CN102812247B - 用于调节scr系统的泵的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于调节SCR系统的马达驱动的泵的方法，所述泵传递压强，承受与该压强相关的液压转矩，也承受阻力转矩，并由电动马达驱动，所述电动马达包括以电流供电的线圈并产生与该电流相关的转矩，根据本方法，为了调节所述泵，利用了用于测量所述马达的线圈中的电流的装置，利用了所述马达所消耗的总电流的调节器，以及利用了所述电流与所述压强之间的关系模型，所述模型使用对所述阻力转矩的一部分（即干摩擦）的估算，所述估算是通过使所述泵在无负载状态下以不同速度转动并检测与之相关电流来获得的。

Description

用于调节SCR系统的泵的方法

本发明涉及用于调节SCR系统的泵的方法，还涉及使得能够应用该方法的系统。

由于关于排放（尤其是重型卡车的排放）的欧IV标准在2005年生效，必须将针对NOx（即氮氧化物）的污染控制的装置落实到位。

大部分重型卡车厂家用于把NO_x排放降低到要求值的系统一般在于利用还原剂比如尿素来进行选择性催化反应（“尿素SCR”，或者使用通过分解尿素在尾气中原地生成的氨的选择性催化还原）。

为此，需要给车辆配备装有尿素溶液的罐、要注入尾气线路的尿素的计量装置、向该尿素注入计量装置供应尿素溶液的装置。通常而言，该供应装置包括由马达驱动的泵。

在现有技术中，提出了多种控制上述泵的运行的系统。

以本申请人名义的申请WO 2008/087153描述了一种控制SCR系统的泵的运行的方法，该泵由电动机驱动并且受控制器控制，根据该方法，ECM（电子控制模块）向控制器发送PWM（脉宽调制）控制信号，该信号的占空比随泵所希望的运行状态而改变，并且根据该方法，控制器作用于电动机以使所述运行状态应用于泵。

在该方法中，为了确保泵尽快和尽可能准确地在运行压强下输送（换言之：泵的出口压强迅速和正确地与ECM发送的设定点压强相一致），控制器被连接至压强传感器，系统还包括压强调节器（一般为PID（即比例-积分-微分）型）和电动机转速控制器。这样，使得能够在环中在合适的情况下（即当泵运行时）将压强设定点值与传感器测量的值进行比较，并据此通过转速控制器来作用于电动机的转速。

一般而言，上述调节器执行希望压强与测得压强之间的比较，并对电动机转速控制器生成误差信号。

尽管在实践中上述方法获得了良好的结果，但其涉及到使用压强传感器，而事实上压强传感器作为一种昂贵的装置，可能占上述系统总成本的很大一部分。

而且，压强传感器常常不太耐冻结，该现象可能导致退化或者引起偏差。不采用压强传感器的控制可避免这个问题。

不过，在某些版本的SCR系统——尤其那些使用有刷或无刷直流马达类型的马达（无刷直流电动马达被称作无刷DC或BLDC马达）的系统中，泵可选地由泵的转子与定子之间的磁性耦合来驱动，该耦合自身连接到马达的机械驱动轴——因此可自动获得关于泵马达的转速和马达线圈中的电流的信息（尤其用于执行对系统的诊断），从而无需安装专门的传感器来测量这些信息。

本申请人曾设想过研究上述信息，并发现基于对电流的测量可以建立在所需压强值附近、公差裕度在±0.5巴以内的压强的映像。

实际上，可以通过下列等式对双向供电、径向、三相的DC马达进行建模：

$u=2\mathrm{Ri}+2(L-M)\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+2e^{\′}---\left(1\right)$

e′＝λω  （2）

C_m=2λi    （3）

$J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=C_m-C_r---\left(4\right)$

