CN101755481A - 使用电阻性加热元件加热scr系统中至少一个部件的方法 - Google Patents

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Abstract

使用几个电阻性加热元件加热一个SCR系统中至少一个部件的方法，根据本方法，这些加热元件是由一个电流源并联地供电，并且根据本方法，将一个电流传感器与该电流源以及并联连接的这些电阻器串联配置。

Description

使用电阻性加热元件加热SCR系统中至少一个部件的方法
本申请涉及一种使用电阻性加热元件加热SCR系统中至少一个部件的方法、并且还涉及可以应用这种方法的一个SCR系统的部件。
除其他事项外，对于车辆和重型货车排放的立法规定了减少释放到大气中的氮氧化物NOx。实现这个目标的一种已知的方式是使用SCR(选择性催化还原)方法，该方法通过将一种还原剂(一般是氨)注入排气管线使氮氧化物能够减少。这种氨可以得自一种氨前体溶液的高温分解，该溶液的浓缩物可以是低共熔的浓缩物。这样一种氨前体通常是一种尿素溶液。
通过SCR方法，发动机在以最佳效率的燃烧过程中所产生的高水平的NOx在离开发动机时在一种催化剂中得到了处理。这种处理要求使用以精确的浓度并具有极端品质的还原剂。因此，将该溶液进行精确计量并注入排气流之中，其中在将这种氮氧化物(NOx)转化为氮气(N2)和水(H2O)之前这种溶液被水解。
为了做到这一点，必须为这些车辆装备有包含一种添加剂(通常是尿素)溶液的一个储箱并且还装备有用于对所希望量值的添加剂进行计量并且将其注入该排气管线的一种装置。
鉴于通常为此目的使用的水性尿素溶液(低共熔的32.5wt％尿素溶液)在-11℃冻结，必须提供一种加热装置以将这种溶液液化以便在冻结条件下起动的情况中能够将该溶液注入排气管线之中。
现有技术已经提供了用于此目的的几种系统。通常，这些系统包括多个加热装置，它们涉及专用加热元件或者发动机冷却回路的一个旁路(例如，见本申请人名下的申请WO 2006/064001)。
就使用专用加热元件而言，人们已知将电阻性加热元件置于含尿素溶液的储箱内部并且任选地置于这些尿素(若适用的话，送料管线和返回管线)管线的上方，泵、过滤器等等以及该系统的其他有源部件的上方。
因此，例如，申请WO 2007/017080建议将两个电阻器(一个用于储箱并且另一个用于过滤器)串联连接，这使之有可能以一个给定的电流通过选择合适的电阻器来调节加热功率。然而，将多个加热电阻器串联连接具有的缺点是如果这些电阻器之一出现故障，则后面的电阻器将失效。此外，使用这样一种连接模式，如果希望使用一个电流传感器来完成一个诊断测试(以自动检查这些电阻器是在正确地工作)，即这被整体(在所有这些电阻器上)执行，因此不会使之有可能从这些使用的电阻器中识别哪一个是有故障的。
本发明旨在通过提供一种方法来解决这个问题，该方法使用几个电阻性加热元件加热SCR系统，专门使用一个单一电流传感器来控制这些加热元件的良好运行。
因此，本申请涉及使用几个电阻性加热元件加热一个SCR系统的至少一个部件的方法，根据该方法，这些加热元件是由一个电流源并联供电的，并且根据该方法，一个电流传感器是与该电流源以及所有这些并联连接的电阻器串联配置。
表述“SCR系统”应该理解为是指用于对来自(优选是车辆的)内燃发动机的排气中的NOx进行催化还原的一个系统。本发明特别适用于使用一种液态氨前体的系统，该液态氨前体能够在地球的特定地区的大气条件下冻结。它特别适用于尿素SCR系统。
