CN102066761B - 启动scr系统的方法 - Google Patents

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Abstract

用于启动一个SCR系统的方法，该SCR系统旨在使用一个进料管线将尿素从一个储箱输送到一台发动机的排气中，这个系统包括一个旋转式泵，该旋转式泵由一个控制器控制并由一个无刷直流(BLDC)电动机驱动，该电动机包括装备有至少一个永磁体的转子以及装备有包括至少3个电磁线圈的定子，在这些线圈中直流电流可以按照一个给定的顺序流动以使转子旋转，根据该方法，在启动这个泵之前，使用一个传感器测量温度并且如果这个温度是低于一个设定点温度，在使转子旋转之前令该电流通过这些线圈中的至少一个，其方式为使得该电流将泵预热而不使该转子旋转。

Description

启动SCR系统的方法
本申请涉及一种启动SCR系统的方法，该SCR系统旨在在冻结的状态下工作。它特别涉及对旨在用于水性尿素溶液的泵进行预热。
除其他事项外，关于车辆以及重型货车的排放物的法规还规定减少释放到大气中的氮氧化物NOx。实现这个目的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)喷射到排气管线中而能够减少氮氧化物。这种氨可以从一种氨的前体溶液的高温分解中得到，该前体溶液的浓度可以是共溶浓度。这样一种氨的前体一般是一种尿素溶液。
通过这种SCR过程，发动机在以最佳效率燃烧的过程中所产生的高水平的NOx在离开发动机时由一种催化剂得到处理。这种处理要求使用的还原剂具有一个精确的浓度和极高的品质。因此，对这种溶液精确地进行计量并且将其喷入排气气流中，在那里该溶液被水解然后将氮氧化物(NOx)转化为氮气(N2)以及水(H2O)。
为了做到这一点，必需给车辆装备含有一种添加剂溶液(一般是一种水性尿素溶液)的一个储箱并且还有一个装置，该装置用于对所希望的添加剂的量进行输送和计量并且将其喷入排气管线中。鉴于为了达到这个目的而一般使用的水性尿素溶液(共溶的32.5wt％的尿素溶液)在-11℃冻结，必需提供一个使这种溶液液化的加热装置，以便在冻结状态下启动时能够将溶液喷入排气管线中。这个装置理想地应该覆盖储箱的至少一部分并且还覆盖从这个储箱到喷射器的管线，并且优选地还覆盖在这条管线中遇到的附件(过 滤器、泵、等等)。
在一个优选的变体、在本申请人名下的申请FR0755118的主题中，这些附件被整合在一块基板上，该基板被浸没在储箱中并且该基板是使用一个柔性加热器来加热的，也就是说将一个或多个电阻式轨道插入在两片柔性薄膜之间或者将其粘贴到一片柔性薄膜上。虽然这种类型的装置非常有效并且能够将基板的所有形状与附件的所有形状进行匹配，但该装置具有额外的成本并且此外它不会使之有可能容易地加热大部件(例如像泵)的内部。
然而，尤其对于尿素系统而言，一种类型非常有效的泵包括由一台无刷直流(BLDC)电动机驱动的旋转式泵。在这样一台电动机中，是由放置在定子中的电磁线圈的顺序切换(根据一种限定的时序)来使转子转动的。虽然处于这些线圈(绕组)基底部的导线一般具有一个相对较小的电阻(以防止焦耳效应引起的损失以及电动机过热)，然而它们发出了一个并非不可观的热量，该热量当然仅是一旦在泵被启动时才可供使用的。
本发明是基于利用通过焦耳效应的这种热量的释放但不引起泵旋转的想法，以便在例如冻结的情况下(泵启动之前)使泵预热。
为此目的，本申请涉及一种启动SCR系统的方法，该SCR系统旨在使用一个进料管线将尿素从一个储箱运输到一台发动机的排气中，这个系统包括一个旋转式泵，该旋转式泵由一个控制器控制并且由一个无刷直流(BLDC)电动机驱动，该电动机包括装备有至少一个永磁体的一个转子并且具有包括至少三个电磁线圈的一个定子，在这些电磁线圈中直流电流按照一个给定的顺序流动以使转子旋转，按照此方法，在启动该泵之前，使用一个传感器来测量温度并且如果这个温度是低于一个设定点温度，则在使该转子旋转之前，使该电流通过这些线圈中的至少一个，其方式为使得该电流预热 该泵而不使转子旋转。
