一種數(shù)字流體計量裝置及控制方法
【專利摘要】一種數(shù)字流體計量裝置及控制方法，包括一個執(zhí)行器，一個控制器，所述執(zhí)行器包括一個柱塞泵組件，控制器包括一個微處理器和一個通訊模塊，執(zhí)行器與控制器可一體化設(shè)計。所述微處理器通過通訊模塊從上位機獲得計量目標(biāo)值，以閉環(huán)控制的方式驅(qū)動執(zhí)行器工作。本發(fā)明之目的在于提供一種通用性強和驅(qū)動方式簡單的執(zhí)行器方案以及統(tǒng)一的控制計量方法。
【專利說明】
一種數(shù)字流體計量裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于液體計量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是與發(fā)動機有關(guān)的液體噴射計量技術(shù)，具體涉及發(fā)動機燃油噴射裝置，發(fā)動機尾氣凈化N0X選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，以及柴油發(fā)動機排氣顆粒物過濾收集器(DPF)的燃油噴射再生系統(tǒng)及其控制方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]液體噴射計量在化工、醫(yī)療和動力機械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其涉及內(nèi)燃機動力的多項核心技術(shù)。在發(fā)動機領(lǐng)域，與液體噴射計量相關(guān)的具體技術(shù)包括但不限于:發(fā)動機電子燃油噴射系統(tǒng)，包括缸內(nèi)直噴(GDI)和缸外噴射(MPI)，發(fā)動機尾氣凈化氧化氮選擇性催化還原(SCR)尿素水溶液噴射系統(tǒng)，柴油機尾氣排放顆粒物過濾(DPF)再生燃油噴射系統(tǒng)。
[0003]所有這些技術(shù)，都涉及液體的計量噴射及控制問題，對汽油噴射技術(shù)，需要噴射計量并反饋控制汽油噴射量；對DPF再生技術(shù)，需要噴射計量在DPF上游排氣管霧化噴入的柴油量；而對SCR技術(shù)，需要在SCR催化器上游計量噴射NOx選擇性還原劑，例如32.5%重量濃度的尿素水溶液(也叫柴油排氣處理液DEF=Diesel Exhaust Fluid，或者添藍液AdBlue)。
[0004] DEF進入發(fā)動機排氣管后，通過排氣高溫分解成氨氣，與排氣混合后進入SCR催化轉(zhuǎn)換器。在催化劑的作用下，氨氣就會與發(fā)動機排氣中的NOx等發(fā)生催化還原反應(yīng)，使NOx 分解為無害的N2、H20。如果DEF噴射量與排氣中的NOx含量不相匹配，那么要么NOx不能夠被充分還原分解，排放量增加，要么剩余不少氨氣排到大氣中，造成二次污染。因此SCR 系統(tǒng)必然需要精度較高的SCR計量噴射裝置。
[0005]對于柱塞-套筒栗結(jié)構(gòu)，美國專利US20090301067A1公開了一種DEF噴射計量裝置，其計量噴射裝置是一個螺線管驅(qū)動的柱塞栗噴嘴，安裝在排氣管上，需要外加一個低壓栗為其從DEF儲液罐提供工作液體，并且需要采取冷卻措施才能正常工作。
[0006] DPF再生燃油的噴射，為了提高燃燒效率以最少的燃油消耗獲得最高的DPF溫度達到燒掉收集的碳煙等顆粒物的目的，噴射的柴油必須霧化良好。然而，現(xiàn)有技術(shù)多數(shù)采用低壓的噴射技術(shù)。例如，美國專利(公開號:US2007/0033927)公開的技術(shù)方案借用了汽油進氣口噴射系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)計量燃油，噴射壓力相對比較低。
[0007]總體來說，與發(fā)動機相關(guān)的噴射計量技術(shù)可分為三種不同的類型:嘴端控制，栗端控制和嘴-栗端混合控制。其中，嘴端控制已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于燃油進氣口噴射系統(tǒng)，嘴-栗混合控制已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，栗端控制被應(yīng)用于缸內(nèi)燃油直噴、單缸汽油機燃油噴射和SCR系統(tǒng)等。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)很難將以上應(yīng)用統(tǒng)一到一種類型的執(zhí)行器和計量方法上。其中一個根本性的原因在于:普遍應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)式低壓汽油栗不能處理導(dǎo)電介質(zhì)，如尿素水溶液等。而另外一種螺線管柱塞栗雖然可以處理導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體，卻存在精確計量困難的問題。
[0009]此外，螺線管柱塞栗其控制單元集成于E⑶控制器之上，雖然從一定程度簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但造成了柱塞栗難以成為一個通用件使用以及控制器生產(chǎn)效率低等問題。
