用于監(jiān)控scr系統(tǒng)的尿素品質(zhì)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于確定流體品質(zhì)的方法。特別地，本發(fā)明涉及一種用于感測(cè)在 SCR系統(tǒng)的儲(chǔ)箱中存儲(chǔ)的尿素溶液中的尿素的濃度/品質(zhì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)于車(chē)輛和重型貨車(chē)的排放的法規(guī)中包括減少氮氧化物NOx向大氣的排放。一 種已知的實(shí)現(xiàn)該目的的方式在于使用選擇性催化還原（英文為"Selective Catalytic Reduction"，縮寫(xiě)為SCR)工藝，該工藝允許通過(guò)將還原劑一一一般為氨一一注入排放線路 中來(lái)還原氮氧化物。該氨可以來(lái)自于氨前驅(qū)體溶液的熱分解，該氨前驅(qū)體溶液的濃度可以 是低共熔濃度。該氨前驅(qū)體一般是尿素溶液。
[0003] 通過(guò)使用SCR工藝，在發(fā)動(dòng)機(jī)中以最佳效率燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量的NOx在離開(kāi)發(fā)動(dòng) 機(jī)之后被在催化劑中加以處理。該處理要求使用濃度精確且品質(zhì)極高的還原劑。溶液由此 被準(zhǔn)確地計(jì)量并注入排放氣流中，在該排放氣流中溶液發(fā)生水解，繼而將氮氧化物NO x轉(zhuǎn)化 為氮?dú)釴2和水H2O。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)該處理，必須給車(chē)輛配備包含添加劑溶液（一般為尿素水溶液）的儲(chǔ)箱， 以及用于計(jì)量所期望量的添加劑并將其注入排放線路中的裝置。
[0005] 重要之處在于能夠測(cè)量尿素的濃度，以確保儲(chǔ)箱中的流體是濃度可接受的尿素。
[0006] 當(dāng)前的SCR系統(tǒng)實(shí)施品質(zhì)傳感器技術(shù)。在SCR系統(tǒng)中引入尿素品質(zhì)傳感器確保了 特定品質(zhì)的尿素能夠被注入排放線路中。這也降低了受到干預(yù)或意外的錯(cuò)誤充裝的風(fēng)險(xiǎn)， 并有助于確保合規(guī)，由此滿足使用者和立法者等所關(guān)心之處。
[0007] 已經(jīng)提出了多種尿素品質(zhì)傳感器。
[0008] 例如，申請(qǐng)US2008/280371描述了一種基于尿素液體中的超聲速的尿素傳感器 (聲音諧振器）。聲音在尿素溶液中的速度可被用于測(cè)量濃度，這是因?yàn)槁曇粼谀蛩厝芤褐?的速度隨尿素溶液的分子重量而變化。尿素溶液分子重量的變化按比例地影響聲速。
[0009] 其他已知的尿素品質(zhì)傳感器基于電容或射頻技術(shù)。
[0010] 這些已知的尿素品質(zhì)傳感器的一個(gè)缺陷在于這些傳感器一般要求顯著的封裝空 間。并且，現(xiàn)有SCR系統(tǒng)中沒(méi)有專(zhuān)用于這些尿素品質(zhì)傳感器的空間和電氣連接，因此難以在 其中布置和使用這些傳感器。另一限制在于，尿素品質(zhì)傳感器的使用導(dǎo)致增大SCR系統(tǒng)的 整體成本。
[0011] 存在對(duì)如下所述的方法的需求：該方法允許精確地確定尿素溶液中的尿素濃度以 便SCR工藝令人滿意地工作，并與所有現(xiàn)有的SCR系統(tǒng)兼容，即可用于這些系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 因此，本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種用于以提高的準(zhǔn)確度和簡(jiǎn)易度來(lái)確定尿素 溶液的品質(zhì)的方法。
[0013] 本發(fā)明的另一方面在于提供一種用于監(jiān)控在SCR系統(tǒng)的儲(chǔ)箱中存儲(chǔ)的尿素溶液 的尿素濃度的方法，所述系統(tǒng)包括由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵，該泵的壓強(qiáng)由控制器控制。該方法包 括以下步驟：
