处理，现在一般通过选择性催化还原方法来进行，通过将液态还原剂(通常为尿素水溶液)呈气雾状喷射进入尾气管，通过选择性的催化还原反应，将尾气中的有害气体变成无害气体后排入大气中，从而减少对环境的损害。
为此，尾气后处理***通常包括：用于储存尾气处理剂、尤其是液态还原剂的尾气处理剂箱，用于喷射和计量喷射的尾气处理剂的计量喷射模块，用于从尾气处理剂箱向计量喷射模块供给尾气处理剂的供给模块，以及用于起着控制作用的控制器，其中，所述供给模块通常包括由电机驱动的泵。
一些***功能需要获得由供给模块、更具体讲是泵激励的***压力信号的波动幅度，该***压力信号的波动幅度与***刚度密切相关，***刚度则会显著影响***压力性能。
然而，目前这方面还没有比较可靠、简单的检测方法，一些现有方法需要主动干预***，例如，需要固定供给模块运行速度，例如使电机具有固定的激励频率。因此，在检测过程中，***压力控制是开环方式，这会影响尾气后处理***的准确运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油发动机的尾气后处理***以及一种用于确定柴油发动机的尾气后处理***的***压力的由供给模块激励的波动幅度的方法，以至少部分解决上述技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于柴油发动机的尾气后处理***，包括：处理剂箱、计量喷射模块、连接在处理剂箱与计量喷射模块之间的供给模块、连接在计量喷射模块与供给模块之间的尾气处理剂管、用于测量尾气处理剂管内的***压力的压力传感器以及控制器，其中，所述控制器被配置成：从所述压力传感器获取***压力信号序列，如果供给模块在与所述***压力信号序列对应的时段内满足预定工作条件，则至少基于对所述***压力信号序列进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值确定***压力的由供给模块激励的波动幅度。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定柴油发动机的尾气后处理***的***压力的由供给模块激励的波动幅度的方法，其中，所述尾气后处理***包括：处理剂箱、计量喷射模块、连接在计量喷射模块与供给模块之间的尾气处理剂管、用于测量尾气处理剂管内的***压力的压力传感器以及控制器，所述供给模块连接在所述处理剂箱与计量喷射模块之间，所述方法包括：所述控制器从所述压力传感器获取***压力信号序列；所述控制器判断所述供给模块在与所述***压力信号序列对应的时段内是否满足预定工作条件；以及如果满足预定工作条件，控制器基于对所述***压力信号序列进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值确定所述波动幅度。
根据本发明的一个可选实施例，基于驱动所述供给模块的激励信号的占空比判断述供给模块是否满足预定工作条件。
根据本发明的一个可选实施例，基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值中的最大值确定所述波动幅度；和/或基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值的平均值确定所述波动幅度。
根据本发明的一个可选实施例，将所述***压力信号序列按顺序分成多组子信号序列；将每组子信号序列重复扩展而构造出多组新信号序列；对每组新信号序列进行频域分析，以获得相应的预定频率范围内的频域幅值；以及基于所述相应的预定频率范围内的频域幅值确定所述波动幅度。
根据本发明的一个可选实施例，基于相应的预定频率范围内的频域幅值中的最大值的平均值确定所述波动幅度；和/或基于相应的预定频率范围内的频域幅值的平均值的平均值确定所述波动幅度。
本发明的确定***压力的由供给模块激励的波动幅度的方法简单、可靠。
附图说明
下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机的尾气后处理***的组成示意图。
图2示出了在计量喷射模块未启动的情况下实际测量的***压力信号与预定频率范围内的频域幅值的最大值之间的关系。
图3出了更长检测时间的测量和计算结果。
图4示出了在计量喷射模块以50％的占空比喷射的情况下一段时间内的测量和计算结果。
图5示出了在计量喷射模块未启动的情况下实际测量的***压力信号与计算得出的相应的预定频率范围内的频域幅值的最大值之间的关系。
图6示出了图5中的0-100s范围内的测量和计算结果。
图7示出了在计量喷射模块以50％的占空比喷射的情况下一段时间内的测量和计算结果。
图8示出了图7中的0-100s范围内的测量和计算结果。
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的确定***压力的波动幅度的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的柴油发动机的尾气后处理***的组成示意图。
