CN101584110A - 用于控制泵的运行的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

用于控制一个泵的运行的方法以及系统。用于控制一个泵的运行的方法，该泵是由一台电动机来驱动的并且受一个控制器的控制，根据本方法，一个ECM将PWM(脉宽调制)控制信号发送至控制器，该控制信号具有作为泵所希望的运行状态的函数而变化的占空比，并且根据本方法，该控制器作用于该电动机使所述运行状态应用于该泵。

Description

用于控制泵的运行的方法及系统
本发明涉及用于控制一个泵的运行的一种方法并且还涉及使该方法能被应用的一种系统。
随着对重型货车的废气排放的欧四标准于2005年的生效，不得不实行用于NOx(或氮氧化物)污染控制的装置。
被多数重型货车制造商所使用的用于将NOx排放减少至所要求值的系统一般是与还原剂例如尿素进行一种选择性的催化反应(“Urea SCR”或使用通过尿素的分解在废气中原位生成的氨进行的选择性催化还原)。
为了做到这一点，有必要给这些车辆配备含有尿素溶液的一个罐、用于计量有待注入排气管线的尿素的量的一个装置、以及用于给这个用来计量待注入排气管线的尿素量的装置供应尿素溶液的一个装置。总体上，该供应装置包括由电动机驱动的一个泵。
优选地，这个泵的运行是通过一个控制器来控制的，该控制器能够作用于泵的工作压力、泵的旋转方向(或者供应尿素，或者清洗这些管道)、泵的启动和/或停止，和/或对泵的运行状态进行诊断。
在现有技术中，已经提出了用于控制泵的运行的几种系统。
由此，专利US 5,670,852描述了用于控制驱动泵的电动机速度的一种装置，该装置独立于一个泵的进口以及出口的压力而仅作用于驱动电动机的速度。因此，泵的出口压力未得到控制。该控制装置从两个输入数据来调节该电动机的速度：由换向传感器提供的一个电动机速度测量信号以及一个电动机速度设定点信号。后者或者是一个电压或者是一个方波的频率。根据专利US′852的控制装置使之有可能使用一个单一信号(44)来控制泵的所有运行模式(向前驱动、反向驱动)。然而，它是复杂的并且要求使用一个比较器、一个锁相(或锁频)环、多个换向比较器等。而且，由于在泵的出口处的压力未被控制，它并不使之有可能进行泵运行的诊断并且，具体而言，是在该泵的出口形成一个堵塞的情况下识别爆炸的危险或如果供应回路中存在泄漏时识别污染的危险。
申请US 2002/0043253披露了用于调节泵的一种系统，该系统通过直接控制泵在出口处的压力来使之有可能解决这个问题。这个装置包括一个控制器(36)，它从一个电子控制模块(38)接收压力设定点值、将该值与一个压力传感器(30)测量的值进行比较以便产生一个错误信号并且生成直接控制该电动机转速的一个经调制(PWM或脉宽调制)的电压。专利US 5,237,975描述了一种类似的系统。
在这些文献中描述的系统是对于燃料系统是专用的，其中电动机或者正在运行或者静止，但是仅具有一个旋转方向。尤其对于上述这些尿素泵，有利的是还提供一个反向旋转以便能够进行清洗周期。而且，这些尿素回路可能被堵塞(尤其是该溶液冻结后)和/或具有泄漏，在这种情况下有利地是使泵停止。然而，上述文献中所描述的系统没有对在泵的运行上进行一个诊断做出安排。
最后，在结合了用于泵的专门的控制系统的用于液体(例如尿素)的注入的系统的情况下，有必要在这个系统与一个更加中央的控制模块(例如车辆的控制模块或一个完整的注入系统的控制模块)之间提供一个界面，该界面使之有可能利用最少的可能的电连接来交换对于泵的正确运行所需的所有信息。
本发明的目的在于提供用于控制泵的运行的一种系统及方法，该系统及方法简单并且尽管如此仍使之有可能同时控制所述泵的停止、启动以及旋转方向，并且(根据一个优选的变体)还为控制该泵的电子控制模块(ECM)提供正确的或不良运行的一个诊断，并且所有这些只是使用了在ECM与泵控制器之间的一个单一信号(并且因此是一个单一连接)。