其中

-R：是线圈的电阻

-L：线圈的自感系数

-M：一个线圈与其它线圈之间的互感系数

-i：线圈中的恒定换相电流

-e'：反电动势（back-electromotive force）

-ω：转速

-C_m：马达转矩

-C_r：阻力转矩

-λ：针对单相定义的转矩常数。

采用其它类型的DC马达（单向供电、径向、三相；三角形三相；双向供电、径向、四相；等）也可以获得等同的等式。

在一种近似中，如果认为在稳态（非瞬态）下工作，那么等式（1）、（2）、（3）和（4）变为：

$u=2\mathrm{Ri}+2e^{\′}\⇒i=\frac{u-2e^{\′}}{2R}---\left(5\right)$

e′=λω（6）

C_m=2λi （7）

C_m=C_r   （8）

为了验证这些公式，本申请人在多个系统上进行了测试，这些系统的马达、泵、线路等都具有相同的特征。图1示出在两个“不同的”系统（这两个系统的特征完全相同，但其部件不可避免地产生自不同的生产进程）上进行的测试。采用这两个系统，可看出通过为第一系统制造2.5A的电流环调节（样本1），为第二系统制造2.4A的电流环调节（样本2），可得到5巴的压强——一个在实践中通常使用的值。对于这两个系统，如果要使用2.4A的电流控制环调节，则对第二系统会自然地获得5巴，第一系统约为4.75巴。4.75巴的压强是可接受的，因为它落在许多SCR项目中所要求的±0.5巴的公差内。这也适用于使用2.5A的电流值的情况。所以，通过取这两个值之一，至少对于所采用的这两个系统来说，压强会在4.5巴和5.5巴之间变化，从而满足前述的±0.5巴的公差裕度。

对于给定的压强，这两个系统的电流的参考值之间的差异可以用可能不同的机械阻力（例如轴承中的干摩擦）和粘滞摩擦（取决于转速，比如通风引起的阻力）来解释。系统的制造公差也可能导致内部阻力转矩和铁磁损失上的差异。

通过采用第三系统（但这次在实际条件下使用利用电流信息的PID控制器（不启动注入器））的测试可表明：这次采用2.5A的平均电流，压强波动约为0.22巴，给出5.077巴的平均压强。附图2给出该测试的被线性化并重叠在另两个测试的结果（也被线性化）之上的结果。

图3将针对5巴的参考压强（汽车厂家经常需要的压强）进行的3组测试的区域汇总在一起。对于每组测试，都确定了对应于4.5巴的电流最小值和对应于5.5巴的最大值以满足±0.5巴的公差，并绘制了由这些值所界定从而包括了这些值之间的所有泵运行点的矩形区域。这三个区域的交集给出这三个系统可接受的电流裕度（即满足压强设定点公差的运行点）。图3表明，对于设定点为5巴的这3个系统，如果控制环取2.4的参考电流，就可满足±0.5巴的裕度。

事实上，本发明的基本思想可被应用于任何由电动马达驱动的泵。

实际上，对于这种类型的泵，一般Cm=Ch+Cr，其中Cm是马达转矩（即马达为了驱动泵和克服机械和铁磁损失而产生的输入转矩），其与电流成正比，即Cm=K1×I（其中K1=常数）；Ch是液压转矩，其与压强成正比，即Ch=K2×p（其中K2=另一常数）；以及Cr是阻力转矩，其主要产生自泵中的干摩擦和粘滞摩擦，所以对于具有给定的流体的给定的泵而言是常数（不过会随马达转速而稍微变化）。最终，作为第一近似，有：K1×I=K2×p+Cr，即电流与压强之间存在线性关系，这使得本发明适用于上述类型的泵。

如上所述，这仅是一种近似；对于必须在所要求的压强值附近±0.5巴下运行的SCR系统而言，这种近似可能不够准确。

然而，如果能够明确地确定Cr（以便从Cm推算出Cr和获得与压强成正比的液压转矩），那么这种近似至少可以得到明显的改善。事实上，Cr与电流相关，其可根据马达的机械公差、组装、转速等因系统而异，且其等于泵中的干摩擦和粘滞摩擦之和。实践中，通过在系统刚开始加压时在无负载状态下对电流进行测量，可以确定干摩擦的贡献。

对于SCR系统来说，这个过程很容易进行。实际上，在每次关闭马达后，都必须清洗SCR系统，以便在每次启动时泵都是空的且系统都处于无负载状态。为了清洗系统，只需使泵反向转动即可。当马达随后在加压方向上转动时，补充的电流将只归因于液压部分，并与压强相关联（几乎是线性关系）。