应用于本发明的泵是一种旋转式泵，该泵由一台BLDC电动机驱动并且该泵的运行是由一个控制器来控制的。这台电动机可以是一台内置或者外置转子的电动机。优选地，它是一台内置转子的电动机。
这种电动机的定子包括至少三个线圈，以便具有至少三个相，这些相可以被组装成星形或者三角形构形。因此这个定子总的来说包括三个线圈的倍数，一般是3、6或9。通过一台电动机已经获得良好的结果，该电动机具有一个内置转子以及一个定子，该定子包括9个线圈，这些线圈围绕该转子被均匀地定位并且被连接以便形成3个相(即每相(A、B或C)包括3个线圈，并且所述线圈是围绕转子按照A、B、C、A、B、C、A、B、C的次序均匀定位的)。
根据本发明的方法所应用的泵被优选地设计以便能够在两个相反的旋转方向上运行，一个方向总体上对应于将液体供给一个进料管线并且另一个方向总体上对应于清空该进料管线(以及清空在其中发现的这些附件)。实际上，这可以通过将这些线圈(相)的激励顺序逆转而容易地实现。
优选地，这种旋转式泵是属于齿轮泵的类型。这些泵实际上具有的优势是在旋转的两个方向上都能提供相同的泵效率。
同样优选地是，泵的转子是一个内置转子，该转子配备有至少一个凹陷，通过该凹陷迫使液体被吸入。这个变体是本申请人名下的申请FR06/05082的主题，该申请的内容通过引用结合在本申请之中。在这个变体中，对于在清空后泵内可能含有的液体残留物以优化方式进行加热。
泵的控制器是一个控制模块(一般包括一个PID(比例积分微分)调节器和一个电动机旋转速度控制器)以及一个电力供应单元，该电力供应单元优选地给电动机供应使其以所希望的速度进行旋转所要求的动力、并且在必要时能够使其旋转方向逆转。
最特别优选的是，一个ECM(电子控制模块)给这个泵控制器发送一个CAN(控制器区域网络)信息或者一个PWM(脉冲宽度调制)控制信号，该控制信号具有一个占空比，该占空比随着对于泵所希望的运行状态而变化并且然后该控制器作用在电动机上以便将所述这些运行状态应用到泵上。这样一个系统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。
在本发明的这个变体的背景下，“运行状态”的表述应理解为是指与泵的运行压力(无论在或不在预热模式中，当这个泵处于休止时这个压力为零)相关的信息并且还指至少一条另外的信息，如其停止/阻止信息、它的旋转方向以及它必需在预热模式下运行的事实。它们优选是泵所有的这些运行状态，即：停止、向前驱动、反向驱动、运行压力(在泵的出口处)、预热、等等，这样使得泵的运行完全被一个单一信号管制。换言之：控制器接收多个编码指令(以CAN信息的形式或一个可变占空比的PWM信号的形式)，这些指令告诉它是否必须使泵停止或使泵向前旋转、反向旋转以及处于什么压力、或者它是否必须预热泵(这是通过作用于电动机来实现的，即进而总体上发送给它一个电压信号，这个电压信号可以是PWM类型的)。<0}
泵的控制器解读这条CAN信息或PWM型信号并且(取决于该CAN信息或该占空比)停止该泵或切换这些相(这些线圈)以便调节所要求的压力或者以便清空该系统或者以便将泵加热。
在一个优选实施方案中，在此提供了一种安全措施以便防止泵过度加热。它是基于以下事实，即电流随温度而减小(这是因为电源(电压)保持常数时，这些线圈的电阻增加)。在这个实施方案中，控制器监测这个电流并且当所述电流达到一个给定的最小值时，将电源关闭。在实际中，对于上述9个线圈的电动机以及对于0.5V的电源来说，当电流(最初等于7A)达到6A时，这种情况可以发生。
根据本发明的方法所应用的泵是旨在于冻结状态下用于泵送(输送)一种液体，这就是说当温度达到一个低温阀值时并且当液体能够冻结或能够固化时。这些液体例如可以是水性溶液。特别好地应用了本发明的一种液体是尿素。