为此目的，本发明涉及用于控制一个泵的运行的一种方法，该泵由一个电动机驱动并且受一个控制器的控制，根据本方法，一个ECM向该控制器发送一个PWM(脉宽调制)控制信号，该控制信号具有作为该泵所希望的运行状态的一个函数而变化的一个占空比；并且根据本方法，该控制器作用于该电动机以将所述运行状态应用于该泵。
根据本发明的方法可以应用于具有不同用途的泵。具体而言，它可以是使液体能够从存储罐被输送到注入管线的一个泵，并且，为了做到这一点，它通过一个供应管线被连接至该存储罐上。在用于将尿素注入内燃机的废气中的系统的情况下，根据本发明的方法给出了很好的结果。
应用了根据本发明的方法的泵是任何已知类型的一种泵，该泵由一个电动机驱动(优选地该电动机专用于该泵，即该电动机只用于驱动该泵并且不行使其他功能)并且它的控制器由一个ECM管理。优选地，该泵是齿轮泵类型。总体上，它包括一个定子以及一个转子并且能在两个相反的旋转方向上运行，一个方向总体上对应于为供应管线供应液体而另一个方向总体上对应于该供应管线的清洗。
任何类型的旋转电动机都是可适用的。优选地，该电动机是BLDC(无刷直流电)电动机类型。在此情况下，泵是通过在泵的转子与电动机的驱动轴之间的一个磁性连轴器来驱动的。
根据本发明，该电动机受控于一个控制器，即一个控制模块(总体上包括一个PID调节器以及一个电动机转速控制器)以及一个供电单元，该供电单元为电动机供应使其在所希望的速度下转动所要求的功率并且它使其旋转方向在必要的情况下能够被反向。
例如，该泵控制器本身或者是经由该ECM，或者经由一个专用的电流源如一个电池来供应电流。使用电池，并且具体地是供应12伏直流电(DC)的电池，给出了良好的结果。
根据本发明，该泵控制器由一个ECM驱动，该ECM向它发送包括与该泵的运行状态有关的信息的一个PWM(脉宽调制)控制信号。这些状态应理解为是表示与泵的工作压力有关的信息并且还表示至少另外一条其他信息，例如它的停止/堵塞、它的转向等。优选地，它们是该泵的所有运行状态，即：停止、向前驱动、反向驱动、工作压力(在泵的出口)等，这样使泵的运行完全通过一个单信号来制约。换言之：该控制器接收多个编码指令(以具有可变的占空比的PWM信号的形式)来告诉它是否它必须停止泵或使其向前、反向旋转以及处于什么压力下，它通过作用于该电动机来做到这一点，即总体上通过反过来向它发送一个可以是PWM型的电压信号。
在本发明的背景下所考虑的ECM或者是一个专用于此功能的ECM，或者是一个能够还提供了其他功能并且为此目的还能与除该泵之外的多个部件(例如同温度和/或压力传感器)进行通信的ECM，并且还能指挥和/或控制这些部件的运行。例如，这个ECM可以是专用于一个车辆的SCR功能，或可以被整合到内燃机(或ECU＝发动机控制单元)的ECM中。
由ECM发送的PWM信号优选地是处于一种方波的形式，即具有一个给定持续期及振幅的并且以一个给定周期而发出的一连串矩形脉冲。这样一个信号(具有PWM型)的特征在于它的占空比，即这些脉冲的持续期与它们的周期的比率。
根据本发明，这个信号是可变的并且输送与该泵的运行状态有关的信息，即：停止、向前驱动、反向驱动以及工作压力。术语“可变的”应理解为是指这个信号的占空比作为所希望的运行状态的一个函数而变化。优选地，对应占空比的值的一个范围是该电动机的一个给定的运行模式(停止、启动、向前驱动、反向驱动)。
由此，优选地，该控制器包括一个存储器，其中储存了用于该ECM发出的PWM信号的占空比以及该泵的运行模式的一个查询表。因此，该表可以使一个第一占空比范围(I)与用于使该泵停止的一个设定点相等；使一个第二占空比范围(II)与用于使该泵向前驱动的一个设定点相等；使一个第三占空比范围(III)与用于使该泵反向驱动的一个设定点相等。