术语“尿素”应该理解为是表示任何总体上水性的包含尿素的溶液。本发明给出了使用低共熔的水/尿素溶液的良好结果，对于该溶液存在一个标准质量：例如，根据标准DIN 70070，在
Figure G2008800251197D00031
溶液(商业的尿素溶液)的情况下，尿素含量是在31.8％与33.2％(按重量计)之间(即32.5+/-0.7wt％)，因此可供使用的氨的量值是在18.0％与18.8％之间。本发明还可以应用于在商品名DenoxiumTM下销售的尿素/氨的甲酸盐的多种混合物(同样为水性溶液)，并且这些组合物(Denoxium-30)之一包含了与
Figure G2008800251197D00032
溶液中的氨的量值相当的氨。后者具有的优点是只从-30℃才开始(而不是-11℃)冻结，但具有的缺点是与可能的甲酸释放有关的腐蚀问题。本发明在低共熔的水/尿素溶液的情况中是特别有利的。
如前面所提及，这些SCR系统总体上包括至少一个用于储存控制污染的液体添加剂的储箱并且还包括用于将液体添加剂送到排气中的一个系统，并且该系统总体上包括多个有源部件，如：泵、过滤器、阀门、管道(送料和/返回管道)。根据本发明的方法适用于这样一个系统的任一部件、这类部件的组合、或者甚至适用于一个完整的SCR系统。
这样一个系统的储箱可以由任何材料制成，优选地是对尿素有化学耐受性的材料。一般而言，这种材料是金属或塑料。聚烯烃类，特别是聚乙烯(以及更特别地是HDPE或高密度聚乙烯)构成了优选的材料。
这种储箱可以通过在空心体情况下已知的任何转换工艺来制造。特别在储箱是用塑料(尤其是用HDPE)制成时，一个优选的加工方法是挤出-吹塑模制工艺。在这种情况下，通过挤出获得一个型坯(处于一个或多个部分)，然后该型坯在一个模具中通过吹气模制而成形。由单个型坯单件模制的储箱产生了良好的结果。
这种储箱有利地配备有一个基板或者安装板(这就是说，基本上具有板形的一个支撑件)，其上附接有该尿素储存系统和/或注入系统的至少一个有源附件。该基板总体上具有在其本身上闭合的任何形状的周边。通常，其周边具有圆形的形状。
在一种特别优选的方式中，这个基板是一个被潜没的安装板，即将该储箱下部壁中的一个开口密封的一个板。事实上，表述“下部壁”应理解为是表示该储箱的下半部分(无论它被模制为一体或者由两个型坯板材或切割件来模制)。优选地，该基板位于储箱的下三分之一中，并且更特别优选在下四分之一中，或者甚至直接在该储箱的底部。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，它便会略微倾斜。该基板的位置和/或方向特别地取决于储箱在车辆中的位置，并且取决于在其周围被占用的空间(考虑到其中有待一体化的这些部件)。
因此，该基板结合了至少一个部件，它在储存和/或注入过程中是有源的。这被理解为表示将该部件附接到该基板上或与其制造成一个零件。这个部件可结合到该储箱之内，或者在外部，并且带有穿过它的一个连接(输送管)(如果必要的话)。
优选地，根据本发明的这种变体的基板将几个有源的储存和/或计量部件一体化，并且更特别优选地，它整合了所有这些有源部件，这些有源部件与存在于该添加剂箱中、从其离开或进入其中的液体添加剂相接触。
根据本发明的这一变体的储箱基板可以通过任何已知的方法获得，但优选它是通过注塑模制获得的，这种方法使之有可能获得良好的尺寸精确度。
优选地，该基板是基于对尿素以及对在尿素老化过程中产生的这些产品有耐受性的一种材料，如：聚缩醛，并且特别是POM(聚甲醛)；聚邻苯二甲酰胺(例如，级别)；或聚酰胺类，以及特别是强化(例如，用玻璃纤维)的聚酰胺等级的。优选地，该基板是用聚酰胺制成，并且它包括一个输送管，该输送管与如先前描述的基板模制成一体。
