CN101688457B

CN101688457B - 用于启动一个泵的方法

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Publication number: CN101688457B
Application number: CN2008800209683A
Authority: CN
Inventors: 让-克洛德·哈布穆雷姆伊
Original assignee: Inergy Automotive Systems Research SA
Current assignee: Nergy Automotive Systems Research SA
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2028-06-16
Also published as: WO2008155303A1; EP2158382A1; US20100172763A1; EP2158382B1; FR2917791A1; FR2917791B1; CN101688457A

Abstract

用于启动一个泵的方法，该方法旨在泵送包含在一个储箱中的液体并且产生一个基本上恒定的出口压力(设定点压力)，根据该方法：1)确定容纳在该储箱中的液体的温度(T1)并将其与一个设定点温度(T0)相比较；2)如果该温度(T1)高于该设定点温度(T0)，则开动该泵；3)如果该温度(T1)低于或等于该设定点温度(T0)，则对该储箱加热一段时间t1；然后4)将在该泵开动一段时间t2，在此过程中测量该泵的出口压力；5)如果这个压力是稳定的并且是在该设定点压力的一个可接受的边缘区之内，则该泵继续工作；6)如果这个压力不是稳定的和/或不在该设定点压力的该可接受的边缘区之内，则停止该泵并且将该储箱加热一段时间t3，在该段时间结束时重复步骤4至6。

Description

用于启动一个泵的方法

本发明涉及用于启动一个泵的一种方法，该方法旨在泵送一种能够冻结或凝固的液体。它具体地涉及启动旨在用于水性尿素溶液的泵。

除其他事项外对于车辆以及重型货车的排放物的法律规定了减少释放到大气中的氮氧化物NO_x。实现这个目的的一种已知的方法是使用SCR(选择性的催化还原)方法，该方法通过在该排气管线中喷射一种还原剂(总体上是氨)能够使氮氧化物减少。这种氨可以从氨的前体溶液的热解分解中得到，该前体溶液的浓度可以是低共熔的浓度。这样一种氨的前体总体上是一种尿素溶液。

通过该SCR方法，在以最佳效率燃烧的过程中在发动机中产生的这些高水平的NO_x在离开该发动机时在一种催化剂中进行处理。这种处理要求使用处于精确浓度以及极端性能的还原剂。因此，该溶液被精确地计量并且被喷射到排气气流中，其中该溶液在将该氮氧化物(NO_x)转化为氮气(N₂)以及水(H₂O)之前被水解。

为了做到这一点，必需给车辆装备有含有一种添加剂溶液(总体上是一种水性尿素溶液)的储箱并且还有一种装置，该装置用于对所希望的添加剂的量进行计量并且将其喷入该排气管线之中。鉴于一般为该目的使用的水性尿素溶液(低共熔的32.5wt％尿素溶液)在-11℃时冻结，必需提供一种加热装置来溶解该溶液，以便在冻结状态进行启动的情况下能够将该溶液喷射到排气管线中。这种装置理想地应该覆盖该储藏箱的至少一部分并且还有从该储箱到该喷射器的管线，并且优选地还有在这条管线中遇到的装置(过滤器、泵、等等)。

在机动车辆中，这些系统必须在其中运行的温度边缘区域总体上处于-40℃与80℃之间(取决于国家/地区)。因此，必须要确保该泵可以在这些低温范围内启动，已知上述溶液具有从-8℃开始结晶的一种趋势。

确定“冷”泵的开动时间(即，为了具有熔化的一个最少量的液体并且使该泵能够启动而必需等待的时间)可以基于不同温度下对一个给定系统所获得的实验数据。

产生这个数据的这些测试总体上是在一个寒冷的房间中进行的，而没有考虑风、车辆振动、初始温度条件改变、等的影响。因此，存在多种情形，其中因为低估了(例如，在情形在改变的情况下)启动时间而将不能启动该泵。进而，这些情形可能导致不可逆的泵的损坏。相反地，该开动时间可能被高估(此外这总体上是出于安全原因的情况)，并且于是污染控制系统则不是优化的。