为了传递与工作压力有关的信息，它可以有利地使用该范围(II)给出所希望压力的一个线性函数作为该信号的占空比的一个函数。在该泵是旨在用于一个例如先前所描述的SCR系统的情况下，泵(在相反的方向上)的反向驱动总体上旨在用于清洗，该清洗通常以全流的方式进行；因此，在这种情况下，当该泵在反向旋转时，没有必要发送一个设定点压力。由此，优选地，该范围(II)给出了所希望压力的一个线性函数作为该占空比的一个函数，而该范围(III)是与该泵电动机的最大速度相关联。
总体上讲，由该ECM发送的PWM信号是一个电压信号，并且总体上是一个低电压(例如5V或12V)。它可以由一个控制单元生成，例如ECU或发动机控制单元(通常表示一个机动车辆的发动机控制系统)或在涉及到该泵的情况下，由一个专用于该功能(例如，SCR功能)的ECM生成。
为了确保该泵尽可能快并且尽可能精确地在工作压力下流动(或换言之：该泵的出口压力迅速地并且正确地与由该ECM发送的设定点压力对齐)，有利地是该控制器被连接到一个压力传感器上并且包括一个压力调节器以及一个电动机转速控制器。这使之有可能在一个回路中，在适当的情况下(即当该泵正在运行时)，将该压力设定点值与由该传感器测量的值进行比较，并且据此通过该转速控制器作用在该电动机的转动速度上。
总体上讲，该调节器在所希望的压力与所测量的压力之间进行比较并且对该电动机转速控制器生成一个错误信号。
在这个变体中，该调节器可以是任何已知的类型，但是优选地是PID(比例-积分-微分)类型。至于该压力传感器，优选将它与该泵整合，即它可以通过任何已知连接方式附装至泵上。
根据本发明的一个优选的变体，该泵控制器可以向该ECM发送一个泵运行诊断信号。总体上讲，这个信号对应于一个电压。当该泵控制器检测到一种异常时(经由可能是专用于这个功能的一个检测器和/或经由该压力调节器：参见下文)，例如，该PWM信号可以被该电动机控制器接地，由此引起一个短路电流，该短路电流是由该ECM测量的并且作为该泵运行的一种异常状态而被检出。优选地，该控制器连续地进行一个诊断(检测多种异常)，这样当泵运行中有一个异常时ECM能够随时检出。
该泵运行中的一个第一异常可以包括驱动电动机(A)的一个过高的速度。引起该异常的原因也许是由于该泵被冰的堵塞，由于事实上该压力传感器被损坏并且指示一个过低的压力；由于该泵下游的一个泄漏的存在，该泄漏表示不能达到该设定点压力，等等。这一异常可以被调节器检测到，该调节器将该泵出口压力与设定点的压力进行比较并且因此当在一个特定时间段的终止而没被达到后者时，它可以发送一个异常信号。
该泵运行中的一个第二异常可以包括电动机(B)的一个过低的速度。例如，该异常也许是在一个测量的压力水平(该压力水平高于实际的压力)下由被冻结而堵塞的一个压力传感器所引起的。于是，控制器从调节器接收一个指示，该指示显示出该泵出口压力仍高于该设定点压力并且它能将这个信息传送给该ECM。
该泵运行中的一个第三异常可以是由于电动机被堵塞，由电动机(C)中电流强度的增加而导致后者过热。该异常可以由一个被整合至该电动机控制器中的电流传感器检测到。
在一个优选的实施方案中，该泵旨在从一个添加剂罐给一个供应管线供应用于内燃机的废气的一种液体添加剂。
因此，本发明还涉及用于对内燃机废气供应液体添加剂的一个系统，所述系统装备了一个调节器装置，它能够应用上述方法并且为此目的包括：
-一个泵，该泵能使所述添加剂从一个罐被供应至这些废气之中；
-一个旋转电动机，该电动机能够使该泵被驱动；
-一个控制器，该控制器能够从一个电子控制模块(ECM)接收一个PWM(脉宽调制)型控制信号、能够从其中推演出该泵的这些运行状态，并且能够据此调适该电动机的速度和/或旋转方向。
在本发明的这个变体的范围内所考虑的添加剂优选地是能够对存在于这些内燃机废气中的NOx进行还原的一种还原剂。它有利地是一种水溶液中氨的前体。本发明用尿素的低共熔的溶液给出了良好的结果，对于该溶液有一个标准质量：例如，根据德国工业标准70070(DIN 70070)，在
Figure A20088000240200111