如图1所示，柴油发动机的尾气后处理***1包括：用于储存尾气处理剂的尾气处理剂箱2、用于从尾气处理剂箱2供送尾气处理剂的供给模块3、用于喷射和计量喷射的尾气处理剂的计量喷射模块4、连接在尾气处理剂箱2与供给模块3之间的输送管路5、连接在供给模块3与计量喷射模块器4之间的尾气处理剂管6以及起着控制作用的控制器7。
尾气处理剂优选为液态还原剂，例如尿素水溶液。供给模块3通常包括泵。工作时，供给模块3通过输送管路5从尾气处理剂箱2内抽吸尾气处理剂，然后通过尾气处理剂管6将尾气处理剂输送到计量喷射模块4进行喷射。
控制器7用于控制柴油发动机的尾气后处理***1中的部件，这些部件可以为供给模块3和/或计量喷射模块4。控制器7还可以通过通信线路接收相应部件、例如一些传感器的工作状态或测量数据，用以监测或控制柴油发动机的尾气后处理***1的工作。所述控制器7还可以是柴油发动机的电子控制单元(ECU)或单独设置的部件。当控制器7为单独设置的部件时，优选可与柴油发动机的电子控制单元通信，以从电子控制单元接收数据和将一些数据传送给电子控制单元。
如图1所示，工作时，供给模块3通常通过PID(比例积分微分)控制将尾气处理剂以目标压力从尾气处理剂箱2向供给模块3下游的尾气处理剂管6供给。在尾气处理剂管6内建立***压力后，计量喷射模块4可根据控制器7的控制命令将尾气处理剂喷射到尾气管中。因此，尾气后处理***内的***压力至少会随着供给模块3的工作特性和计量喷射模块4的喷射特性而变化，即，至少是供给模块3的工作特性和计量喷射模块4的喷射特性的函数。无论计量喷射模块4是否操作，供给模块3始终保持工作，以将***压力保持在设定值(例如5Bar)下。
如上所述，供给模块3的工作特性会影响***压力的变化，因此，从变化频率上讲，***压力的波动频率会在一定程度上反映供给模块3、更具体讲泵的工作频率、即激励频率。由于供给模块3通过PID控制方式进行控制，因此其工作频率(运行速度)不是固定的，而是基于***压力与设定值的偏差进行调节。也就是说，***压力的波动频率会随供给模块3的工作频率而变化。
本发明的目的是检测供给模块3激励产生的***压力信号幅度，即由其引起的***压力的波动幅度。为了测量***压力，优选至少一个压力传感器设置在尾气处理剂管6处，以测量尾气处理剂管6内的***压力。当然也可将压力传感器设置在供给模块3处和/或计量喷射模块4处，只要能够反映尾气处理剂管6内的***压力即可。测量到的***压力信号可被控制器7获取并进行分析。
下面，将结合上述尾气后处理***1详细地描述本发明的基本技术思想和一些示例性细节。
如果***压力以预定频率波动，波动幅度越大，则***压力信号的频域中的该预定频率的幅值也会越大。为此，本发明提出了基于频域幅值间接检测***压力的由供给模块3激励的波动幅度。
在尾气处理剂管6内建立预定的***压力后，尾气后处理***1会进入计量控制状态，此时***压力的波动才有可能真实地反映供给模块3激励产生的***压力波动。为此，需要在尾气后处理***1进入到计量控制状态之后才通过压力传感器测量***压力。在本文中，***压力是指在尾气后处理***1进入计量控制状态之后的尾气处理剂管6内的压力。
在检测时，以预定采样频率fs、例如100Hz连续采集预定时长t、例如5s的***压力信号，从而，获得N＝f*t个采样值pi(i＝1,2,3,…N)。同时，为了提高检测的可靠性和准确性，在采样的同时同步获取驱动供给模块3的激励信号的占空比，只有该占空比或由该占空比获得的供给模块3的瞬时工作频率fi(i＝1,2,3,…N)满足预定条件、例如处于预定范围内才对采集到的***压力信号进行后续的频域分析，否则重新进行采集。
对满足预定条件的***压力信号进行频域分析后可以获得相应的频域幅值Si(i＝1,2,3,…N)。由于供给模块3的工作频率与相应的***压力信号的波动频率存在基本上的对应关系，因此，根据本发明的一个示例性实施例，可以基于供给模块3的工作频率范围确定相应的预定频率范围，然后仅对该预定频率范围的频域幅值进行分析。当然，也可以通过实验、模拟等方法确定所述预定频率范围。
根据本发明的一个示例性实施例，求取预定频率范围内的频率幅值Si的最大值Smax。
经过大量实验发现，预定频率范围内的频率幅值Si的最大值Smax能够至少基本上反映相应时间内的***压力的波动幅度A，两者之间基本成线性关系，以下面的公式(1)表示：
A＝k*Smax (1)
其中，k表示比例系数。
显然，也可以通过实验、模拟或经验构建、例如通过拟合建立预定频率范围内的频率幅值Si的最大值Smax与***压力的波动幅度A的关系。它们之间的关系以下面的通用函数关系式(2)表示：
A＝f(Smax) (2)
其中，f表示函数关系。
因此，在检测过程中，只要确定了Smax，就可以根据公式(2)、特别是公式(1)确定***压力的波动幅度A。