术语“尿素”应理解为是指任何(一般是水性的)包含尿素的溶液。本发明对于共溶的水/尿素溶液给出了良好的结果，对于这些溶液存在一个质量标准：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，可获得的氨的量值在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/氨的甲酸盐混合物(同样为水性溶液)，并且其组成成分之一(Denoxium-30)包含与 溶液中的氨量值相当的氨。DenoxiumTM溶液具有的优点是仅在-30℃起(对比-11℃)冻结，但是具有的缺点是与可能释放的甲酸相关联的腐蚀问题以及一个较小的供货市场(而尿素被广泛地使用并且甚至在如农业领域中是易于获得的)。本发明在共溶的水/尿素溶液的背景下是特别有利的。
这种尿素一般是包含在机动车辆上车载的一个储箱中并且这个储箱有利地装备有一个基板或者安装板(这就是说，一个基本上具有板的形状的支撑件)，其上附接有该尿素储存系统和/或喷射系统的至少一个有源附件。这块 基板总体上具有任何形状的一个周边，该周边自身闭合。通常，其周边具有圆形的形状。
在一种最特别优选的方式中，这块基板是一块浸没式安装板，即它密封了储箱下壁的一个开口，并且它至少与泵相整合。“下壁”的表述事实上应理解为是指储箱的下半部分(无论它是否以一件来模制或者从两个型坯薄板或者切片来模制)。
在根据本发明的该方法之内，在预热模式下，使电流通过至少一个线圈(优选地，通过所有线圈)但这是以一种不使转子旋转的方式进行的。相反地，在泵的运行过程中，电流按照一个顺序通过这些线圈，这样使得产生的电磁力或多个力具有一个切向分量，以便产生一个永久的旋转扭矩。在电动机具有3个线圈的情况下，例如，它足以在一个给定的方向(顺时针或者逆时针)依次激励每个线圈而不激励其他2个线圈，从而产生这样一个扭矩。在一个泵如以上所述具有9个线圈和3相的情况下，例如可以依次激励每个相。
为了在产生加热效应的同时不产生一个永久的扭矩，有可能在每个加热周期的过程中按照一个给定的顺序(时间方案)或随机地激励这些线圈(相)而不产生产生任何扭矩。在附图1至附图3中给出了不产生扭矩的一个给定的激励顺序的例子，稍后将对该实例予以解说。
可替代地，在每个加热周期的过程中，可以给这些线圈(相)中的一些持续地供电，而一些其他线圈则不供电。这个实施方案是优选的，因为在前一个实施方案中，在每次切换时(改变被激励的线圈)产生一个即刻的扭矩，如若该泵实际上被冻结的液体堵塞则这个扭矩可以引起机械张力。在一个甚至更优选的实施方案中，由控制器来记忆在每个加热周期的过程中被永 久通电的这些线圈并且在下一个加热周期中，将它们中的至少一些置于休息状态而激励其他(在第一加热周期中休息)的线圈。这个实施方案具有的优势是简单和不使特定线圈过度老化，即，使得由于加热过程引起的磨损分散到所有这些线圈上。例如，在以上所述的具有9线圈和3相的泵中，可以重复以下加热周期(在一个给定周期的过程中就持续地激励的相而言)：A和B、A和C、B和C。可替代地，控制器在每个加热周期中可以随机选择两相通电。
在本发明的一个优选的实施方案中，还在启动一个加热周期时避免了产生一个即刻扭矩(这发生在冻结状态下启动时并且在上次系统运行时泵已经转到反向模式动之后这个泵能够以反向(清空)模式转动的情况下)。为了达到这个目标，在接通泵之前定子必需相对于转子处于一个磁性平衡位置，所述平衡位置对应于当对于(在控制器中编程的)下一个加热周期所要求的这些线圈(相)进行激励时该转子上的一个零扭矩。
例如，完成这一点的方式可以在一次系统运行后(当泵上的电源被关闭时)通过仅仅让转子减速并停止在一个给定位置，然后对下一个加热周期简短地施加该激励方案，这样使得在明确地关闭系统的电源之前达到与其相对应的磁性平衡位置。
可替代地，控制器可以在一个系统运行结束时作用于转子上以便人为地将其停止(制动)(例如通过逐渐减小它的占空比，从而使得给出一个零速度作为最后的指令)、记忆被最后激励的这些相应的线圈(相)以便在下一个加热周期中持续地激励这些相同的线圈。
本发明具体涉及一种方法，根据该方法：
1.确定装在储箱中的尿素的温度(T1)并且将其与设定点温度(T0) 相比较；
2.如果温度(T1)高于设定点温度(T0)，则致动该泵；
3.如果温度(T1)低于或等于该设定点温度(T0)，则将储箱和泵加热一段时间t1而不使泵旋转；然后