可以从泵的耐用度测试（通过考虑阻力随泵老化的变化）中确定粘滞对Cr的贡献。该贡献不包含在本发明的方法中使用的对Cr的估算当中，而是通过如下方式隐含在上述等式（K1×I=K2×p+Cr）中：使常数K1和K2变化，从而所述线性等式/关系事实上变成了更为复杂的关系，这种关系将基于在众多不同的工作状态（将测量电流、压强、泵龄、转速、温度）下、对多个不同的泵获得的众多实验点来建立。为了得到这种关系/模型，可以对所述数据应用LMS（最小二乘法）、加权LMS、神经-模糊（Neuro-fuzzy）等方法，其时机优选地在建立了模型之后。该模型可以是以下类型之一：FIR（有限脉冲响应）、IIR（无限脉冲响应）、Box-Jenkins、ARMAX等。

因此，本发明涉及一种用于调节SCR系统的马达驱动的泵的方法，所述泵传递压强，承受与该压强相关的液压转矩，也承受阻力转矩，并由电动马达驱动，所述电动马达包括以电流供电的线圈并产生与该电流相关的转矩，根据本方法，为了调节所述泵，利用了用于测量所述马达的线圈中的电流的装置，利用了所述马达所消耗的总电流的调节器，以及利用了所述电流与所述压强之间的关系模型，所述模型使用对所述阻力转矩的一部分（即干摩擦）的估算，所述估算是通过使所述泵在无负载状态下以不同速度转动并检测相关电流来获得的。

优选地，对阻力转矩的一部分（即“Cr”）的估算是在对SCR系统的清洗过程中或刚刚清洗完时、或者在所述系统启动时来进行的，所述清洗是通过使泵流反向实现的。在以本申请人名义的申请WO2006/064028中描述了这种清洗方法，因此通过引用将该申请的内容合并于本申请当中。实践中，为了使泵流反向，优选地要么利用能够直接使泵流反向（通过使其转动方向反向）的开关；要么利用通过合适的耦接/线路可产生同样效果的二位四通（4/2-way）阀。在本发明的环境中，使马达在反向上转动的清洗较为优选。

适用于本发明环境中的马达是有刷或无刷的DC马达和AC马达，优选地为感应型。尤其而言，DC马达非常合适。本发明采用磁耦合的DC马达获得了良好的效果。

至于电流测量装置，它们通常包括至少1个电流传感器（或者在上文所述的径向三相马达的情况下甚至包括2个）。

因此，本发明特别涉及如上所述的用于调节泵的方法，其中，所述马达为包括磁线圈的DC马达，根据所述方法，为了调节所述泵的压强，利用了所述马达的线圈中流过的电流的传感器，以及利用了总电流的调节器。

根据第一方面，本发明涉及如上所述的方法，所述方法利用了计算机、所述线圈中流过的电流的传感器、所述马达所消耗的总电流的调节器和马达转速控制器，根据所述方法：

-所述计算机基于压强设定点来计算电流设定点；

-所述电流调节器在环路中将所述电流传感器所测量的电流的实际值与其设定点值进行比较，并根据该比较的结果为所述马达转速控制器生成误差信号，使得该控制器修改所述马达的转速，以将误差最小化。

借助附图4以非限制性方式解释和图示了上述原理，从中可以看出：误差信号一般包括新的马达转速设定点，转速控制器包括速度调节器，该速度调节器将该设定点值与速度传感器所读取的或者从back-EMF即反电动势（对于DC马达，其在上述公式中定义）所计算出的速度的实际值进行比较，并且这也在环中进行。该计算优选地由FCU进行。

电流调节器优选地是PID型，速度调节器优选地也是PID型。也可以使用其它类型的调节器，比如基于模糊逻辑、鲁棒控制、最优控制等的调节器。

根据第二方面，本发明涉及对由DC马达驱动的泵的运行进行控制的方法，所述马达包括磁线圈，所述方法利用了计算机和所述线圈中流过的电流的调节器，其包括以下步骤：

-所述计算机基于压强设定点来计算电流设定点；

-所述电流调节器在环中将所述电流传感器所测量的电流的实际值与其设定点值进行比较，并生成用于施加给所述BLDC马达的线圈的电压的控制信号，使得该控制器修改所述马达的线圈中的电压，以将所述电流设定点与所述电流测量值之间的误差最小化。