[0014] -測(cè)量表征由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給泵的能量的參數(shù)的數(shù)值；
[0015] -基于該表征由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給泵的能量的參數(shù)的數(shù)值，確定尿素濃度的數(shù)值。
[0016] 本發(fā)明的思路在于通過(guò)監(jiān)控泵的工作情況（例如泵的轉(zhuǎn)速）來(lái)計(jì)算（即確定）尿 素濃度。本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)：對(duì)于給定的泵，在給定的工作條件下（例如維持5bar的恒 定系統(tǒng)壓強(qiáng)），在維持所期望的工作條件所需的泵的工作情況與尿素濃度之間存在直接關(guān) 聯(lián)。尿素溶液的成分（即尿素濃度）的變化體現(xiàn)為尿素溶液的粘度的變化（在某些情況下 還可體現(xiàn)為尿素溶液的密度的變化）。尿素溶液的粘度的變化影響維持所期望的工作條件 所需的泵的工作情況。
[0017] 應(yīng)注意的是，根據(jù)泵的類(lèi)型和泵的調(diào)節(jié)的不同，表征由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給泵的能量的 參數(shù)可能是轉(zhuǎn)速（針對(duì)旋轉(zhuǎn)泵）、頻率（針對(duì)往復(fù)泵）、電流、電壓、扭矩等或這些參數(shù)的任 何組合。
[0018] 在一個(gè)具體實(shí)施例中，測(cè)量以下參數(shù)組：泵輸出流體壓強(qiáng)、泵流體溫度（即泵內(nèi)部 的流體的溫度或進(jìn)入或離開(kāi)泵的流體的溫度）、泵發(fā)動(dòng)機(jī)電流、泵發(fā)動(dòng)機(jī)供電電壓以及泵的 速度。
[0019] 在一個(gè)具體實(shí)施例中，按照時(shí)間順序或基于順序的條件來(lái)對(duì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和比 較。
[0020] 在一個(gè)示例中，在第一時(shí)間測(cè)量第一組參數(shù)，在晚些的第二時(shí)間測(cè)量第二組參數(shù)。 然后，將第一組和第二組參數(shù)與查詢表或模型（如下所述）比較，以確定尿素濃度的數(shù)值。 [0021 ] 本發(fā)明適用的泵是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的、其工作情況一般由控制器控制的泵，優(yōu)選地 為正排量泵。該泵優(yōu)選地為旋轉(zhuǎn)泵（齒輪泵或擺線泵類(lèi)型），因此一般包括定子和轉(zhuǎn)子， 并優(yōu)選地能夠在兩個(gè)相反的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上工作，其中一個(gè)方向一般對(duì)應(yīng)于為饋送線路供應(yīng)液 體，另一方向則一般對(duì)應(yīng)于排空饋送線路。優(yōu)選地，泵為旋轉(zhuǎn)泵，該表征由發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給泵 的能量的參數(shù)的數(shù)值為泵轉(zhuǎn)速的數(shù)值。因此本發(fā)明使用齒輪泵獲得了良好的結(jié)果。
[0022] 在一個(gè)具體實(shí)施例中，泵的轉(zhuǎn)速由霍爾效應(yīng)或其他類(lèi)型的速度傳感器來(lái)測(cè)量。
[0023] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，泵的轉(zhuǎn)速通過(guò)使用反電動(dòng)勢(shì)（"Electro-Motive Force"，縮 寫(xiě)為EMF)的方法來(lái)估計(jì)。該反電動(dòng)勢(shì)方法在本領(lǐng)域中是為人所熟知的，下文不再說(shuō)明。