4.将泵致动一段时间t2，在此过程中测量泵的出口压力；
5.如果这个压力是稳定的并且是在设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则使该泵继续工作；
6.如果这个压力是不稳定的和/或不在该设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则停止该泵并且将储箱和泵加热一段时间t3，在该段时间结束时重复步骤4至6。
一种此类的方法，但它仅对该储箱加热(并且不是明显地使泵加热，虽然泵是通过该储箱加热器而被加热)，是本申请人名下的申请FR 0755875的主题，为此目的将该主题的内容通过引用结合在本申请中。
根据本发明的方法的一个特别有利的变体，在储箱被开启加热时并非未始终开启泵的加热，因为事实上该泵加热比储箱的最小除霜时间要快，这样就存在着该泵将过度加热的危险。机动车辆制造商一般规定一个最小除霜时间，并且因为在美国有EPA(或叫环境保护署)规定的确定这个时间的标准，它有时被称为EPA时间，而本申请人已经发现解冻该泵所要求的时间(通过一个给定的设计和电源)优选是根据温度(大气温度或储箱内温度)以及该箱内的液体的液位(它是由一个计量器确定，但它优选由ECM计算的)来计算的。
因此，根据本发明的方法的一个有利的变体，根据在储箱内液体的温度和体积来确定该泵如上述通过这些线圈的预热时间(＝Tpc)。并且根据一个特别有利的变体，从一个时间t0开始对该储箱加热一段时间t1并且在一段时 间t1-Tpc后通过其线圈开始泵的加热，因此在时间t1结束时在同一时间停止加热该储箱和该泵，该时间t1一般是由制造商规定的一个固定的时间段(并且它如上所述例如是EPA时间)而Tpc是按如以下解释来计算的。换言之：从时间t0开始对储箱加热一段时间t1并且在一个时间段t1-Tpc后对该泵加热一个时间段Tpc，其中t1是一个固定的时间段，但其中Tpc是根据温度以及该储箱中存在的尿素的体积来计算的。
一旦停止加热(泵和储箱)，即在时间段t1之后，优选地根据与如以上所述的步骤4到6相似的一个方案启动该泵，即：
1.使泵致动一段时间t2，在此过程中测量泵的出口压力；
2.如果这个压力是稳定的并且是处于设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则使泵继续工作；
3.如果这个压力不是稳定的和/或不是处于设定点压力的一个可接受的边缘区域之内，则使泵停止并且将储箱和泵加热一段时间t3，在该段时间结束时重复步骤1至3。
根据本发明的另一个、甚至更优选的实施方案(允许更好地受益于热传导现象)，或者在开始加热储箱时对泵进行加热、或者偶尔地加热泵以便在该储箱的整个加热时间段上达到所要求的总加热时间。
作为以上所述这些实施方案的替代方案，在预热过程中可以对泵的供电(即通过定子的这些线圈的电流)进行适配以便使泵的解冻时间与储箱的解冻时间相匹配。
最后应注意的是，平均而言，整合到车辆中的这些系统的参考电压被估计为13.5V(伏特)，而实际上这个电压可以波动。因此，根据本发明的一个有利变体(该变体可以与以上所述的那些相组合)，根据由ECU测量的电 压来对加热时间(尤其是泵的加热时间)进行适配，值得注意的是：如果这个电压低于13.5V，则加热时间将更长并且如果这个电压高于13.5V，则加热时间将较短。
在根据本发明的方法的一个有利变体中，在每次使用泵之后将进料管线(正好在将它停止之前)清空以便减少系统的启动时间并且避免过早地损坏这些管线以及这些附件(因为尿素溶液在冻结状态时发生膨胀)。例如，可以通过将泵的旋转方向倒转刚好持续将包含在送料管线和附件中的液体送回储箱所必须的时间来执行该清空。
本发明还涉及用于机动车辆(汽车、卡车、等)的一个SCR系统，该系统包括一个液体泵，该泵具有一个BLDC型驱动电动机，该电动机包括装备有至少一个永磁体的一个转子以及包括至少3个电磁线圈的一个定子，该电动机由一个系统来控制，该系统使之有可能使电流流入这些线圈中的至少一个中而不引起转子旋转。