[0010]對于螺線管裝置的控制，最常見的是采用PWM驅(qū)動方式，這種方式如果不對螺線管的執(zhí)行結(jié)果進行反饋修正，會產(chǎn)生目標(biāo)與結(jié)果的不一致，往往不能完全覆蓋因為液體狀態(tài)的改變(例如出現(xiàn)兩相流等)、驅(qū)動電壓的改變和螺線管阻值的改變等因素對執(zhí)行結(jié)果的影響。
[0011]螺線管柱塞栗可以細(xì)分為兩種不同的結(jié)構(gòu)，一種是柱塞運動的柱塞-套筒栗， 另一種是套筒運動的套筒-柱塞栗。關(guān)于用于壓送燃油的柱塞-套筒栗，美國專利 20030155444A1公開了一種計量控制方法，S卩，通過預(yù)測柱塞的位置來預(yù)測燃油噴射量的方法。然而，由于燃油，尤其是汽油的揮發(fā)性很強，進入柱塞套中的流體通常會包含一定的蒸汽或者空氣，燃油的噴射量與柱塞的位置并非存在一一對應(yīng)的關(guān)系。另外，預(yù)測柱塞的位移如同預(yù)測燃油噴射量一樣有難度，在實施上會存在一定的困難。
[0012]因此，對于計量噴射裝置，無論是柱塞-套筒栗或是套筒-柱塞栗，提出能夠同時滿足多個目標(biāo)的簡潔結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方式，以及統(tǒng)一的計量方法和通用的驅(qū)動方式是非常有價值的一項工作。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明針對上述問題，之目的在于提供一種通用性強和驅(qū)動方式簡單的執(zhí)行器方案以及統(tǒng)一的控制計量方法。這些技術(shù)方案和控制方法可以廣泛應(yīng)用于發(fā)動機尾氣凈化 SCR和DPF系統(tǒng)中的液體噴射系統(tǒng)的設(shè)計，火花點火發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括進氣口和缸內(nèi)直噴兩種系統(tǒng)。
[0014]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，即，一種數(shù)字流體計量裝置及控制方法，包括一個執(zhí)行器，一個控制器，所述執(zhí)行器包括一個柱塞栗組件，控制器包括一個微處理器和一個通訊模塊，微處理器包含執(zhí)行器特征信息，執(zhí)行器與控制器可一體化設(shè)計。所述微處理器通過通訊模塊從上位機獲得計量目標(biāo)值，以閉環(huán)控制的方式驅(qū)動執(zhí)行器工作。
[0015]所述執(zhí)行器應(yīng)用時應(yīng)包括一個噴嘴，液體在柱塞栗組件的驅(qū)動下，通過噴嘴輸出， 即形成噴射，執(zhí)行器的輸出可以用每脈沖的體積或者質(zhì)量流量進行計量。
[0016]所述柱塞栗組件包括柱塞和套筒，柱塞和套筒之一為運動部件，兩者配合形成壓送容積，運動部件在外力的作用下相對靜止部件作往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化，以實現(xiàn)溶液噴射。所受外力包括驅(qū)動力和反向作用力。所述驅(qū)動力可以由螺線管裝置提供，所述螺線管裝置包括線圈、磁輒、磁阻和電樞，其中磁輒與電樞由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，磁阻由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成。所述反向力可以由連接于運動件之上的回位彈簧產(chǎn)生。
[0017]方案之一:上述運動部件為套筒，即，所述套筒在螺線管裝置和回位彈簧的驅(qū)動下往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化，套筒與電樞可設(shè)計成一體，由相同或不同材料制成。
[0018]方案之二:上述運動部件為柱塞，S卩，所述柱塞在螺線管裝置和回位彈簧的驅(qū)動下往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化。柱塞與電樞通過連接件或焊接方式連接，電樞大致為一個圓柱體，電樞包括貫通兩端面的通孔。所述通孔可以具有一定的錐度，帶錐度的孔向溶液壓送方向擴展，用于實現(xiàn)溶液在內(nèi)部空間的定向流動，以冷卻脈沖栗和提高其工作的穩(wěn)定性。
[0019]上述方案中，執(zhí)行器特征信息包括:因結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的流量特性變化的信息，因材料特性的差異導(dǎo)致的流量特性變化的信息，因驅(qū)動電壓不同導(dǎo)致的流量特性變化的信息等。流量特性是指每脈沖流量與輸入量之間的關(guān)系，例如輸入驅(qū)動脈寬，輸入能量等物理變量。所述微處理器為螺線管裝置提供驅(qū)動信號，微處理器包括一個計算執(zhí)行器有效輸出功的過程，所述有效輸出功是指直接對壓送容積中的液體加壓并形成噴射所需要的能量。有效輸出功的計算過程具體包括計量控制器輸出總能量的步驟，進一步地，包括計算執(zhí)行器耗散能的步驟，再進一步地，包括計算執(zhí)行器內(nèi)部儲能的步驟。這樣，執(zhí)行器的有效輸出功 =計量控制器輸出的總能量-執(zhí)行器內(nèi)部(螺線管電阻)耗散功-執(zhí)行器之螺線管裝置電感儲能-液體流動阻力功耗-回位彈簧儲能，上述公式中的等號右邊各項，除第一項外，都可以做近似處理，也可以近似地忽略不計。