[0024] 任何類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)都可以適于驅(qū)動(dòng)泵。優(yōu)選地，在齒輪泵的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)屬于無(wú) 刷直流（英文為"brushless direct current"，縮寫(xiě)為BLDC)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)型。在該情況下，泵 由泵的轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)的定子之間的磁耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)。
[0025] 優(yōu)選地，該齒輪泵是受壓強(qiáng)調(diào)節(jié)的。在一個(gè)具體實(shí)施例中，控制器與壓強(qiáng)傳感器連 接。該布置構(gòu)成閉合回路壓強(qiáng)控制機(jī)制。控制器在回路中將給定壓強(qiáng)設(shè)定點(diǎn)的數(shù)值與傳感 器測(cè)量到的數(shù)值進(jìn)行比較，并由此作用于泵的轉(zhuǎn)速，以試圖使壓強(qiáng)穩(wěn)定在壓強(qiáng)設(shè)定點(diǎn)的數(shù) 值。
[0026] 泵的控制器為控制模塊（該控制模塊一般包括PID調(diào)節(jié)器和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器） 和電力供給單元，該電力供給單元優(yōu)選地為發(fā)動(dòng)機(jī)供給使其在所期望的速度下工作所需的 電力，并允許在必要時(shí)反轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
[0027] 優(yōu)選地，該泵還由PWM類(lèi)型的信號(hào)來(lái)控制。最特別地，電子控制模塊（英文為 "Electronic Control Module"，縮寫(xiě)為ECM)向泵控制器發(fā)送脈沖寬度調(diào)制（英文為 "Pulse Width Modulation"，縮寫(xiě)為PWM)控制信號(hào)，該信號(hào)具有隨所期望的泵的工作條件 變化的占空比，控制器根據(jù)該占空比作用于發(fā)動(dòng)機(jī)以將所述工作條件施加給泵。
[0028] 如上所述，本發(fā)明應(yīng)用于SCR系統(tǒng)，該SCR系統(tǒng)的用途在于將污染控制液體注入內(nèi) 燃機(jī)的尾氣中。這種系統(tǒng)一般包括至少一個(gè)用于存儲(chǔ)所述液體的儲(chǔ)箱和允許使用泵將所述 液體傳送給注入裝置的饋送線路（該泵因此布置在該線路中）。本發(fā)明特別適用的一種液 體是尿素。
[0029] 術(shù)語(yǔ)"尿素"應(yīng)理解為任何包含尿素的溶液，其一般為水溶液。本發(fā)明在使用低共 熔水/尿素溶液時(shí)獲得了良好的結(jié)果，針對(duì)該低共熔水/尿素溶液存在標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)：例如，根 據(jù)DIN 70070標(biāo)準(zhǔn)，在AdBIueli溶液（市售尿素溶液）的情況下，尿素濃度（在重量上） 在31.8%至33.2%之間（即32.5+/-0.7￥七％)，因此，氨的可用量在18.0%至18.8%之 間。本發(fā)明也可以應(yīng)用于也呈水溶液形式的以商業(yè)名稱Denoxium?銷(xiāo)售的尿素/甲酸銨混 合物，其組分之一（Denoxium-30)包含與Adblue v?溶液等量的氨。
[0030] 在本發(fā)明的一個(gè)變型中，泵故意地計(jì)量過(guò)多的液體，多余的液體例如通過(guò)使用配 備有經(jīng)校準(zhǔn)的閥門(mén)或經(jīng)校準(zhǔn)的開(kāi)孔的返回（或旁路）線路而回到儲(chǔ)箱。該變型使得在沒(méi)有 尿素被注入引擎的尾氣中時(shí)能夠?qū)Ρ眠M(jìn)行冷卻?；蛘撸祷鼐€路可以起始于注入裝置，這樣 使得能夠?qū)λ鲎⑷胙b置進(jìn)行冷卻。
[0031] 在本發(fā)明的另一變型中，在泵的每次使用之后（正好在關(guān)閉泵之前）排空饋送管 線，以縮短系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間并避免過(guò)早地?fù)p壞線路（因?yàn)槟蛩卦趦鼋Y(jié)時(shí)膨脹）。排空可以例 如通過(guò)使泵反向轉(zhuǎn)動(dòng)將饋送管線中含有的液體送回儲(chǔ)箱所需的時(shí)間來(lái)進(jìn)行。