应该注意到，该启动时间还可以基于热力学以及热量数据来计算，但是所获得的这些结果将再一次未将实际参数的变化性考虑在内。

虽然某些文件简要地说明了SCR系统的冷启动(见，例如，文件US 5,884,475以及US 2002/0088220)，这些文件中没有一个着手解决最佳确定该泵的开动时间的问题。

本发明的目的在于通过提供一种方法来解决这个问题，该方法使之有可能使该泵的启动时间得到优化而不损坏这个泵。

为此目的，本发明涉及用于启动一个泵的一种方法，该泵旨在泵送包含在一个储箱中的一种液体并且产生一个基本上恒定的出口压力(设定点压力)，根据该方法：

1.确定容纳在该储箱中的液体的温度T 1并且将其与一个设定点温度T0相比较；

2.如果该温度T1高于该设定点温度T0，则开动该泵；

3.如果该温度T1低于或等于该设定点温度T0，则使该储箱加热一段时间t1；然后

4.使该泵开动一段时间t2，在该过程中测量该泵的出口压力；

5.如果这个压力是稳定的并且是在该设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，该泵继续工作；

6.如果这个压力不稳定的和/或不在该设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则停止该泵并且使该储箱加热一段时间t3，在该段时间结束时重复步骤4至6。

适用本发明的泵是任何已知类型的一种泵，优选地由一台电动机驱动并且该泵的操作由一个控制器来控制。优选地，该泵为齿轮泵的类型。它总体上包括一个定子以及一个转子并且能够优选地在两个相反的旋转方向中运行，一个旋转方向总体上对应于用液体供给进料管线而另一个总体上对应于该送料管线的清空。

任何类型的旋转电动机都可适用。优选地，该电动机是BLDC(无电刷的直流电)电动机类型。在这种情况下，该泵是由该泵的转子与该电动机的一个驱动轴之间的一个磁性耦联来驱动的。

这个泵的控制器是一个控制模块(总体上包括一个PID调节器以及一个电动机转速控制器)以及一个电力供电单元，当必要时，该电力供电单元优选地给电动机供给将其在所希望的速度下旋转所需要的电力并且使它能够转换其旋转方向。

最特别优选地，一个ECM(电子控制模块)对该泵控制器发送一个PWM(脉宽调制)控制信号，该信号具有作为用于该泵的所希望的运行状态的一个函数而变化的一个占空比，并且根据该信号控制器作用在该电动机上从而将所述运行状态应用到该泵上。这个优选的变体是本申请人名下的申请FR 0700358的主题，其主题通过引用结合在本申请之中。

如先前所说明的，当温度达到一个低的温度阈值时，本发明所针对的液体是一种能够冻结或凝固的液体(凝结成固体)。例如，这些液体可以是水性溶液。本发明特别好地适用的一种液体是尿素。

术语“尿素”被理解为是指任何(总体上水性的)包含尿素的溶液。本发明对于低共熔的水/尿素溶液给出了良好的结果，对于这些溶液存在一种标准的质量：例如，根据标准DIN 70070，在

溶液(商业尿素溶液)的情况下，尿素含量在31.8％与33.2％(按重量计)(即32.5+/-0.7wt％)之间，因此，可供使用的氨的量值在18.0％与18.8％之间。本发明还可应用于尿素/铵甲酸盐混合物，也是在水性溶液中，它们在商品名Denoxium^TM下销售，并且它们的组合物之一(Denoxium-30)包含了与溶液的氨的等效量值的氨。后者具有的优点是仅从-30℃往下(对比-11℃)才冻结，但是具有缺点是腐蚀问题(这些问题与可能释放的甲酸相关联)以及较少的供货市场(而尿素被广泛地使用并且甚至在如农业的领域中易于获得)。本发明在低共熔的水/尿素溶液的背景中是特别有利的。