本发明适用的、并且可能被整合或可能不被整合到上述基板中的部件装备有至少两个并联连接的电阻性元件(该部件不排除事实上它还可以包括一个或多个串联连接的这类元件)。
这些电阻性元件可以是金属加热丝、柔性加热器(即包括一个或多个电阻条的加热器，该或这些电阻条被附接到一个薄膜上或者被配置在两个薄膜之间(即两个基本上扁平的支架，其材料和厚度使它们是柔性的))或者具有适合于插入和/或围绕该部件缠绕的形状、大小以及挠性的任何其他类型的电阻性元件。对于该储箱以及其基板，如果合适的话，柔性加热器是特别适合的。
柔性加热器的一个优点是它们可以具有任何形状，甚至可能是一个复杂的形状，从而一个单个的加热器(根据一种“样式”设计的)可以被用来加热储箱的不同部分，甚至是彼此远离的多个部分。因此，在一个优选的变体中，该柔性加热器包括一个本体以及至少一个赘生物或触须，该赘生物或触须装备有电阻条的至少一部分。最特别优选地，它包括几个赘生物或触须，这些赘生物或触须被均匀地定位在该储箱中以便能够完全并且尽可能均匀地加热其内容物，甚至在远离该加热器的本体(这些触须由此处延伸)的这些角落处。在这个变体中，该加热器的本体可以包括一个电阻条以及这些触须、至少一个另外的电阻条，这些条优选地被并行连接到一个电源端子上。
术语“本体”应该理解为表示该加热器的一部分，这些触须从此处开始或者这些电阻条开始于和到达此处。
根据本发明该方法所适用的SCR系统/部件的这些电阻器(电阻性加热元件)是由一个电流源来供电的。这可以是车辆的电池，该电池提供约12伏的标称电压(通常具有9伏的最小值以及16伏的最大值)。
优选地，每个电阻器被独立地接地并且该电流传感器被插在该电流源与这些接地的电阻器之间。通常，这些电流传感器将经其流过的电流(并且该电流因此是流经每个电阻器的这些电流之和)转换为具有给定灵敏度的一个电压。通常，在零电流的情况下所产生的电压不为零而是等于该传感器的供给电压的一定的百分比(如，约为这个电压的10％)，并且该电压被称作偏置电压。这样一种偏置的优点是可以控制传感器的功能(因为如果传感器工作，电压就不等于零，即使无电流通过它流过)。
这些SCR系统总体上仅被加热到一个特定温度之下(从这个温度起添加剂开始固化)。对于上述的低共熔的水/尿素溶液，这种加热通常在约-8℃时发生。
总体上讲，这些系统是由一个电子控制单元(ECU)控制的，除其他之外，该控制单元通过例如作用于一个单个的转接器(电源开关、功率MOSFET、等等)上来决定加热系统的启动/停止，该转接器定位在该电流源与这些电阻器之间(优选地在该电流传感器上游)的供电线路中。因此，在这样一个系统中，所有这些电阻器是同时启动的。
然而，在所使用的这些电阻器相对于它们的标称值具有太大的差量的情况下，将无法在所有情况下确立一种可靠的诊断性测试。例如，在一个系统具有很不同的值的2个电阻器和/或在这2个电阻器正确地运行的情况下由传感器读出的电流范围与这2个电阻器中仅有一个(最小的)正在运行时的范围具有一个共同区域时，情况就是如此。这是通过本文件所附的图1和表1来说明的，以下将对此进一步予以详细说明。
因此，根据本发明的一个有利的变体，每个电阻器被各自连接到该电流源上并且被接为形成一个电阻性支路，并且使这些不同的电阻性支路顺序启动(例如，在它们的每一个中使用一个转接器，使在先的一个由合适的控制系统(ECU)启动)。在这样一个系统中，一个正确工作的支路的每次启动对应于传感器读出的电流的一个增量(以及因此由它产生的电压的一个增量)。因此，有可能进行一个特定的诊断测试而不考虑所使用的这些电阻器的各自的阻值以及差量(因为每个电阻器对应于电压的一个“跳变”，这个跳变值几乎没有什么价值，它的出现本身证明了所讨论的电阻器的正确工作)。
