一種液體噴射計(jì)量單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于液體計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其是與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的液體噴射計(jì)量技術(shù)，具體涉及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化NOx選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)，以及柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒物過(guò)濾收集器(DPF)的燃油噴射再生系統(tǒng)及其控制技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]液體噴射計(jì)量在化工、醫(yī)療和動(dòng)力機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，尤其涉及內(nèi)燃動(dòng)力的多項(xiàng)核心技術(shù)。
[0003]隨著環(huán)境問(wèn)題的日益突出，節(jié)能減排已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)最為重要的主題，世界許多國(guó)家都不斷推出一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)此，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的車輛需要更好的燃燒控制，并且安裝排放后處理系統(tǒng)以求滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放要求。例如，包括火花點(diǎn)火式小型發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)也像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣采用電控燃油噴射技術(shù)和排氣三元催化處理技術(shù)；柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或者稀薄燃燒的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，為降低尾氣中的有害污染物，針對(duì)NOx污染物，采用能夠在富氧環(huán)境下進(jìn)行催化還原處理的NOx選擇催化還原(SCR=Selective Catalytic Reduct1n)技術(shù)；針對(duì)柴油機(jī)的顆粒物排放，采用柴油機(jī)顆粒物過(guò)濾捕集器(DPF = Diesel Particulate Filter)技術(shù)等。
[0004]所有這些技術(shù)，都涉及液體的噴射計(jì)量控制問(wèn)題，對(duì)汽油噴射技術(shù)，需要噴射計(jì)量并反饋控制汽油噴射量；對(duì)DPF再生技術(shù)，需要噴射計(jì)量在DPF上游排氣管霧化噴入的柴油量；而對(duì)SCR技術(shù)，需要在SCR催化器上游計(jì)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(lán)液AdBlue)ο
[0005]DEF進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管后，通過(guò)排氣高溫分解成氨氣，與排氣混合后進(jìn)入SCR催化轉(zhuǎn)換器。在催化劑的作用下，氨氣就會(huì)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的NOx等發(fā)生催化還原反應(yīng)，使NOx分解為無(wú)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(jì)量噴射裝置。
[0006]對(duì)于SCR噴射計(jì)量系統(tǒng)，由于尿素水溶液具有導(dǎo)電性，傳統(tǒng)的以直流旋轉(zhuǎn)電泵為動(dòng)力源的噴射計(jì)量系統(tǒng)不能潛入在工作液體中工作，因此多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)采用以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外置膜片泵為動(dòng)力源，這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除了可靠性外，還受環(huán)境的影響較大，尤其在低溫環(huán)境下工作需要復(fù)雜的融冰輔助裝置，售后服務(wù)維護(hù)也比較困難。
[0007]在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，與液體噴射計(jì)量相關(guān)的具體技術(shù)包括但不限于:發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)尾氣排放顆粒物過(guò)濾(DPF)再生燃油噴射系統(tǒng)。
[0008]采用柱塞-套筒結(jié)構(gòu)，美國(guó)專利US20090301067A1公開(kāi)了一種DEF噴射計(jì)量裝置，其中計(jì)量噴射裝置是一個(gè)螺線管驅(qū)動(dòng)的柱塞泵噴嘴，安裝在排氣管上，需要外加一個(gè)低壓泵為其從DEF儲(chǔ)液罐提供工作液體，并且需要采取冷卻措施才能正常工作。
[0009]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(dá)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(guó)專利(公開(kāi)號(hào):US2007/0033927)公開(kāi)的技術(shù)方案借用了汽油進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)計(jì)量燃油，噴射壓力相對(duì)比較低。
[0010]總體來(lái)說(shuō)，與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的噴射計(jì)量技術(shù)可分為三種不同的類型:嘴端控制，泵端控制和嘴-泵端混合控制。其中，嘴端控制已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于燃油進(jìn)氣口噴射系統(tǒng)，嘴-泵混合控制已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于燃油缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，泵端控制被應(yīng)用于缸內(nèi)燃油直噴、單缸汽油機(jī)燃油噴射和SCR系統(tǒng)等。
[0011]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(jì)量方法上。其中一個(gè)根本性的原因在于:普遍應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)式低壓汽油泵不能處理導(dǎo)電介質(zhì)，如尿素水溶液等。而另外一種螺線管柱塞泵雖然可以處理導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體，卻存在精確計(jì)量困難的問(wèn)題。