根据本发明，液体被容纳在一个储箱中，该储箱可以由任何材料制成，优选地对所讨论的液体具有良好的耐化学性的一种。总而言之，这是金属或塑料。特别是在该液体是尿素的情况下，聚烯烃，具体的是聚乙烯(并且更具体地是HDPE或高密度聚乙烯)构成了优选的材料。

这个储箱可以由在空心体情况中已知的任何转换方法来生产。特别是在该储箱是由塑料并且具体是HDPE制成时，一种优选的加工方法是挤出吹塑模制法。在这种情况下，通过挤出获得一个型坯(一个部分或多个部分)，并且然后在一个模具中通过吹塑模制来成形。来自一个单型坯一个部分模制的储箱给出了良好的结果。

这个储箱有利地配备有一个基板或安装板(即一个支持件，基本上具有一个板的形状)，其上附接有该尿素储藏系统和/或喷射系统的至少一个有源附件。这个基板总体上具有任何形状的、在其自身上闭合的一个周边。通常，其周边具有一个圆形的形状。

在一个特别优选的方式中，这个基板是一个浸没的安装板，即密封该储箱下部壁中的一个开口。表述“下部壁”事实上被理解为是指该储箱的下半部分(无论它被模制为一片或者用两个型坯薄片或多个切口来模制)。优选地，该基板位于在该储箱的下三分之一中，并且更特别优选地在下四分之一中，或甚至直接在这个储箱的底部上。它可以部分在下部侧壁上，在这种情况下，一旦安装在车辆上，它便会稍微地倾斜。该基板的位置和/或方向尤其取决于该储箱在车辆中的位置，并且取决于在它周围被占用的空间(考虑要在其中整合的这些部件)。

因此，这个基板结合至少一个部件，该部件在储存和/或喷射过程中是有源的。应该理解为是指将该部件附接到该基板上或与其生产为一个部分。这个部件可以结合到该储箱的内部、或在外面，如果必要，有一个连接件(传送管)穿过该部件。

优选地，根据本发明的这个变体的该基板整合了几个有源的储存和/或计量部件，并且最特别优选地，它整合了所有的有源的部件，这些活动的部件与存在于添加剂箱中、从其中离开或进入其中的液体添加剂发生接触。

优选地，该部件是选自以下这些元件：一个泵；一个过滤器；一个液面仪；一个温度传感器；一个品质传感器；一个压力传感器以及一个压力调节器。有利的是使根据本发明的方法的泵整合到这样一个基板中并且使该基板整合如以上限定的其他有源部件(优选所有这些有源部件)。

优选地，该基板还整合了至少一个加热元件并且最特别优选地，这个加热元件包括至少一个柔性的部分(如在以本申请人的名义的申请FR 0755118中所说明的，其内容通过引用结合在本申请中)，该柔性部分优选是一个柔性加热器，即一个加热器，该加热器包括附接到一个薄膜上或者放置在两个薄片之间(即两个基本上扁平的支持件，其材料和厚度使得它们是柔性的)的一个或多个电阻条。优选这个薄膜由一种塑料制成(虽然任何其他绝缘材料可是合适的)并且，具体是基于一个弹性体。最特别优选地，这个柔性加热器包括被夹在两个硅树脂薄膜之间的一个或多个不锈钢电阻条，这两个薄膜之一覆盖有一个玻璃纤维网。

优选地，该加热元件在该储箱内部延伸，并且因此当该储箱充满时，该加热元件被浸没(部分地或完全地)在该液体中。更特别优选地，该加热元件主要地由一个柔性加热器构成。优选地，适当时，还有一个加热元件(金属线或柔性加热器)存在于该尿素进料管线直到该喷射以及该返回管线周围。确切地讲，在本发明的一个优选的变体中，该泵有意地计量一个过大的量值(压力)的液体，其过过的部分被返回到该储箱，例如，使用配备有一个校准的阀门的一条管线。在尿素被喷射进入一台发动机的排气中时，这个变体使之有可能使该喷射器冷却，但然而应该注意到，从经济学上讲，这些无返回的管线是更有利的。