[0020]所述螺線管裝置的狀態(tài)參數(shù)可選擇為:通過線圈的電流和線圈兩端的電壓。
[0021]具體地，通過所監(jiān)測到的線圈的電流與線圈兩端電壓之乘積對時間積分來逼近計量控制器輸出總能量，用所監(jiān)測到的線圈的電流的平方與螺線管電阻之乘積對時間積分逼近線圈電阻功耗，用所監(jiān)測的螺線管電流計算螺線管裝置電感儲能。關(guān)于液體的流動阻力功耗與回位彈簧的儲能，可以簡單地處理為:在噴射開始后與噴射量成線性關(guān)系。上述的能量平衡關(guān)系，可以用以下數(shù)學(xué)方式表達:設(shè)，Q-液體的噴射量；Wn為螺線管裝置的有效輸出功；Et對螺線管裝置輸入的總能量，EtO為截至噴射開始對應(yīng)的Et ;Er為線圈電阻能耗，ErO為截至噴射開始對應(yīng)的Er ;Ein為當(dāng)前螺線管裝置的電感儲能，EinO為噴射開始時對應(yīng)的Ein ;Wr為流體阻力功耗，WrO為截至噴射開始對應(yīng)的Wr ;Es為回位彈簧的儲能，EsO為開始噴射時回位彈簧的儲能，Esi為線圈加電時回位彈簧的預(yù)儲能。
[0022]那么，Wn=n *Q，n為有效輸出功與噴射量之間的比例系數(shù)， ffn=Et-Er-Ein-ffr- (Es-Esi),EtO=ErO+EinO+ffrO+ (Es〇-Esi),或者，Wn= (Et-EtO) - (Er-ErO) - (Ein-EinO) - (Wr-WrO) - (Es-EsO)，各項具體的表達式為:Et=int (Id ? Vd)，Id為通過線圈的電流，Vd為線圈兩端的電壓，Er=int (Id2 ? r)，r為線圈的電阻，Ein=L，Id2/2，L為螺線管裝置的電感，Es=K ? X2/2, K為回位彈簧的彈性系數(shù)，X為彈簧的壓縮量，以上，int代表線圈通電后對時間的積分；因此，Q=ri ?[ (Et-Et0)-(Er-Er0)-(Ein-Ein0) -(Wr-WrO)- (Es-EsO)]上述公式之右邊各項所包含的變量均為可實時監(jiān)測的螺線管裝置的狀態(tài)參數(shù):Id，Vd，常數(shù):r，K，L，以及待定系數(shù)n。其中，n可以通過流量的實際測量進行標(biāo)定，如果上述物理關(guān)系比較完備，n應(yīng)該是一個常數(shù)；L可以通過理論計算或者也可以視為待定系數(shù)，通過多點狀態(tài)參數(shù)實際測量進行標(biāo)定。
[0023] 根據(jù)實踐，將回位彈簧的儲能(Es-EsO)處理為與Q成比例也是合理的，這樣關(guān)于噴射量的公式就不顯含回位彈簧儲能這一項了。
[0024] 進一步，可以將Er-ErO、Ein-EinO和Wr-WrO分別或者同時簡單地處理為與噴射量 Q成正比，這樣噴射量的表達可以大為簡化，即，Q= (Et-Et0)/y，y為一個待定系數(shù)，可通過流量測量標(biāo)定。這種簡化模型相當(dāng)于用電流與電壓之乘積對時間積分來擬合噴射流量。
[0025]以上，關(guān)于液體的流體阻力功耗，也可以采用進一步的細(xì)化的模型進行逼近，例如，阻力與相對流速的平方成正比，所涉及的待定系數(shù)可以通過執(zhí)行器的多點流量測試進行標(biāo)定。
[0026] 執(zhí)行器的特征信息可以是每脈沖流量與有效輸出功之間的關(guān)系，這些特征信息經(jīng)過流量測量設(shè)備的標(biāo)定，均可以存儲在所述微處理器中，以此來解決生產(chǎn)一致性問題。實際操作中，微處理器可以僅僅儲存各種待定系數(shù)，其等同于執(zhí)行器的特征信息。
[0027]實現(xiàn)所述執(zhí)行器單位時間內(nèi)噴射的流量目標(biāo)，一種可選擇的控制模式是:保持執(zhí)行器單脈沖的噴射量不變，即固定每脈沖執(zhí)行器有效輸出功，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器工作頻率來實現(xiàn)目標(biāo)。另一種可選擇的控制模式是:保持執(zhí)行器工作頻率不變，通過改變其有效輸出功的方式實現(xiàn)目標(biāo)。也可以采用兩者結(jié)合的方式，即通過同時或者分別調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作頻率和每脈沖執(zhí)行器的噴射量(執(zhí)行器有效輸出功)的方式來實現(xiàn)所述流量目標(biāo)。
[0028] 本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，可以應(yīng)用但不限于以下三個方面， 即，發(fā)動機管理系統(tǒng)之燃油噴射計量裝置，發(fā)動機后處理SCR系統(tǒng)之尿素水溶液噴射計量裝置，發(fā)動機后處理DPF系統(tǒng)之主動再生燃料噴射計量裝置。其他的應(yīng)用還有，發(fā)動機燃料添加劑定量噴射混合裝置，發(fā)動機低溫啟動輔助燃燒噴射裝置等。