根据本发明的一个示例性实施例，为了进一步提高检测的精度和可靠性，可以将预定频率范围内的频域幅值Si的平均值作为计算***压力的波动幅度A的变量。此时，公式(1)、(2)可能会有所变化。
图2示出了在计量喷射模块4未启动的情况下实际测量的***压力信号与预定频率范围内的频域幅值Si的最大值Smax之间的关系，其中，虚线表示实际测量的***压力信号，实线表示计算得出的预定频率范围内的频域幅值的最大值。从图2可以看出，它们之间虽然有一些延迟，但彼此之间具有很好的跟随性，能够从预定频率范围内的频域幅值的最大值较为准确地确定***压力信号的波动幅度。
图3示出了更长检测时间的测量和计算结果。如上所述，尾气后处理***1的***压力也会随着计量喷射模块4的喷射特性而变化。图4示出了在计量喷射模块4以50％的占空比喷射的情况下一段时间内的测量和计算结果。从图4也可以看出，即使计量喷射模块4处于工作状态，实际测量的***压力与计算得出的预定频率范围内的频域幅值Si的最大值Smax之间也具有很好的跟随性。
为了进一步提高检测的精度和可靠性，根据本发明的一个示例性实施例，可以将采集到的***压力信号的采样值pi(i＝1,2,3,…N)分成、优选均分成n组。例如，可以将500个采样值顺序均匀地分成50组，每组包括10个采样值。信号长度的缩短能够更好地反映信号的瞬时性。
然而，信号长度的缩短会降低频域变换、例如离散傅里叶变换(DFT)的精度。为此，根据本发明的一个示例性实施例，将每组采样值重复扩展m(m为整数)倍而构建更长长度的信号序列。通过对扩展后的信号序列进行DFT变换，一方面可以提高变换精度，同时又能如上所述更好地反映信号的瞬时性。
根据本发明的一个优选示例性实施例，使每组采样值优选重复扩展到初始信号长度。例如，如上所述，可以将500个采样值按顺序均匀地分成50组，每组包括10个采样值，然后使每组采样值再重复复制49次而形成包括500个采样值的信号序列(即，扩展了50倍)。
然后，如上所述，求取每组信号的相应的预定频率范围内的频域幅值的最大值
显然，本领域的技术人员可以理解，对于每组信号，也可以求取相应的预定频率范围内的频域幅值的平均值。
根据本发明的一个示例性实施例，在求取每组信号的相应的预定频率范围内的频域幅值的最大值
之后，求取它们的平均值作为公式(1)和(2)中的Smax，即，
在获得Smax之后，通过公式(2)、特别是公式(1)可以计算***压力的波动幅度。
类似地，根据本发明的一个示例性实施例，也可将每组信号的相应的预定频率范围内的频域幅值的平均值的平均值作为计算***压力的波动幅度A的变量。
图5示出了在计量喷射模块4未启动的情况下实际测量的***压力信号与根据公式(3)计算得出的Smax之间的关系，其中，虚线表示实际测量的***压力信号，实线表示计算得出的Smax。从图5可以看出，它们之间虽然有一些延迟，但彼此之间具有相对更好的跟随性，能够从相应的频域幅值较为准确地确定***压力的波动幅度。
为了更清楚起见，图6示出了图5中的0-100s范围内的实际测量的***压力信号与根据公式(3)计算得出的Smax之间的关系。可以看出，它们之间具有非常好的跟随性，能够从相应的频域幅值较为准确地确定***压力的波动幅度。
图7示出了在计量喷射模块4以50％的占空比喷射的情况下一段时间内的测量和计算结果，其中，虚线表示实际测量的***压力信号，实线表示根据公式(3)计算得出的Smax。从图7也可以看出，即使计量喷射模块4处于工作状态，实际测量的***压力与计算得出的Smax之间也具有很好的跟随性。
类似地，为了更清楚起见，图8示出了图7中的0-100s范围内的实际测量的***压力信号与根据公式(3)计算得出的Smax之间的关系。
以上虽然以DFT为例详细描述了本发明，但对于本领域的技术人员来说，显然，也可以使用快速傅里叶变换(FFT)或戈泽尔算法等进行频域分析。而且，为了减少计算量，可以仅求取预定频率范围内的频域幅值。
图9示出了根据本发明的一个示例性实施例的检测***压力的波动幅度的流程图。
如图9所示，检测过程以步骤S1开始。如果在步骤S1中确定要进行***压力的波动幅度检测，则继续到步骤S2。在步骤S2中，在满足预定条件下采集一段连续的***压力信号。例如，如上所述，只有供给模块3的激励信号的占空比或由该占空比推导出的瞬时工作频率在相应的预定范围内，才允许对所采集的***压力信号进行进一步的频域分析来检测***压力的波动幅度。
在步骤S3中，对***压力信号进行频域分析，以获取***压力的波动幅度。例如，如上所述，可以对整个一段***压力信号进行频域分析，求取预定频率范围内的频域幅值的最大值Smax或平均值；或者对所述一段***压力信号按顺序分组，然后对各组信号进行重复扩展分别构造出一段新的***压力信号序列，最后分别对构造出的新的***压力信号序列进行频域分析求取***压力的波动幅度。
在步骤S4中，根据公式(2)、特别地根据公式(1)求取***压力的波动幅度。
以上结合图9描述的仅是一个示例性实施例，对于本领域的技术人员来说，在本发明的技术思想的指引下，完全可以省去、改变和/或引入新的中间步骤。