然而，这样一种方法将仅能够检测一个电阻器是否正在工作(允许电流流过它)，而不能检测它是否出现故障(即，过度加热，这可能导致系统退化以及尿素溶液的降解；或者加热不足，这可能导致由于结霜的退化问题)。
因此，一种改进的方法包括：测量每次启动电阻器时的电流并且将这些电流比值与这些电阻器的阻值(电阻)比值进行比较。这样一种方法(它在所附的图3至图5中被举例为n＝2)不仅允许免除电压的实际值而且还允许独立地检查每个电阻器的性能(即，确定是否每个电阻器正在正确地、不充分地或者过度地加热)。
事实上，更精确地讲：在该方法中不是真正测量该电流；实际上该电流是由电流传感器的电压输出计算出的(如由图3至图5以及涉及到其上的上下文中将看清楚)。
以上说明的将这些电阻器顺序启动的诊断方法总体上是在一个加热过程开始时执行的(例如，如果该发动机在结霜条件下起动或者如果在发动机运行时检测到结霜)。
最后，本发明涉及用于加热一个SCR系统的至少一个部件的系统，这种系统包括：多个电阻性加热元件，这些加热元件被并联连接到一个电流源上；一个电流传感器，该电流传感器与该电流源以及所有这些并联连接的电阻器串联配置；以及一个用于检测该系统故障的单元，该单元使之有可能解释由传感器所发出的一个信号。
这个检测单元(或诊断单元)可以是专门用于这个目的的一个专用ECU。可替代地并且优选地，它与控制加热的以及传感器对其发送它的信号(通常是电压)的单元是同一个ECU。
以上在该方法的背景中所说明的这些有利的变体还可以应用于根据本发明的系统。具体地讲，该系统的一个特别有利的变体包括每个电阻器的一个独立的电阻性支路(如以上定义的，即将每个电阻器独立地连接到电流源上并且各自接地)，并且这些支路各自装备有一个转接器。特别有利的是，这个系统的ECU顺序地启动这些支路并且为了做到这一点而使用了作用在这些支路上的多个延迟装置(如，延时继电器)，这些延迟装置作用在以一种延迟的方式被启动的这些支路上(即，除了被直接启动的第一个支路之外作用在所有之路上)。
最后，本发明还涉及装备有一个如以上说明的加热系统的一个SCR系统，并且该系统包括至少一个部件，该部件选自：一个尿素箱、该尿素箱的一个基板、一个尿素送料或返回管线、一个尿素过滤器或泵。
通过表1和表2并且通过图1至图5非限定性地展示了本发明。图1和图2展示了本发明的两个变体的原理并且表1说明了与第1变体(根据图1)的一个特别情况的工作相关的计算。图2以及图3至图5涉及该第二变体(图2的情况)的一个次级变体(变形)。
在这些图中，相同的数字表示相同的部件。
图1示意性地说明了一种加热方法，该方法使用一个电流源VBAT、一个转接器(PS或功率开关)、一个电流传感器CS以及3个电阻器R1、R2和R3，这些电阻器各自独立地连接到车辆的接地端GND上。
根据这种方法，一个ECU(未表示)在时间T0将一个命令发送给转接器PS，指令它启动这些电阻器，即，使电流同时流过这些不同的电阻性支路。从这个时刻T0开始，一个电流流过电流传感器CS，这个电流等于流过每个电阻性支路的这些电流之和，并且该电流传感器产生与这个电流成比例的一个输出信号(电压)。从这个电压的幅值可以检查所有这些电阻器是否正在起作用并且在发生故障的情况下可以识别出有问题的电阻器，通过在以下段落中列出的规定......