[0029] 本發(fā)明之?dāng)?shù)字流體計量裝置既可以置于儲液箱內(nèi)部，也可以置于儲液箱之外部。 將數(shù)字流體計量裝置布置于儲液箱外部時，所述執(zhí)行器可與控制器合為一體，上位機只需傳輸簡單的需求量信息。
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述?！靖綀D說明】
[0031]圖1為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置之實施例一之結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置之實施例二之結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置之實施例三之結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置之閉環(huán)控制邏輯圖。
[0035]圖5為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置及控制方法應(yīng)用于發(fā)動機電噴系統(tǒng)之示例。
[0036]圖6為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置及控制方法應(yīng)用于SCR系統(tǒng)之示例。
[0037]圖7為本發(fā)明提供的數(shù)字流體計量裝置及控制方法應(yīng)用于DPF再生系統(tǒng)之示例。具體實施例
[0038]如圖1所示，為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置1之實施例結(jié)構(gòu)示意圖，包括執(zhí)行器2和控制器4。所述控制器4包括一個微處理器10和一個通訊模塊11，執(zhí)行器2與控制器4可一體化設(shè)計。所述微處理器10通過通訊模塊11從上位機6獲得計量目標(biāo)值，以閉環(huán)控制的方式驅(qū)動執(zhí)行器2工作。
[0039]所述執(zhí)行器2為一個螺線管柱塞栗，包括螺線管裝置3,柱塞栗組件5,回位彈簧 16,栗端7,過濾器8,低壓容積17以及輸出端殼體13。
[0040]螺線管裝置3包括線圈19,內(nèi)磁輒20,外磁輒15,外磁輒端部14,磁隙18和電樞 29。外磁輒15通過凸起15a的塑性變形與外磁輒端部14鎖緊，同時線圈19也被固定在其中。電樞29,外磁輒15、外磁輒端部14、內(nèi)磁輒20均由導(dǎo)磁材料制成，磁隙18為非導(dǎo)磁材料。電樞29開有若干個沿周向分布的直槽29a，以減少往復(fù)運動的阻力。
[0041]柱塞栗組件5包括套筒28,柱塞12,進液閥26和出液閥30。套筒28與柱塞12密切配合，形成壓送容積21。所述套筒28可與電樞29設(shè)計為一體，并采用相同或者不同的材料，套筒28位于電樞29內(nèi)側(cè)，包括進液道28a，柱塞孔28b。柱塞12包括一個出液道12a， 一個位于出液道12a下游的限流孔12b。進液閥26和出液閥30均為單向閥。所述進液閥 26由進液閥件24、進液閥簧27以及進液閥座25組成，閥座25可與套筒28連為一體，為一個位于進液道28a處并與之連通的圓錐形座面。所述出液單向閥30包括出液閥件31，出液閥簧33和出液閥座32。出液閥座32固定在柱塞12上，固定可以采用緊配或者焊接等方式。液體從進液閥28a進入壓送容積21，套筒28在螺線管驅(qū)動力和回位彈簧力的作用下往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積21大小交替變化。
[0042]栗端7包括一個栗端進液口 23, 一個支撐桿23a和一個限位件23b，進液道28a允許支撐桿23a伸入并接觸到進液閥件24,限位件23b用于限制電樞29回位，在電樞29離開栗端7的一段距離內(nèi)，支撐桿23a保持與進液閥件24接觸并阻止其落座，這樣一方面可以在電樞29回位到初始位置時，單向閥26保持開啟狀態(tài)，使得液體有更充足的時間進入壓送容積21，另一方面，在電樞29離開栗端7前行運動的一段距離內(nèi)，壓送容積21內(nèi)的氣體可以繼續(xù)通過單向閥26排出，從而保證了液體的計量精度。
[0043]過濾器8安裝于栗端進液口 23處，包括內(nèi)部骨架34，過濾網(wǎng)布35，過濾器內(nèi)腔36。 液體經(jīng)過濾器過濾8后由栗端進液口 23進入。
[0044]所述控制器4通過注塑或機械裝配等方式布置于外磁輒的一側(cè)，與執(zhí)行器2合為一體。
[0045]所述數(shù)字流量計量裝置1之工作過程如下。
[0046]首先通過流量標(biāo)定設(shè)備將流量隨驅(qū)動脈寬變化的流量特性存儲在所述微處理器 10中，微處理器10同時還存儲了不同電壓條件下的流量特性信息。