该变型基于以下思路：转速控制器并非是必需的，这是因为BLDC马达的线圈中的电压（相）可以/是由电流调节器直接计算，马达转速是所施加的电压的映像。

等式（5）、（6）、（7）和（8）示出为验证上述设想而必须考虑的不同变量。等式（5）中可见，电流是马达的供电电压的函数。在机动车中，该电压可从9V变化到17V，这不能不考虑。本申请人已对不同的供电电压进行了测试，如图5中所示。由于转速控制的原因，这些变化对电流并无影响。实际上，当电压增大时，电流和转速都有增大的趋势，但是由于首先以电流环进行调节（其作用于减小速度设定点（PWM）），然后以转速环进行调节，所以电流没有变化。

对于温度（要考虑的第二参数）也是如此，因为当温度上升时，阻力增大，所以电流（从而压强）有减小的趋势，不过电流控制环将作用于通过提高速度来维持参考电流。

应用了根据本发明的方法的泵可例如是齿轮泵或者隔膜泵。采用齿轮泵，本发明可获得良好的效果。实际上，这种类型的泵使得在两个相反的旋转方向上都能以良好的效率运行：一个方向一般对应于向给料线路供应液体，而另一方向对应于给料线路的清洗。选用磁耦合的齿轮泵尤为有利，因为其可以无需动态密封地工作。

根据上述优选变型，利用电流调节器和通常包括速度调节器的速度控制器来控制泵。

通常而言，ECM通过向计算机发送控制信号来将设定点压强传递给计算机，该控制信号优选地为PWM（脉宽调制）型，并包含关于泵运行状态的信息，与上文提到的通过引用合并于本申请当中的以本申请人名义的国际申请中一样。这些状态应理解为表示设定点压强以及至少一条其它信息，比如它的停止/阻塞、它的旋转方向等。它们优选地是泵所有的运行状态，即：停止、向前驱动、反向驱动、工作压强（泵出口处的）等，以便使泵的运行完全通过单个信号来制约。换言之：控制器接收编码指令（以具有可变的占空比的PWM信号的形式），该编码指令告诉控制器是必须停止泵，还是使其向前旋转、反向旋转以及处于什么压强下，其通过作用于电动马达（即一般通过继而向电动马达发送可以为PWM类型的电压信号）来实现这一点。

本发明环境中的ECM或者是专用于该SCR功能的ECM，或者是集成到内燃机的ECM（或ECU，即发动机控制单元）中的ECM。

以上对于接收压强设定点值并计算对应的设定点电流的计算机而言也成立：其可以集成在ECU内，或者集成在专用于SCR系统的ECM（有时也被称作FCU即法兰控制单元）中，SCR系统的不同的有源部件有时被集成在共用基板上，该基板位于储液罐以内或之上。在该变型中，FCU优选地至少集成有泵速度控制器。

类似地，也可将本发明方法中使用的电流调节器集成到ECU或者FCU内。第二种选择（其中将电流调节器集成到FCU内）较为优选。尤为优选地，将计算机和调节器全都集成到FCU内，而FCU只从单独的ECM接收压强设定点。

在本发明的第一变型中，电流调节器直接计算要发送（一般通过CAN）给速度控制器的速度设定点——这就是附图4图示的变型。在第二子变型中，电流调节器计算速度的修改值（误差信号），然后将其与所存储的前一速度值相加，并将结果发送给速度控制器（这种方法效率更高，因为经过CAN通信，导致控制环具有长响应时间）。这就是附图6图示的本发明的第二变型。