优选地，加热这些管线的元件也是一个柔性加热器。

在本发明的一个有利的变体中，在该泵的每次使用之后对该进料管线进行清空(正好在它停止之前)以便减少该系统的启动时间并且避免过早地损坏这些管线(因为在冻结时这些尿素溶液膨胀)。例如，通过刚好用于在将包含在该送料管线中的液体送回储箱所必须的时间中将该泵的旋转方向进行倒转可进行该清空。

就该返回管线而言，如果存在的话，它总体上具有一个相对较低的容积并且因此(如果它被加热)在泵停止时不应该将它清空。因此，为了防止在该清空过程中(当这是通过倒转泵的旋转方向来进行时)在由进料管线与返回管线所确定的环路中液体转圈的环绕流动，有利的是给该返回管线装配了一个止回阀。

根据本发明，在启动该泵之前，确定容纳在该储箱中的液体的温度T1并且将其与一个设定点温度T0相比较(方法的步骤1)。总体上讲，这种测量是使用一个温度传感器来进行的，该传感器被有利地被整合到如先前说明的一个基板中。该设定点温度T0总体上是液体开始固化的温度。当问题是一种能够冻结或结晶的液体时，这个温度总体上是所述结晶开始的温度(即对于低共熔的水/尿素溶液在-8℃附近)。

如果所测量的温度大于T0，则该泵被开动，例如，通过将对应于该设定点压力的一个PWM信号发送给ECM。

如果所测量的温度低于或等于T0，则将该储箱加热一段时间t1。这个时间是所测量的温度的一个函数并且总体上是获得与该喷射管线以及适当时该返回管线的容积相等的液体容积(包括放置在这条管线中的这些附件如过滤器、泵、等的内部容积)所需要的最少时间。如先前所说明，这个时间可以从实验数据和/或理论计算来推导。

实际上，该ECM可将一个信号发送给整合到该储箱(优选地整合到如先前说明的一个浸没的基板中)中的一个加热元件，这样，以一个给定功率使这个储箱加热时间t1。

在这个时间结束时，将泵开动(通过取决于该设定点压力的一个适当的命令)一段时间t2，在该段时间过程中，测量该泵的出口压力(如果需要，方法的步骤4)。再一次，这可以通过使用ECM来进行，它将一个信号发送给泵控制器，指令其在达到该设定点压力所需要的条件下将泵开动一段时间t2，并且有效地测量这个压力。在这个时期上测量压力是在非常精确的时间点上进行，通过使用一个实时操作系统(例如，每50毫秒)这总体上是有可能的。

在一个有利的变体中，该控制器被连接到一个压力传感器上并且它在一个环路中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而作用在该电动机的旋转速度上，以便试图将压力稳定在设定点值上。

总体上讲，这是使用一个压力调节器来完成的，该压力调节器在该设定点压力与所测量的压力之间进行比较并且产生了用于该电动机转速控制器的一个误差信号。

在这个变体中，该调节器可以是任何已知的类型，但优选地是PID(比例-积分-微分)类型。就该压力传感器而言，优选地将它与该泵整合，这就是说它可以通过任何已知的附接手段被附接到泵上。

该时间t2(在其过程中对压力的稳定性进行核实)优选地足够短，这样如果该泵空载运行时它不用冒被损坏的危险，并且它是足够长，这样可以核实该出口压力的稳定性。总体上讲，几秒(甚至几十秒)的数量级的时间是合适的。

如果在该周期t2的过程中，压力是有效稳定的并且在该设定点值的一个可接受的边缘区域之内(看下文)，则该控制器使该泵保持继续工作并且将该泵已经正确启动的信号发送给系统的ECM。