[0047]在運動初始位置，由于回位彈簧16的作用與限位件23a靠緊，此時單向閥26由于支撐桿23b作用處于開啟狀態(tài)，壓送容積21中充滿液體?？刂破?之通訊模塊11接收來自上位機6流量需求信號，傳送給微處理器10。微處理器10根據(jù)存儲的流量特性信息(即執(zhí)行器2特征信息)確定驅(qū)動信號，并驅(qū)動執(zhí)行器2工作，電樞29在電磁力的作用下連同套筒28開始向前運動，壓送容積21中的部分流體通過進液道28a排出，其中包括部分氣體。 電樞29繼續(xù)運動，壓送容積21不斷減小，當(dāng)單向閥件24之球表面落座于錐形閥座時，進液單向閥26關(guān)閉，壓送過程開始。壓送容積21中的液體壓力逐漸升高，當(dāng)作用于出液閥件31 的壓力可以克服出液單向閥彈簧33之作用力時，出液單向閥30開啟，液體進入出液道12a以及限流孔12b。
[0048]當(dāng)作用在電樞29上的電磁力消失后，在回位彈簧16的作用下電樞29開始回位行程，此時，因壓送容積21的膨脹導(dǎo)致壓力下降繼而出液單向閥30關(guān)閉，電樞29繼續(xù)運動一定行程后，進液閥件24的運動被支撐桿23b阻擋，液體在壓差的作用下迅速進入壓送容積 21，當(dāng)電樞29的繼續(xù)回位被限位件23a阻擋而終止，本次循環(huán)結(jié)束。
[0049]在上述工作過程中，液體從過濾器8內(nèi)腔36通過栗端進液口 23進入整個電樞29 空間，并通過進液道28a進入壓送容積21，因電能的耗散發(fā)熱，導(dǎo)致部分液體在電樞空間22 中蒸發(fā)，所蒸發(fā)的蒸汽從低壓容積17進入回液通道39,并通過位于輸出端殼體13上的排氣泡口 37排出體外。所述排氣泡口 37包含一個安裝臺階38,可用于安裝排氣泡管，使氣體更有效的排出栗體。
[0050]上述，回液通道39中可設(shè)有單向閥39a，例如膜片閥，以造成非對稱阻力，當(dāng)電樞 29往復(fù)運動引起液體流動時，形成朝回液方向的凈流量。
[0051]圖2所示，為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置之實施例結(jié)構(gòu)示意圖之二，與圖1所提供實施例之主要區(qū)別在于:本實施例之執(zhí)行器2采用了柱塞12與電樞29同步運動，而套筒28固定不動的結(jié)構(gòu)。電樞29大致為一個圓柱體，包括貫通兩端面的通孔40。所述通孔可以具有一定的錐度，帶錐度的孔40向液體壓送方向擴展，以實現(xiàn)液體在內(nèi)部空間的定向流動，同時，冷卻執(zhí)行器2和提高其工作的穩(wěn)定性。
[0052]所述電樞29與柱塞12可以是一個整體，也可以通過連接件41進行運動傳遞。所述套筒28設(shè)有側(cè)向溢流孔43和軸向的柱塞孔42連通，套筒28同軸固定在輸出端殼體13 上。柱塞12精密滑動配合裝在套筒28內(nèi)，其上部通過連接件41與電樞29始終接觸。溢流孔43與柱塞端面12c形成進液滑閥44。出液閥45由出液閥件47、出液閥簧46和出液閥座48組成，出液閥座48為一個與出液閥件47配合的錐面，位于套筒28末端處?；匚粡椈?6設(shè)置在柱塞12和電樞29空間底部之間。
[0053]所述執(zhí)行器2包含一個帶進液道52的進液容積50，進液容積50通過密封墊49以及后蓋51鎖緊密封，過濾器8位于進液容積50內(nèi)。由進液道52進入的溶液，通過過濾器 8過濾后經(jīng)溢流孔43進入壓送容積21，當(dāng)電樞29受電磁力驅(qū)動下行，通過連接件41推動柱塞下行，一旦吸溢流孔43被柱塞之壁面12c遮擋，進液閥44關(guān)閉，壓送行程開始，壓送容積21內(nèi)液體壓力升高，進而打開出液閥45,壓力溶液壓送至限流道12b。
[0054]在此過程中，通過進液口 53進入的液體連同其中的氣泡，可以通過回液通道54， 低壓容積17,進入排氣泡嘴55,形成回液流并帶走熱量。
[0055]圖3所示，為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置之實施例結(jié)構(gòu)示意圖之三，與本發(fā)明提供的第一實施例之區(qū)別之一在于:所述執(zhí)行器2與控制器4為獨立的兩個模塊，通過信號56線連接。本結(jié)構(gòu)與實施例之一結(jié)構(gòu)之區(qū)別之二在于:本結(jié)構(gòu)包括一個安裝于限流道 12b下游的噴嘴9, 一個氣液混合腔57, 一個與混合腔57連通的進氣道58。所述噴嘴9為一個依靠壓力開啟的球閥噴嘴，包括一個濾網(wǎng)59, 一個球閥60, 一個噴孔61。從限流道12b 輸出的壓力溶液經(jīng)濾網(wǎng)59過濾后到達球閥60處，并開啟球閥60,溶液由噴孔61噴出。所述氣液混合腔57之腔體沿液體噴射方向。進氣道58包括一個穩(wěn)流孔58a，高壓氣通過穩(wěn)流孔58a及進氣道58至混合腔57,與噴射液體混合。
[0056]本方案所述結(jié)構(gòu)更適用于需要氣體輔助的排氣后處理系統(tǒng)，亦可將計量裝置置于儲液罐(本圖未不出)內(nèi)部。
[0057]如圖4所示，為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置1之流量閉環(huán)控制之邏輯。在執(zhí)行此閉環(huán)控制邏輯之前，需要將有效輸出功Wn與噴射量Q之間的關(guān)系通過流量測量設(shè)備進行標(biāo)定，將標(biāo)定結(jié)果(待定系數(shù))儲存在微處理器10中。