溶液的情况下(商业的尿素溶液)，尿素含量是在31.8％到33.2％(按重量)之间(即按重量32.5+/-0.7％)，因此可用的氨的量在18.0％到18.8％之间。本发明还可以应用于以商品名DenoxiumTM销售的尿素/氨的甲酸盐的多种混合物，并且其中的组合物(Denoxium-30)之一包括相对于
Figure A20088000240200112
溶液中的氨的相当量的氨。关于尿素，后者具有的优点是只从-30℃(而不是-11℃)在往下才冻结，但是具有的缺点是与可能的甲酸释放有关的腐蚀问题。
本发明的这个变体可以应用于任何内燃机。有利地是将其应用于柴油发动机，并且具体地是重型货车的柴油发动机。
优选地，根据本发明的这个变体的系统总体上还装备了使该添加剂能够被注入到这些废气中的一个喷射器。该喷射器可以是任何已知类型。例如它可以是所谓的“主动的”喷射器，即包括计量功能。
通常，根据本发明的系统包括一个控制单元，该控制单元连接至该喷射器并且允许添加剂的所要求的量被注入到这些废气中(具体而言，该量取决于以下参数：排放水平以及NOx的转化程度、温度与压力、发动机速度与负载等，以及，任选地，该溶液的质量(老化状态))。
在某些情况中，由该泵所提供的整个添加剂流没有被注入到这些废气中并且该未被注入的部分于是必须被再循环。这样一个过量流可以用于冷却某些类型的“主动的”喷射器(例如，像在申请US 5976475中所描述的“主动的”喷射器)。对于精确的计量控制也可以是必要的，如在本申请人名下的申请FR 06/06425中所描述的系统，并且该系统涉及使用一个计量阀以及一个压力调节器。
由于以上解释的原因，也许有利的是为根据本发明的这个方面的系统提供以下部件中的至少一个：
-一个压力传感器，该压力传感器使之有可能对所获得的设定点压力进行核对；
-所要求的压力的一个PID调节器；
-一个电动机速度控制器；
-一个诊断电路，该诊断电路使与泵运行有关的一个诊断信号能够被送至该ECM。
类似地，在根据本发明的方法的说明的背景之内作为优点呈现的所有其他特征也在根据本发明的系统的背景之内，并且，具体地当它是一个SCR系统时。
本发明是以一种非限制性方式通过图1来展示的。
后者表示了根据本发明的一个系统的有利变体，该系统旨在用于将一种尿素溶液注入一种柴油车辆的废气中。
它展示了一个尿素泵8的控制系统的框图，该尿素泵由一个BLDC电动机7驱动并且受一个控制器15的控制。控制器15包括一个PID调节器3、一个电动机转速控制器5以及一个供电单元4。控制器15本身有一个12伏的直流电源10以及接地11。控制器15从一个ECM1接收一个PWM信号2，以下将更加详细描述它的一个实例。然后，控制器15向ECM1发回泵8的运行状态的诊断信号。它还接收作为输入信号的由一个压力传感器9测量的一个压力信号12，该压力传感器是通过一个信号13以及一个接地端14由供电单元4供电。通过向电动机7发送一个给定电压6实现了电动机7的转速控制，该给定电压也可以是处于一个PWM电压的形式，这样泵8的出口压力遵循由控制信号2输送的设定点。
可以由ECM发出的PWM信号的一个实例是以1千赫的频率、用12伏的电压以及50毫安的电流发出的一连串的矩形脉冲。
根据本发明，该波列具有根据该泵的运行状态而变化的一个占空比。
因此，在所考虑的实例中：
-对应于0％与10％之间或90％与100％之间的占空比的是用于使该泵停止的一个设定点；
-在正常运行(向前驱动)过程中，该占空比被设为20％与90％之间的一个值，已知对应于20％的值的是1巴的压力并且该值线性地变化并在90％的占空比处达到8巴(在本实例中的最大压力)；并且，
-对应于10％与20％之间的占空比是该泵在最大电动机速度下的反向运行，从而能够清洗一个SCR系统。