[0012]螺線管柱塞泵可以細(xì)分為兩種不同的結(jié)構(gòu)，一種是柱塞運(yùn)動(dòng)的柱塞-套筒泵，另一種是套筒運(yùn)動(dòng)的套筒-柱塞泵。關(guān)于用于壓送燃油的柱塞-套筒泵，美國(guó)專利20030155444A1公開(kāi)了一種計(jì)量控制方法，即，通過(guò)預(yù)測(cè)柱塞的位置來(lái)預(yù)測(cè)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(qiáng)，進(jìn)入柱塞套中的流體通常會(huì)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(duì)應(yīng)的關(guān)系。另外，預(yù)測(cè)柱塞的位移如同預(yù)測(cè)燃油噴射量一樣有難度，在實(shí)施上會(huì)存在一定的困難。
[0013]因此關(guān)于螺線管柱塞泵，無(wú)論是柱塞-套筒泵或是套筒-柱塞泵，提出能夠同時(shí)滿足多個(gè)目標(biāo)的簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)和應(yīng)用方式，以及統(tǒng)一的計(jì)量方法是非常有價(jià)值的一項(xiàng)工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，之目的在于是提供能夠?qū)崿F(xiàn)泵端控制的、通用性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔的執(zhí)行器方案以及統(tǒng)一的控制計(jì)量方法。這些技術(shù)方案可以廣泛應(yīng)用于柴油或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化SCR和DPF系統(tǒng)中的液體噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括進(jìn)氣口和缸內(nèi)直噴兩種系統(tǒng)。
[0015]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，即，一種液體噴射計(jì)量單元，其特征在于，包括一個(gè)噴射單元和一個(gè)計(jì)量控制器，所述噴射單元包括一個(gè)螺線管裝置，一個(gè)柱塞泵和一個(gè)噴嘴，所述螺線管裝置包括線圈、磁軛、磁阻和電樞，其中磁軛與電樞由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，磁阻由非導(dǎo)磁材料構(gòu)成，所述柱塞泵包括柱塞和套筒，柱塞與套筒配合形成壓送容積，壓送容積連接進(jìn)液閥和出液閥，液體從進(jìn)液閥進(jìn)入壓送容積從出液閥輸出，所述計(jì)量控制器為螺線管裝置提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，計(jì)量控制器包括一個(gè)可監(jiān)測(cè)螺線管裝置狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)裝置，包括利用狀態(tài)參數(shù)預(yù)測(cè)螺線管裝置有效輸出功的算法，包括以螺線管裝置有效輸出功為變量對(duì)液體噴射計(jì)量單元的流量進(jìn)行閉環(huán)控制的方法。所述螺線管裝置有效輸出功是指直接對(duì)壓送容積中的液體加壓并形成噴射所需要的能量。
[0016]對(duì)于螺線管裝置的控制，最常見(jiàn)的方法是采取PWM簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)的方式，這種方式不對(duì)螺線管的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行反饋修正，會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)與結(jié)果的不一致，往往不能完全覆蓋因?yàn)橐后w狀態(tài)的改變(例如出現(xiàn)兩相流等)、驅(qū)動(dòng)電壓的改變和螺線管阻值的改變等因素對(duì)執(zhí)行結(jié)果的影響。
[0017]對(duì)于上述液體噴射計(jì)量單元，一種可選擇的方案是套筒-柱塞泵結(jié)構(gòu)，S卩，包括一個(gè)回位彈簧，套筒在螺線管裝置和回位彈簧的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化。
[0018]對(duì)于上述液體噴射計(jì)量單元，另一種可選擇的方案是柱塞-套筒泵結(jié)構(gòu)，即，包括一個(gè)回位彈簧，柱塞在螺線管裝置和回位彈簧的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致壓送容積大小的交替變化。
[0019]對(duì)于柱塞-套筒泵結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步細(xì)化的方案是:柱塞包括一個(gè)電樞，電樞大致為一個(gè)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，帶錐度的孔向液體壓送方向擴(kuò)展，用于實(shí)現(xiàn)液體在內(nèi)部空間的定向流動(dòng)，以冷卻液體噴射計(jì)量單元和提高其工作的穩(wěn)定性。
[0020]上述方案中的回位彈簧可以被另外一個(gè)螺線管裝置所取代以提供套筒或者柱塞回位所需要的力。
[0021]在上述方案中，在出液道與噴嘴之間可以包括一個(gè)高壓管，所述高壓管由金屬或者高分子材料制成，可以是定型的剛性管，也可以是可彎曲的柔性管。另外，來(lái)自儲(chǔ)液箱的液體需要經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)濾器才能進(jìn)入液體噴射計(jì)量單元的內(nèi)部空間。
[0022]一種可選擇的方案是:包括一個(gè)氣液混合腔，液體由噴嘴首先噴入氣液混合腔中，液體與氣體混合后再經(jīng)一個(gè)噴射器噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管內(nèi)。所述噴射器可以為一個(gè)簡(jiǎn)單的節(jié)流孔式噴嘴，也可以為一個(gè)不含噴嘴閥的旋流噴嘴。此方案對(duì)于不同的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)以下不同目標(biāo):一是有利于液體霧化和增加排氣管氧氣的含量，二是可以避免液體結(jié)冰對(duì)輸送管路的堵塞和損壞，三是可以避免溶劑如水分蒸發(fā)后噴射液如尿素水溶液的結(jié)晶體析出對(duì)管路的堵塞，四是可以避免液體中的結(jié)焦成分對(duì)噴嘴的堵塞。
[0023]對(duì)于上述方案，在發(fā)動(dòng)機(jī)不需要噴射液體時(shí)，高壓氣體繼續(xù)供氣以掃除從汽液混合腔到噴射器之間的殘留液體。
[0024]另外一種應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的噴射方案是:液體通過(guò)高壓管由噴嘴直接噴入發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中。如果所噴射的液體為DEF，除了為降低NOx排放需要噴射的DEF夕卜，另外還可以噴射少量的DEF以防止噴嘴過(guò)熱或者堵塞。為了防止高壓管結(jié)冰，需要沿高壓管布置融冰裝置，例如用電加熱或者發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水加熱的方式進(jìn)行融冰。