[0058]包括以下步驟:步驟120,根據(jù)數(shù)字流量計量裝置的多點流量測試，建立噴射量Q與執(zhí)行器2有效輸出功Wn (以下簡稱有效輸出功)之間的關(guān)系，可以是離散數(shù)據(jù)，也可以是根據(jù)離散數(shù)據(jù)擬合而成的關(guān)系式，將所述數(shù)據(jù)或者關(guān)系式存儲在預(yù)存控制器4中；步驟121，根據(jù)目標(biāo)噴射量Qo,確定目標(biāo)有效輸出功Wno ;步驟122,控制器4對螺線管線圈19裝置加電壓；步驟123,按照一定的時間間隔(即給定頻率)采集螺線管線圈19的電流Id和電壓Vd ; 步驟124,選擇本發(fā)明提供的一種方法計算當(dāng)前有效輸出功Wnc ;步驟125,比較目標(biāo)有效輸出功Wno與當(dāng)前有效輸出功Wnc ;步驟126,如果Wno-Wnc小于一個允許的小量e，則說明實現(xiàn)了本次噴射目標(biāo)，本次驅(qū)動結(jié)束。否則，繼續(xù)驅(qū)動并回到步驟123繼續(xù)實時監(jiān)測。
[0059]圖5為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置應(yīng)用于發(fā)動機電噴系統(tǒng)之示例，示例包括燃油箱65,流量計量裝置1、高壓噴射管68,噴嘴69以及上位機6。所述燃油箱65包括一個位于頂部的回液口 67以及一個位于底部的出液口 66。流量計量裝置1之排氣泡嘴55與回液口 67通過回液管70連接，進液嘴52通過供液管71與出液口 66連接。燃油箱65中液體從出液口 66,供液管71以及進液道52引入流量計量裝置1，從而裝置1內(nèi)部溶液可以到達的空間。高壓噴射管68之出口連接一個噴嘴69,該噴嘴可以是球閥式噴嘴也可以是提升閥式噴嘴，過程中產(chǎn)生的氣泡或者蒸汽由回液管70排出，并進入到燃油箱65內(nèi)空間的最尚點。
[0060]所述流量計量裝置1之執(zhí)行器2與控制器4設(shè)為一體，所述控制器4通過線纜72 與上位機6連接，通過通訊模塊11獲取流量需求信息，控制器4進一步驅(qū)動執(zhí)行器2工作， 并計量通過噴嘴69噴出的汽油，汽油與空氣混合后進入發(fā)動機之氣缸內(nèi)。[〇〇61]本示例所示流量計量裝置1亦可以應(yīng)用于汽油發(fā)動機缸內(nèi)燃油直接噴射系統(tǒng)。
[0062]圖6為本發(fā)明提供的數(shù)字流量計量裝置之SCR系統(tǒng)應(yīng)用例示意圖，示例包括一個尿素罐75, 一個支架76, 一個流量計量裝置1，一個噴嘴77, 一個高壓管78, 一個氣液混合腔 79, 一個混合輸液管74a，一個噴射器74, 一個帶有SCR催化轉(zhuǎn)換器82的排氣管道83,沿排氣流84方向依次布置有溫度傳感器85以及NOx或者氨氣傳感器86,分別位于催化轉(zhuǎn)換器 82兩側(cè)。
[0063]流量計量裝置包括一個執(zhí)行器2, 一個控制器4a，一個排氣泡管81。所述排氣泡管 81延伸至溶液頂部，出口端安裝有過濾器81a，以保證執(zhí)行器2內(nèi)潔凈溶液不被污染，防止臟物進入。所述執(zhí)行器2與噴嘴77通過高壓管78連接。所述控制器4a可以是一個獨立控制SCR系統(tǒng)的后處理控制器。
[0064]支架包括各傳感器(包括液位傳感器73、溫度傳感器73a等)，執(zhí)行器2固定于支架76的一端，并通過支架76深入至尿素罐75之底部。所述支架76可以是一個循環(huán)水加熱器，另一端通過端蓋80安裝于尿素罐75之頂部。所述端蓋80包括冷卻水進出口 87,所述控制器4a、氣液混合腔79以及噴嘴77安裝于端蓋80之上。氣液混合腔79包括一個進氣道79a，用于引入高壓空氣，一個與出液嘴79b和一個噴嘴安裝孔79c，使得噴嘴77之噴孔77a通過安裝孔79c伸入混合腔79內(nèi)部。[〇〇65]所述噴射器74安裝于排氣管道83上，可以為一個簡單的節(jié)流孔式噴嘴，也可以為一個不含噴嘴閥的旋流噴嘴。[〇〇66]此外，本案對于不同的應(yīng)用，可以實現(xiàn)以下不同目標(biāo):一是有利于液體霧化和增加排氣管中氧氣的含量，二是可以避免結(jié)冰對輸送管路的堵塞和損壞，三是可以避免水分蒸發(fā)后尿素析出對管路的堵塞，四是可以避免燃油結(jié)焦對噴射器的堵塞。
[0067]本發(fā)明所給SCR系統(tǒng)之工作過程如下。