另一方面，如果这个压力不稳定的和/或相对于该设定点压力不在一个可接受的边缘区域之内，将泵停止(总体上通过该ECM发送的一个特别的PWM信号)并且在重新启动泵之前使储箱加热一段时间t3，并且在一个周期t2上以一种反复的方式再次核实该出口压力的稳定性，直至达到一个稳定的设定点压力，并且将这个信息发送给该ECM，或将信息发送给该ECM，根据该信息，例如，如果在启动时的一个有限的数目(如4)的尝试之后，尚未能获得一个稳定的压力时，则该泵尚未能够被启动。

为了核实该压力的稳定性以及其值的准确度(即事实上该压力相对于该设定点在或不在一个可接受的边缘区域之内)，该控制器将一个给定的数学指标应用于这些压力测量并且应用于该设定点压力。.一个基于方差的指标给出了良好的结果。根据这一点，在该间隔t2上，对在这个间隔上进行的n个顺序的压力测量的平均距离相对于参考压力进行评估(即对n个测量中的每一个，计算该测量的压力与该设定点压力之间的差值的平方，将由此获得的这些平方的n个值加在一起并且这个和除以n)。因此，事实上计算了在周期t2上压力的平均方差并且将它与这些泵规格的最大方差相比较。

总体上讲，一个可接受的边缘区域被定义为相对于该设定点压力的几个百分点的偏差。实际上，在该瞬时控制阶段之后这个值应当经常是不超过设定点压力的2％。在这种情况下，如果如以上定义的并且在周期t2上计算的该平均方差是小于(0.02)²乘以该压力的平方，则在周期t2上该压力将是稳定的。如果是这种情况，则判定满足该方差指标并且该控制器使该泵保持继续工作(例如，通过将对应于该设定点压力的一个电压施加到泵上)。

如果不是这种情况，控制器使泵停止(总体上通过一个合适的命令)或如果该泵被阻塞，一个泵诊断管理器(如果存在的话)可以使该电压短路(通过将它接地)。

如果该泵已经正确启动，该控制器发送给ECM以便通知它的这个信号可以精确包括这个电压。

实际上，用来测量一个压力并且计算后来结合的多个压力测量上的平均方差的时间几十个ms(毫秒)的级别，这使之有可能对于几秒级别一段时间t2，进行几十次分隔的方差确定。

根据本发明的方法已经在一个

模拟环境中以及控制一个SCR系统的一台计算机中成功地进行了测试。

本发明是通过附图1以及附图2非限制地展示出。

图1包括根据本发明的方法的一个优选的变体的一个框图，它适用于将尿素喷射到一台内燃机(或SCR系统)的排气中的系统，并且图2展示了这样一个系统的一个优选的变体。

从该尿素系统或SS(启动系统)的启动，该系统控制器核实该储箱中的温度是否在该低温阈值之上(T1＞T0)，以便能够启动该泵而没有损害它的危险。

如果是这种情况(Y或是)，它有效地启动泵(SP)并且将一个对应的信号(PS或泵被启动)发送给一个ECM。

如果不是这种情况(N或否)，它将该储箱以及该系统的这些管线(尿素进料以及返回管线，如果合适的话)加热一段时间t1(H(t1))。接下来，它启动该泵(SP)并且在一段时间t2上，它规则地测量该泵出口的压力并且计算其方差(RP(t2))中的变化。在t2结束时，它比较该压力的平均方差(或其协方差)并且将它与一个设定点值进行比较(p是否可以？)。

如果这是在该设定点值之下(Y)，则该控制器使该泵保持继续工作并且通知ECM该泵确实已经启动(PS)。

如果该协方差在期望值(N)之上，该控制器停止该泵(STP或使泵停止)。接下来，它在重新启动该泵之前再次将该储箱以及这些管线加热一段时间t3(H(t3))并且在一个周期t2(RP(t2))上重新核实该压力的稳定性，等等。这继续下去直到达到一个稳定的设定点压力，将泵保持继续工作并将此情况通知ECM，或者如果在4个重复结束时尚未达到一个稳定的压力则通知它该泵有问题。