即，在例如若R1、R2和R3各自等于约十欧姆并且带有高精度时、若电池产生一个相当恒定的电压时并且若该传感器的灵敏度和准确性良好时，即换言之：在具有顶极质量的设备时，这样一种方法是有效的。然而，对于最合理地定价的商业装置(大规模生产的产品)，这些参数的波动的情况使这种方法无法应用。
表1展示了这种情况并且考虑，例如，在装备有加热电阻器(Rpump)的一个尿素泵的情况，该电阻器具有14.4欧姆的标称值(nom)(但它在13.68欧姆的个最小值min与15.8欧姆的最大值max之间变化)并且与旨在用于尿素送料/返回管线的一个加热电阻器(Rlines)并联连接，该电阻器的对应值(也以欧姆为单位)是1.44欧姆(min)、1.8欧姆(nom)以及2.16欧姆(max)；它们在一个电池VBAT上，该电池提供12V(nom)(在9V(min)与16V(max)之间)。
如果为了在这个系统上进行诊断测试(以识别这2个电阻器是否正在正确地工作)，则使用具有表1所展示的这些特征的一个电流传感器，即：用于5V(nom)(4.9(min)以及5.1(max))的一个实际电源Vcc的185mV/A(nom)(179.5(min)以及190.5(max))的一个灵敏度CSS，这将不会始终有可能确切地获知Rpump是否正在正确地工作，因为仅在Rlines正在运行或者仅在Rpump以及Rlines均正在运行时，由CS所产生的电压范围具有一个重叠区域(见表1：如果传感器给出一个从1.320至2.666伏的功率(电压)输出，则不可可能区分这两种情况)。
因此，图2示意性地展示了一个可替代的(优选的)变体，该变体使用3个分离的转接器PS1、PS2、PS3(每个电阻器R1、R2、R3有一个转接器)以及两个延迟装置D1、D2，这些延迟装置作用在对后2个转接器PS2、PS3上。
根据这种方法，一个ECU(未表示)在时间T0将一个命令发送给转接器PS1，指令它只启动电阻器R1，即，使电流独自流过它。在这个时刻T0，电流传感器CS产生一个输出信号(电压)，该信号是与仅流经电阻器R1的电流是成比例的。
由ECU在时间T0发出的命令还启动了延迟机构D1和D2，这些延迟机构将分别在ΔT1以及ΔT2结束时启动转接器PS2以及PS3，以允许电流在ΔT1结束时首先同时流经RI和R2并且在ΔT2结束时流经R1、R2和R3。因此，如果这些电阻器如图2所示在正确地工作，则各自在T0、ΔT1以及ΔT2结束时在CS输出处观察到一个电压跳变。如果这些电阻器之一有缺陷并且不允许电流流过，则将不会观察到相应的电压跳变并且相关的电阻器将被识别出。
这样一种方法是有效的而无论与这3个电压跳变的这些对应值如何，因此与所使用的这些仪器的准确性无关。
图3至图5以及表2展示了一种甚至更好的方法，该方法允许去除实际观察到的电源(电压)的偏差(即，事实上电池一般不产生其标称电压)。图3是该系统的物理布局；图4说明了这些定时器的作用而图5是所讨论的方法的一个框图。
在这个实施方案中，ECU在时间(T)等于T0时将一个加热命令HC发送给这些线路的电源开关(PS管线)，并且启动2个定时器(定时器1以及定时器2)，这些定时器未在图3上展示但其作用是在图4和图5中解释的。
当定时器1达到一个预定值(如，100ms)时，测量电流传感器CS的输出Ucs并且根据一个公式计算这些线路中的电流，该公式专门用于该传感器(通常，Ilines＝f(Ucs，Vcc，CSS)，其中Vcc与CSS是以上定义的)。这个值Ilines被存储在ECU的存储器中。
当时间(T)等于ΔT时(例如，它同样是一个800ms的预定值)，延迟机构D接通(通过泵的电源开关PS泵)泵的加热并且当定时器2达到一个预定值(例如：900ms)时，电源输出Ucs被再次测量并且被用来计算流经传感器的总电流Ics。这样，流经泵的电流的对应值Ipump可以被计算为Ipump＝Ics-Ilines。
Ipump与Ilines之比或Iratio＝Ipump/Ilines事实上是与由电池VBAT产生的功率无关，因为：
Ipump＝VBAT/Rpump；
Ilines＝VBAT/Rlines；
Iratio＝(VBAT/Rpump)/(VBAT/Rlines)＝Rlines/Rpump
因此，通过计算Rratio max＝Rlines max/Rpump min以及
Rratio min＝Rlines min/Rpump max，有可能检查出Iratio相对于它们所处的位置。
如果Iratio＞Rratio max，则这些线路的电阻器不起作用。
如果Iratio＜Rratio min，则该泵的电阻器不起作用。
如果Iratio被包括在以下范围中：
Rratio min＜Iratio＜Rratio max
则两个加热元件均正确起作用。
在表2中对于与如表1的那些相同的Rpump以及Rlines的值展示了这一点。
表1
              值                       单位
              min      nom    max
Rlines        1.44     1.8    2.16     ohm
Rpump         13.68    14.4   15.84    ohm
VBAT          9        12     16       V
CSS           179.5    185    190.5    mV/A
Vcc           4.9      5      5.1      V
偏移＝10％Vcc 0.49     0.5    0.51     V
                                             公式
如果仅Rlines
               Min     Nom    Max
工作
Ilines＝Rlines                               VBAT(min，nom，max)/
               4.17    6.67   11.11    A