[0068]上位機6根據(jù)發(fā)動機工況，以及排氣溫度傳感器85, NOx或者氨氣傳感器86等的信號計算出所需的尿素液流量，并將信號發(fā)送至控制器4a，控制器4a根據(jù)尿素罐75內(nèi)各傳感器(包括溫度傳感器73a、液位傳感器73)判斷執(zhí)行器2是否可以正常工作，如果可以，則給出驅(qū)動信號，執(zhí)行器2將尿素罐75內(nèi)的尿素液栗入高壓管78再由噴嘴77噴射入混合腔 79。與此同時，控制器4a控制電磁閥89開啟，經(jīng)過調(diào)壓閥88的高壓空氣輸入混合腔79與其中噴射液混合?；旌弦哼M入混合輸液管74a后，由噴射器74將混合液以霧化的形式噴射進入排氣管83中，尿素液在發(fā)動機排氣84高溫的作用下熱解為氨氣，與發(fā)動機排氣84混合均勻進入SCR催化轉(zhuǎn)換器82,排氣84中的NOx將被高效分解為無害的N2和H20,達到進化尾氣的目的。[〇〇69]在上述工作過程中，控制器4a根據(jù)尿素罐75內(nèi)溫度傳感器73a的信號判斷是否出現(xiàn)了尿素液結(jié)冰，如果存在結(jié)冰，則控制水閥(圖中未示出)使發(fā)動機的冷卻水進入尿素罐75內(nèi)的循環(huán)水加熱器以加熱融冰。
[0070] 圖7為本發(fā)明提供的氣液混合式發(fā)動機排氣后處理噴射裝置應(yīng)用于柴油機DPF再生系統(tǒng)示例，所給示例包括流量計量裝置1，噴嘴105,噴射混合單元106,噴射器96,上位機 6,氣源107,副油箱90,火花塞102,排氣管83,導(dǎo)流片95,以及布置于排氣管道83之上的溫度傳感器(94和99)，壓差傳感器101和氧傳感器100。發(fā)動機具有增壓器92,其壓氣機 91由發(fā)動機廢氣渦輪93驅(qū)動，將大氣壓縮后送入增壓中冷器108,然后成為有壓力而溫度不高的發(fā)動機進氣被導(dǎo)入發(fā)動機進氣歧管(圖中未示出)。廢氣渦輪93利用來自發(fā)動機排氣歧管(圖中未示出)的發(fā)動機排氣84a工作，廢氣渦輪93排出的發(fā)動機廢氣84進入發(fā)動機排氣管83。氣源107來自于增壓中冷后的發(fā)動機進氣，由電磁閥114控制進入噴射混合單元106。[0071 ]噴射混合單元106包括穩(wěn)流孔58a和進氣道58,穩(wěn)流孔58a使氣體腔104中的壓力較小受氣源107的波動影響，因此噴射流量易于控制。噴嘴105噴射出的燃油在混合腔 104中產(chǎn)生引射作用使輸送管103中能夠充滿更多的氣體，有利于輔助噴嘴105噴射的再生燃油霧化，同時也有助于冷卻噴射器96。
[0072]所述執(zhí)行器2為套筒-柱塞式栗結(jié)構(gòu)，包括一個安裝于過濾器8上部的排氣泡管 111。所述排氣泡管111伸出至液面以上，出口處包括一端折彎111a，以有效防止污物進入栗體。數(shù)字流量計量裝置1通過螺栓110固定于副油箱90之底部，由密封墊109密封。
[0073]噴射器96安裝于排氣管道83之上，氧化型觸媒D0C 97及DPF過濾器98的上游。 經(jīng)過輸送管103輸送至噴射器96,并由噴射器96霧化噴入排氣管道83。
[0074]所述控制器4可以是一個用于接收上位機6工作信號并控制執(zhí)行器2工作的計量模塊。柴油機顆粒物捕捉器(DPF)98,以及氧化型觸媒D0C 97用于捕集或者連續(xù)氧化柴油機排氣中的顆粒物。在DPF 98上也可以直接涂覆貴金屬催化劑?；鸹ㄈ?02安裝于噴射器96之后，位于DPF 98及氧化型觸媒D0C 97上游，當(dāng)需要再生DPF 98時，噴射器96噴出噴霧時火花塞102適時點火，點燃再生燃油噴霧，從而提高排氣84溫度到600°C左右，進入 DPF 98,從而引燃DPF 98中收集到的以碳煙為主要成份的顆粒物，實現(xiàn)DPF 98的再生。本系統(tǒng)中從噴射器96噴入的燃油應(yīng)該盡可能少，但必須使發(fā)動機排氣84達到足夠高的溫度， 因此要求燃油霧化良好，分布合理，燃燒充分。噴射器96上游設(shè)有一個半環(huán)抱噴射器96的導(dǎo)流片95,導(dǎo)流片95可包含與排氣流平行的一些通孔95a。通過溫度較高的導(dǎo)流片95改變噴霧96a方向并產(chǎn)生燃油蒸汽，同時，導(dǎo)流片95也有阻流穩(wěn)定火焰的作用，使噴霧96a或者噴霧產(chǎn)生的燃油蒸汽可以以有效的形式到達火花塞102的放電區(qū)，形成穩(wěn)定燃燒的火焰。
[0075]所述副油箱90位于流量計量裝置1之上方以至于副油箱90中的燃油能夠通過重力進入執(zhí)行器2中形成正常的供油。發(fā)動機高壓噴射系統(tǒng)的回油(最好采取串聯(lián)的形式)通過進油口 113進入副油箱90,然后再通過回油口 112回到發(fā)動機的主油箱。副油箱90的燃油也可以直接來自于發(fā)動機高壓噴射系統(tǒng)低壓供油栗(未示出)，或者通過附加栗(例如真空栗)或者重力的作用從發(fā)動機主油箱取油。從發(fā)動機主油箱到執(zhí)行器2之間至少要布置一道過濾系統(tǒng)，若來自發(fā)動機高壓噴射系統(tǒng)的低壓回油，則可以不需要另加過濾器8。
[0076]圖7所示的DPF再生裝置的工作過程如下:來自發(fā)動機的碳煙被顆粒物捕捉器(DPF) 98過濾并在其中逐步積累，隨著碳煙積累量的增加，DPF 98前后的壓差A(yù) P逐步增大，當(dāng)上位機6通過壓差傳感器101檢測到A P大于特定值時(已經(jīng)或者將要影響發(fā)動機的功率輸出)，或者上位機6根據(jù)模型預(yù)測的捕集碳煙量達到一定閾值之時，如果其他條件也滿足再生DPF 98條件，則向流量計量裝置1之控制器4發(fā)出流量需求信號，驅(qū)動執(zhí)行器2通過噴嘴105噴射燃油，與來自于發(fā)動機增壓中冷器108下游的帶有壓力的氣體107混合，通過混合輸送管103送至噴射器96,由噴射器96 向發(fā)動機排氣管83中噴射霧化燃油。同時，上位機6控制火花塞102點火以增加排溫。溫度傳感器(94、99)實時捕捉排氣溫度，當(dāng)溫度高于一定值時火花塞102停止工作，以免捕捉器98過熱燒損。壓差傳感器101繼續(xù)檢測DPF98前后的壓差A(yù) P，當(dāng)A P小于某一特定值時，認(rèn)為再生完成，停止再生噴油和點火。噴射量可以預(yù)先設(shè)定在上位機6的存儲器中，也可以根據(jù)溫度傳感器(94、99)及氧傳感器100 等傳感器信號進行反饋控制。