本发明还涉及一种供应液体添加剂给内燃机的尾气的系统，所述系统适合于上文所述的方法，为此，所述系统包括：

-泵，使得能够将所述添加剂从罐输送到所述尾气中；

-有刷DC马达或者BLDC马达，使得能够驱动所述泵；

-用于测量所述马达的线圈中的总供电电流的装置；

-该电流的调节器；

-马达转速控制器；以及

-计算机，用于基于压强设定点来计算电流设定点。

为此，所述计算机优选地使用将阻力转矩随速度的变化性纳入考虑的算法。根据一种尤为优选的变型，该算法还考虑了温度（对粘滞性有严重影响）和/或泵的老化的影响（漂移、超时、对前述参数K1和K2的影响）。

本发明的该变型的范围内所讨论的添加剂优选地是能将内燃机尾气中的NO_x还原的还原剂。其有利地是水溶液形式的氨前驱体。采用尿素与水的低共熔溶液，本发明获得了良好的效果；这种溶液具有如下的标准质量：例如，根据DIN 70070标准，在溶液（市售的水/尿素溶液）的情况下，尿素含量介于31.8%到33.2%之间（按重量计）（即32.5±0.7wt%），所以氨的可用量介于18.0%到18.8%之间。

本发明还可应用于以Denoxium^TM的商业名称售卖的尿素/甲酸铵混合物，其组分之一（Denoxium-30）的含氨量与溶液的相当。后者的优势在于，对于尿素来说，其冰点低至-30°C（对应于-11°C）；但其缺点在于腐蚀问题，从而可能释放出甲酸。

本发明的该变型可应用于任何内燃机。有利地应用于柴油机，尤其是重型货车的柴油机。

优选地，根据本发明该变型的系统一般还配备有能够将添加剂注入尾气中的注入器。该注入器可以采用任何已知类型。例如，其可以是“活动”注入器，也就是说包括计量功能的注入器。

通常，根据本发明的系统包括计算机，该计算机连接至上述注入器，从而允许将所需量的添加剂注入尾气中（尤其根据下列参数：NO_x的排放水平和转化程度；温度和压强；发动机速度和负载等，以及可选地所述参数还包括溶液的质量（老化状态））。

在某些情况下，泵供应的添加剂流没有全部注入尾气中，那么未注入的部分就必须重新循环。有利地，采用回流回路（线路）来实现，该回路包含校准孔（或校准阀）和单向阀。实际上，在本发明的一种优选变型中，泵故意计量出过量（过压）的液体，多余部分通过上述线路回流至罐中。当尿素被注入发动机尾气中时，该变型能够对注入器进行冷却。在该变型中，单向阀被用来防止在清洗过程（可例如通过使泵反向转动来进行）中液体到处循环流动（在供料线路所形成的回流到罐的回路中），而校准孔（限流）被用来设置流量和增大阻力以增大压强（通过增大回流线路中的压强降）。

以本申请人名义的申请WO 2008/155303（通过引用将其合并于本申请中）中特别介绍了上述元件，其原理可应用于本发明的环境中，只是用电流测量代替了压强测量。因此，根据另一方面，本发明还涉及一种用于上述系统的泵的启动的处理，根据所述处理：

1.确定罐中存放的液体的温度（T1），并与设定点温度（T0）相比较；

2.如果温度（T1）大于设定点温度（T0），则开动泵；

3.如果温度（T1）小于或等于设定点温度（T0），则将罐和泵加热t1长的时间；然后

4.开动泵t2长的时间，在此期间通过测量电流来估算泵出口压强。这个阶段之前，可以先排出系统清洗时截留的空气，以及先对线路进行灌注；

5.如果估算出的压强是稳定的并处于可接受的裕度内，则使泵保持运行；

6.如果该压强不稳定或者/并且不在设定点压强的可接受的裕度内，则停止泵，并将罐加热t3长的时间，在该加热结束时重复步骤4和6。

换言之，在本发明的该变型中，在如上文所解释地对泵进行电流方面的调节之前，先如上所述地启动泵，其想法在于：在启动过程的控制中和在泵运行的控制中，均采用电流测量而不是压强测量，其原因见上文解释。

Claims (14)