在这个实例中，为了进行一个清洗周期，ECM发出一个PWM信号，其占空比具有0％与10％之间的一个值，持续500毫秒(以使该泵停止)；接下来，它改变该信号的占空比以将它设为10％与20％之间的一个值并且引起清洗。该清洗持续期(并且因此：在该PWM信号具有10％与20％之间的一个值的期间的该周期持续期)取决于待清洗系统的配置。这个持续期对于多个SCR系统典型地是从10秒到1分钟。最后，该ECM最后一次修改该PWM的占空比并且将它设为0％与10％之间的一个值以便再次使泵停止。
附图的参考标记：
(1)电子控制模块
(2)由ECM发出的PWM信号
(3)PID调节器             (4)供电单元
(5)电动机控制器          (6)电动机供应电压
(7)电动机                (8)泵
(9)压力传感器            (10)电源
(11)接地端               (12)压力传感器信号
(13)压力传感器电源
(14)压力传感器接地端
(15)包括(3)、(4)以及(5)的泵的控制器。

Claims (10)

1.用于控制一个泵的运行的方法，该泵是由一个电动机驱动并且受一个控制器的控制，根据本方法，一个ECM向该控制器发送一个PWM(脉宽调制)型控制信号，该控制信号具有作为该泵所希望的运行状态的一个函数而变化的一个占空比；并且根据本方法，该控制器作用于该电动机以使所述运行状态应用于该泵。
2.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，该电动机是“无刷直流电”或BLDC电动机类型。
3.根据前述这些权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，该PWM信号是一种方波的形式。
4.根据前述这些权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：对应一个第一占空比范围(I)的是用于停止该泵的一个设定点；对应一个第二占空比范围(II)的是用于该泵的向前驱动的一个设定点；以及对应一个第三占空比范围(III)的是用于该泵的反向驱动的一个设定点。
5.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，该范围(II)给出了所希望压力的一个线性函数作为该占空比的一个函数。
6.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，该控制器被连接至一个压力传感器并且包括一个压力调节器以及一个电动机转速控制器；并且特征在于，在一个回路中，该控制器将该压力设定点值与由该传感器测量的值进行比较，并且据此通过该转速控制器作用于该电动机的转速。
7.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，该调节器是PID类型，并且特征在于它对该电动机转速控制器生成一个错误的信号。
8.根据前述这些权利要求中任一项所述的控制方法，其特征在于，该泵控制器通过使用一个检测器连续地检测该泵的多种运行异常并且当检测到这样一个信号时通过使该PWM信号接地而将一个泵运行诊断信号发送至该ECM。
9.用于为一台内燃机的废气供应一种液体添加剂的系统，所述系统包括：
-一个泵，该泵使所述添加剂能够从一个罐被供应至这些废气之中；
-一个使该泵能被驱动的旋转电动机；
-一个控制器，该控制器能够从一个电子控制模块(ECM)接收一个PWM(脉宽调制)控制信号、能够从其中推演出该泵的这些运行状态，并且能够据此调适该电动机的速度和/或旋转方向。
10.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，它包括以下部件中的至少一个：
-一个压力传感器；
-一个PID调节器；
-一个电动机速度控制器；
-一个诊断电路，该诊断电路使与该泵运行有关的一个诊断信号能够被发送至该ECM。
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