本发明的基本思想是通过对***压力信号进行频域分析获得的频域幅值来检测由供给模块、特别是泵激励产生的***压力的波动幅度。本发明的尾气后处理***和相应的检测方法简单、运行可靠。
尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。
Claims (10)
1.一种用于柴油发动机的尾气后处理***(1)，包括：
处理剂箱(2)；
计量喷射模块(4)；
连接在处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间的供给模块(3)；
连接在计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)；
用于测量尾气处理剂管(6)内的***压力的压力传感器；以及
控制器(7)；
其中，所述控制器(7)被配置成：从所述压力传感器获取***压力信号序列，如果供给模块(3)在与所述***压力信号序列对应的时段内满足预定工作条件，则至少基于对所述***压力信号序列进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值确定***压力的由供给模块(3)激励的波动幅度，以及
其中，基于驱动所述供给模块(3)的激励信号的占空比判断述供给模块(3)是否满足预定工作条件。
2.如权利要求1所述的尾气后处理***(1)，其特征在于，
基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值中的最大值确定所述波动幅度；和/或
基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值的平均值确定所述波动幅度。
3.如权利要求2所述的尾气后处理***(1)，其特征在于，
将所述***压力信号序列按顺序分成多组子信号序列并将每组子信号序列重复扩展而构造出多组新信号序列，然后基于对每组新信号序列分别进行频域分析所获得的相应的预定频率范围内的频域幅值确定所述波动幅度。
4.如权利要求3所述的尾气后处理***(1)，其特征在于，
基于相应的预定频率范围内的频域幅值中的最大值的平均值确定所述波动幅度；和/或
基于相应的预定频率范围内的频域幅值的平均值的平均值确定所述波动幅度。
5.如权利要求1-4中任一项 所述的尾气后处理***(1)，其特征在于，
所述尾气处理剂为还原剂；和/或
所述供给模块(3)包括泵；和/或
所述控制器(7)为单独设置的控制器或所述柴油发动机的电子控制单元。
6.一种用于确定柴油发动机的尾气后处理***(1)的***压力的由供给模块(3)激励的波动幅度的方法，其中，所述尾气后处理***(1)包括：处理剂箱(2)、计量喷射模块(4)、连接在计量喷射模块(4)与供给模块(3)之间的尾气处理剂管(6)、用于测量尾气处理剂管(6)内的***压力的压力传感器以及控制器(7)，所述供给模块(3)连接在所述处理剂箱(2)与计量喷射模块(4)之间，所述方法包括：
所述控制器(7)从所述压力传感器获取***压力信号序列；
所述控制器(7)判断所述供给模块(3)在与所述***压力信号序列对应的时段内是否满足预定工作条件；以及
如果满足预定工作条件，控制器(7)基于对所述***压力信号序列进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值确定所述波动幅度，
其中，基于驱动所述供给模块(3)的激励信号的占空比判断述供给模块(3)是否满足预定工作条件。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
通过离散傅里叶变换对所述***压力信号序列进行频域分析。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，
基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值中的最大值确定所述波动幅度；和/或
基于对所述***压力信号序列整体进行频域分析所获得的预定频率范围内的频域幅值的平均值确定所述波动幅度。
9.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，
将所述***压力信号序列按顺序分成多组子信号序列；
将每组子信号序列重复扩展而构造出多组新信号序列；
对每组新信号序列进行频域分析，以获得相应的预定频率范围内的频域幅值；以及
基于所述相应的预定频率范围内的频域幅值确定所述波动幅度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
基于相应的预定频率范围内的频域幅值中的最大值的平均值确定所述波动幅度；和/或
基于相应的预定频率范围内的频域幅值的平均值的平均值确定所述波动幅度。
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