1.一种用于调节SCR系统的马达驱动的泵的方法，所述泵传递压强，承受与该压强相关的液压转矩，也承受阻力转矩，并由电动马达驱动，所述电动马达包括以电流供电的线圈并产生与该电流相关的转矩，根据本方法，为了调节所述泵，利用了用于测量所述马达的线圈中的电流的装置，利用了所述马达所消耗的总电流的电流调节器，以及利用了所述电流与所述压强之间的关系模型，所述模型使用对所述阻力转矩的一部分的估算，所述估算是通过使所述泵在无负载状态下以不同速度转动并检测与之相关电流来获得的。

2.根据权利要求1所述的方法，根据本方法，对所述阻力转矩的一部分的估算是在对所述SCR系统的清洗过程中或刚清洗完时、或者在所述系统启动时来进行的，所述清洗是通过使所述泵的流反向实现的。

3.根据权利要求2所述的方法，根据本方法，所述清洗是通过使所述泵的转动方向反向来进行的。

4.根据权利要求1所述的方法，根据本方法，所述马达是DC马达，以及根据本方法，为了调节所述泵的压强，利用了所述马达的线圈中流过的电流的电流传感器，和利用了所述总电流的电流调节器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还利用了计算机和马达转速控制器，以及所述方法包括下列步骤：

-所述计算机基于压强设定点来计算电流设定点；

-所述电流调节器在环中将所述电流传感器所测量的电流的实际值与其设定点值进行比较，并根据该比较的结果为所述马达转速控制器生成误差信号，从而该控制器修改所述马达的转速，以使所述电流设定点与所述电流测量之间的误差最小化。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述误差信号包括所述马达的转速的新的设定点，以及，所述转速控制器包括速度调节器，所述速度调节器将该设定点值与速度传感器所读取的或者从所述马达的反电动势计算出的速度的实际值进行比较。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电流调节器和所述速度调节器均为PID型。

8.根据权利要求4所述的方法，利用了计算机和所述线圈中流过的电流的调节器，该方法包括下列步骤：

-所述计算机基于压强设定点来计算电流设定点；

-所述电流调节器在环中将所述电流传感器所测量的电流的实际值与其设定点值进行比较，并生成用于施加给所述DC马达的线圈的电压的控制信号，从而控制器修改所述马达的线圈中的电压，以使所述电流设定点与所述电流测量之间的误差最小化。

9.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，所述泵是齿轮泵。

10.根据权利要求5至8之一所述的方法，其特征在于，所述压强设定点是由ECM传递给所述计算机的，所述ECM向所述计算机发送包含与所述泵的运行状态有关的信息的PWM控制信号。

11.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述电流调节器直接计算要发送给所述转速控制器的所述速度设定点。

12.根据权利要求5至7之一所述的方法，其特征在于，所述电流调节器计算所述速度的修改值，然后将其与所存储的前一速度值相加，并将结果发送给所述转速控制器。

13.一种用于供应液体添加剂给内燃机的尾气的系统，所述系统包括：

-能够将所述添加剂从罐输送给所述尾气的泵，可以通过根据前述权利要求之一所述的方法来调节所述泵；

-有刷DC马达或者BLDC马达，所述马达使得能够驱动所述泵，且所述马达包括线圈；

-用于确定所述马达的线圈中流过的总电流的传感器；

-该电流的调节器；

-马达转速控制器；以及

-计算机，用于基于压强设定点来计算电流设定点。

14.一种用于控制根据权利要求13所述的系统的方法，所述方法使用根据权利要求1至12之一所述的调节方法，并且包括对所述泵的启动的控制，所述控制根据下列步骤：

(1).确定所述罐中存放的液体的温度(T1)，并与设定点温度(T0)相比较；

(2).如果所述温度(T1)大于所述设定点温度(T0)，则开动所述泵；

(3).如果所述温度(T1)小于或等于所述设定点温度(T0)，则将所述罐和所述泵加热t1长的时间；然后

(4).开动所述泵t2长的时间，在此期间通过测量电流来估算泵出口压强；

(5).如果该估算的压强是稳定的并且处于可接受的裕度内，则使所述泵保持运行；

(6).如果该压强不稳定或者/并且不在所述设定点压强的可接受的裕度内，则停止所述泵，并将所述罐加热t3长的时间，在该加热结束时重复步骤4和6。