如以上提到的，图2展示了一个SCR系统，对其适用来自图1的框图，并且该系统包括以下这些部件(先前在说明中所描述的)：

1：尿素储箱；

2：量规(液面感测器)；

3：柔性加热器；

4：过滤器；

5：压力传感器；

6：用于该柔性加热器的电流传感器；

7：泵；

8：速度传感器；

9：用于这些管线的加热细丝以及泵的加热套；

10：压力传感器；

11：用于管线加热器的电流传感器；

12：喷射器；

13：止回阀，在清空过程中(在该泵反向旋转时)它防止液体(在由送料管线以及用于返回该储箱的管线中产生的回路中)转圈流动；

14：校准的孔口(节流)-用来设置流动速率并增加阻力，以便增大该压力(通过增大该返回管线中的压降)；

15：用于驱动泵的(BLDC)电动机；

16：止回阀，它使泵出口处的压力能够进行调节。

Claims

1.用于启动一个泵的方法，该泵旨在泵送包含在一个储箱中的一种液体并且产生一个基本上恒定的出口压力，所述出口压力对应于设定点压力，根据该方法：

1)确定容纳在该储箱中的液体的温度(T1)并且将其与一个设定点温度(T0)相比较；

2)如果该温度(T1)高于该设定点温度(T0)，则开动该泵；

3)如果该温度(T1)低于或等于该设定点温度(T0)，则将该储箱加热一段时间t1；然后

4)使该泵开动一段时间t2，在其过程中测量该泵的出口压力；

5)如果测量的该泵的出口压力是稳定的并且是在该设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则该泵继续工作；

6)如果测量的该泵的出口压力不是稳定的和/或不在该设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则停止该泵并且将该储箱加热一段时间t3，在时间t3结束时重复步骤4至6。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该泵是由一台电动机来驱动并且由一个控制器来控制的，并且其中一个电子控制模块发送给该控制器一个脉宽调制控制信号，该控制信号具有作为对于该泵所希望的运行状态的一个函数而改变的一个占空比，该控制器作用于该电动机上以将所述的运行状态应用到该泵上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该液体是一种水性尿素溶液。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，该泵被整合到浸没在该储箱中的一个基板之中，该泵还整合了该储箱的其他有源部件。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，该基板整合了一个加热元件。

6.根据权利要求5所述的方法，其中一条液体进料管线从该储箱出来并且一条液体返回管线到达该储箱，并且其中这些管线也装备有一个加热元件。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该泵是一种旋转泵，并且其中在该泵每次使用之后将这些管线清空，这是通过在将包含于该送料管线与返回管线中的液体输送回到该储箱所必需的时间内将泵的旋转方向倒转来进行的。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，该时间t1是获得与该液体进料管线、该返回管线以及这些管线中的这些部件的容积相等的一个液体体积所要求的最少时间。

9.根据权利要求2所述的方法，其中该控制器被连接到一个压力传感器上，并且其中该控制器在一个回路中将该压力设定点的值与由该传感器测量的值相比较，并且因此作用在该电动机的转速上以便试图将该压力稳定在该设定点值上。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在时间t2的过程中，该压力被周期性地测量并且一个基于方差的数学指标被应用到周期性压力测量值上并且被应用到该设定点压力上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，如果在步骤4至6的几次重复结束时该压力不稳定和/或相对于该设定点压力不是在一个可接受的边缘区域之内，则该控制器停止该泵并且发送信息给该电子控制模块，根据该信息，该泵尚未能够被启动。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法已经在一个MATLAB/SIMULINK模拟环境中进行了测试和/或所述方法已经具体地应用到一个选择性的催化还原系统上。