与CS中的电流
                                             Rlines(max，nom，min)
来自CS功率输                                 偏移+(CSS(min，nom，
               1.238   1.733  2.627    V
出                                           max)*I1/1000)
如果1.5％精度
来自CS的功率   1.219   1.707  2.666    V     (0.985*min，1.015*max)
输出范围
如果仅Rpump
工作
Ipump＝Rpump                                 VBAT(min，nom，max)/
               0.57    0.83   1.17     A
与CS中的电流                                 Rpump(max，nom，min)
来自CS的功率                                 偏移+(CSS(min，nom，
               0.592   0.654  0.733    V
输出                                         max)*I2/1000)
如果精度为
1.5％，来自CS  0.583   0.644  0.744    V     (0.985*min，1.015*max)
的功率输出范围
如果Rlines与
Rpump均工作
                                             I1(min，nom，max)+I2(min，
CS中的电流     4.735   7.500  12.281   A
                                             nom，max)
来自CS的功率                                 偏移+(CSS(min，nom，
               1.34    1.888  2.849    V
输出                                         max)*(I1+I2)/1000)
如果精度为
1.5％，来自CS  1.320   1.859  2.892    V     (0.985*min，1.015*max)
的功率输出范围
表2
这些加热器电阻值的最大                 Rratio Max＝Rlines max/Rpump
                             0.1579
比值                                   min
这些加热器电阻值的最小                 Rratio Min＝Rlines min/Rpump
                        0.091
比值                                   max
如果Iratio＞Rratio max则
线路加热器失效
如果Iratio＜Rratio min则
泵加热器失效

Claims (10)

1.使用几个电阻性加热元件加热一个SCR系统中至少一个部件的方法，根据该方法，这些加热元件是由一个电流源并联供电，并且根据该方法，一个电流传感器与该电流源以及并联连接的所有这些电阻器串联配置。
2.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，每个电阻器被接地并且其特征在于该电流传感器被插在该电流源与这些电阻器之间。
3.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，一个电子控制单元(ECU)通过作用在定位于该电流源与这些电阻器之间的一个转接器上来调节该加热系统的启动/停止。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将这些电阻器顺序启动。
5.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，该顺序启动是使用多个转接器来进行的，一个转接器在每个电阻器前面，并且这些转接器是由一个ECU来顺序启动的。
6.根据前述权利要求所述的方法，根据该方法，由该传感器在每次启动一个电阻器时测量该电流，并且将这些电流之比与这些电阻器的值(电阻值)之比进行比较。
7.用于加热一个SCR系统中至少一个部件的系统，并且该系统包括：多个电阻性加热元件，这些加热元件被并联连接到一个电流源上；一个电流传感器，该电流传感器与该电流源以及所有这些并联连接的电阻器串联配置；以及一个用于检测该系统的故障的单元，该单元使之有可能解释由该传感器发出的一个信号。
8.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，该检测单元包括一个ECU，该传感器对该ECU发送一个电压信号，这个ECU还控制着这些电阻器的启动。
9.根据前一权利要求所述的系统，其特征在于，该系统包括每个电阻器的一个独立的电阻性支路(即，每个电阻器被独立地连接到该电流源上并且被各自接地)，这些支路各自装备有一个转接器并且除一个之外均受制于一个延迟机构的作用。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的装备有一个加热系统的SCR系统，这个系统包括至少一个部件，该部件选自一个尿素储箱、该尿素储箱的一个基板、一个尿素送料或返回管线、一个尿素过滤器或泵。
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