[0077] 本發(fā)明實施例的再生DPF 98的方法包括:每次啟動DPF 98再生程序后，上位機6 在燃油噴射器96產(chǎn)生噴霧后，控制所述點火器102產(chǎn)生至少一次點火火花，點火與燃油噴射同步控制，一次噴射可以進行多次點火，再生程序結(jié)束后不噴再生燃油，也不產(chǎn)生點火火花。
[0078] 另外，本發(fā)明所述數(shù)字流體計量裝置1，也可以用于現(xiàn)場定量給燃油添加燃油添加劑，例如向柴油機主燃油中即時定量注入燃油攜帶性催化劑(FBC)，以降低柴油機顆粒物的啟燃溫度，或者向DPF主動再生燃油中即時注入助燃劑來降低再生燃油與發(fā)動機排氣形成混合氣的啟燃溫度，等等。
[0079] 上述事例僅僅用于說明本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明，凡基于本發(fā)明精神實質(zhì)的進一步的改變方案均屬本發(fā)明公開和保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種數(shù)字流體計量裝置及控制方法，包括一個執(zhí)行器，一個控制器，所述執(zhí)行器包括 一個柱塞栗組件，控制器包括一個微處理器和一個通訊模塊，所述微處理器包含執(zhí)行器特 征信息，通過通訊模塊從上位機獲得計量目標(biāo)值，以閉環(huán)控制的方式驅(qū)動執(zhí)行器工作。2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于:所述通訊模塊為 一個CAN通訊處理器。3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，所述柱塞栗組件 包括套筒和柱塞，套筒在外力的驅(qū)動下相對柱塞作往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變 化。4.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，所述柱塞栗組件 包括套筒和柱塞，柱塞在外力作用下相對套筒作往復(fù)運動，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化。5.如權(quán)利要求3或4所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，所述執(zhí)行器與 控制器按一體化設(shè)計。6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，所述閉環(huán)控制方 式包括一個計算執(zhí)行器有效輸出功的過程。7.如權(quán)利要求6所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，計算執(zhí)行器有效 輸出功的過程包括計算計量控制器輸出總能量的步驟。8.如權(quán)利要求7所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，計算執(zhí)行器有效 輸出功的過程包括計算執(zhí)行器耗散能的步驟。9.如權(quán)利要求8所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，計算執(zhí)行器有效 輸出功的過程包括無效儲能的步驟。10.如權(quán)利要求7-9之一項所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，實現(xiàn)所 述執(zhí)行器單位時間內(nèi)噴射的流量目標(biāo)，通過保持執(zhí)行器噴射量不變，調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作頻 率的方式來實現(xiàn)。11.如權(quán)利要求7-9之一項項所述的數(shù)字流體計量裝置及控制方法，其特征在于，實現(xiàn) 所述執(zhí)行器單位時間內(nèi)噴射的流量目標(biāo)，通過同時或者分別調(diào)節(jié)執(zhí)行器的工作頻率和每脈 沖執(zhí)行器的噴射量的方式實現(xiàn)目標(biāo)。
【文檔編號】F01N3/28GK105986866SQ201510057778
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月4日
【發(fā)明人】郗大光, 張平, 樂起獎, 楊延相
【申請人】浙江福愛電子有限公司