[0032] 至于返回線路，如果其存在的話，那么一般具有相對(duì)小的體積，因此，如果返回線 路被加熱，那么當(dāng)泵停機(jī)時(shí)返回線路應(yīng)該沒(méi)有被排空。因此，在通過(guò)反轉(zhuǎn)泵的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)排 空時(shí)，為了避免液體在排空期間在由饋送線路和返回線路限定的回路中來(lái)回兜圈，有利地 給返回線路配備止回閥。
[0033] 根據(jù)本發(fā)明，在不干擾SCR系統(tǒng)正常工作的情況下進(jìn)行對(duì)尿素濃度的監(jiān)控，并且 無(wú)需啟動(dòng)會(huì)顯著地干擾SCR系統(tǒng)的正常工作的測(cè)試程序，其中SCR系統(tǒng)正常工作即該系統(tǒng) 持續(xù)地響應(yīng)于信號(hào)，該信號(hào)一般由車(chē)載計(jì)算機(jī)和/或引擎控制單元（即ECU)和/或?qū)Ｓ糜?SCR系統(tǒng)的具有與ECU的接口的電子控制模塊（ECM)傳送，并包括與注入尾氣中以控制其污 染所必需的尿素溶液的量有關(guān)的信息。
[0034] 在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該方法包括生成泵轉(zhuǎn)速數(shù)值對(duì)應(yīng)于尿素濃度數(shù)值的查詢 表。優(yōu)選地，這些速度數(shù)值是絕對(duì)或相對(duì)速度變化。因此，將泵轉(zhuǎn)速數(shù)值與查詢表比較，以 確定尿素濃度數(shù)值。優(yōu)選地，該查詢表包括在一個(gè)溫度范圍中的泵轉(zhuǎn)速數(shù)值對(duì)應(yīng)于尿素濃 度數(shù)值。例如，如果尿素濃度處于預(yù)定工作范圍或預(yù)定閾值之外，就可以向車(chē)載計(jì)算機(jī)和/ 或E⑶和/或ECM發(fā)送信號(hào)。在一個(gè)示例中，如果尿素濃度低于26. 5%，那么就向E⑶發(fā)送 信號(hào)。在另一示例中，工作范圍可以設(shè)置為32. 5% +/-5%。
[0035] 在另一具體實(shí)施例中，該方法包括生成提供泵轉(zhuǎn)速與泵壓強(qiáng)之間的關(guān)系的模型。 有利地，該模型被生成為測(cè)量到的泵流體溫度和泵老化程度的函數(shù)。換句話說(shuō)，該模型隨泵 流體溫度和泵的壽命而變化。
[0036] 并且，本發(fā)明的方法可被用于辨認(rèn)溶液是否是尿素。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施變型中，本發(fā)明的測(cè)量技術(shù)（基于例如泵速度來(lái)測(cè)量尿素濃度）可以 與被配置用于測(cè)量尿素濃度的傳感器結(jié)合地使用。如在下文中所述地，該傳感器還可以被 配置為測(cè)量?jī)?chǔ)箱中的尿素溶液的液位。優(yōu)選地，該傳感器是超聲波傳感器?？梢允褂闷渌?類(lèi)型的傳感器，尤其是電容傳感器。該結(jié)合的思路在于將所計(jì)算（即所確定）的尿素濃度 數(shù)值和所測(cè)量的尿素濃度數(shù)值用于校準(zhǔn)和診斷目的。在一個(gè)有利的實(shí)施例中，所測(cè)量的尿 素濃度數(shù)值可被用作對(duì)所計(jì)算的尿素濃度數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。在該具體情況下，所測(cè)量 的尿素濃度數(shù)值允許例如補(bǔ)償系統(tǒng)的老化程度（泵磨損、過(guò)濾器堵塞、發(fā)動(dòng)機(jī)等）。在另一 有利實(shí)施例中，可將所計(jì)算的尿素濃度數(shù)值與所測(cè)量的尿素濃度數(shù)值比較，以驗(yàn)證所計(jì)算 數(shù)值的可信度。例如，如果所計(jì)算的數(shù)值和所測(cè)量的數(shù)值之差大于預(yù)定閾值，那么就可以向 ECU發(fā)送信號(hào)和/或啟動(dòng)修正措施（例如