根据一个优选的变体，该SCR系统包括一个装备有加热器的储箱以及一个时间延时装置，该延时装置能够启动储箱的加热并且随后启动泵的加热。
应当指出，以上在这些方法的背景下说明这些优选变体同等地适用于根据本发明的泵和SCR系统。
附图1至附图4以非限定的方式展示了本发明。
图1和图2展示了一个切换方案，它用于具有3个线圈的一个BLDC电动机，这些线圈被对应地连接为星形构形(图1)以及三角形构形(图2)。图3展示了切换顺序的一个逻辑图，该切换顺序使得能够进行来自图1和图2 的电动机的预热。最后，图4展示了根据本发明的一个优选变体的储箱的加热时间和泵的加热时间。
来自这些图的BLDC电动机旨在用于由一个控制器来控制的一个泵，该控制器包括一个控制模块(这些图中的“微控制器”)和一个用于BLDC电动机的电源(这些图中的“BLDC电动机控制器”)。这个控制器接收了来自一个电子控制模块(ECM)(它未示出)的一个CAN信息或者PWM信号。
该BLDC电动机是由一个电压源(VBAT)供电的并且被接地(GND)。
如果BLDC电动机是以星形构形(图1)连接：首先，启用这些开关HSA、LSB和LSC。在这种情况下，相A的电流是相B和相C电流之和，因此相A的线圈将比相B和相C的线圈加热更多。其次，这就是为了平衡该温度区域而通过启动这些开关HSB、LSA和LSC来切换这些相的原因。在这种情况下，相B的电流是相A和相C电流之和。此顺序的第三步骤是启动这些开关HSC、LSA和LSB并且获得相C的电流，它是相A和相B电流之和。
如果BLDC电动机是以三角形构形(图2)来连接：首先，启用这些开关HSA、LSB和LSC。在这种情况下，相A的电流是线圈1和线圈2的电流(它们的电流是相等的)之和，因此线圈1和线圈2是以相同的方式加热，但线圈3中没有电流并且它没有加热。其次，通过启用这些开关HSB、LSA和LSC来变换这些相。在这种情况下，相B的电流是线圈2和线圈3的电流之和，并且线圈1中没有电流，它没有加热。此顺序的第三个步骤是启用这些开关HSC、LSA和LSB并且获得相C的电流，它是线圈1和线圈3的这些电流之和；于是线圈2中没有电流，该线圈没有加热。
如以上所说明的(并且由图3的简图来直观显现)，一个PWM类型调节被应用于控制这些开关以便改变这些相中的电流。
通过举例，当施加一个约2.5V的电压时，以三角形构形连接的BLDC电动机中的电流大约是6A，这给出了一个约15W的加热功率。
图4展示了根据本发明的一个优选的策略，其中泵在相对于储箱较晚的一个时间被加热，将储箱加热一个预先确定的时间段t1(例如，如以上所述的EPA时间)，而将泵加热一个如前所述的时间段Tpc。事实上图4展示了在与该泵的加热同一时间开始的计时器上的剩余加热时间(tr)，该剩余加热时间取决于自从开始计时器以来已过去的时间(te)。如在这个图中可见，仅在一段时间t1-Tpc之后才开始泵的加热。

Claims (10)

1.用于启动一个SCR系统的方法，该SCR系统旨在使用一个进料管线将尿素从一个储箱输送到一台发动机的排气中，该系统包括一个旋转式泵，该旋转式泵是由一个控制器来控制并且由一个无刷直流(BLDC)电动机来驱动，该泵能够在两个相反的旋转方向上运转，并且该电动机包括装备有至少一个永磁体的一个转子以及包括至少3个电磁线圈的一个定子，在这些电磁线圈中直流电流能够按照一个给定的顺序流动以使转子旋转，根据该方法，
-在启动该泵之前，使用一个传感器测量一个温度并且如果这个温度是低于一个设定点温度，在使该转子旋转之前，使该电流通过这些线圈中的至少一个，其方式为使得该电流将该泵预热而不使该转子旋转；
-该泵的控制器接收一个PWM(脉冲宽度调制)控制信号，该控制信号给出了该泵所希望的运行状态的次序，这些状态整合了与该泵的旋转方向有关的至少一条信息、与该泵的运行压力有关的一条信息并且还有至少另一条信息包括其停止/阻止信息以及必须使其在预热模式下运行的事实。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该泵可以在两个相反的旋转方向上运转，一个方向对应于将液体供给一个进料管线而另一个方向对应于该进料管线以及在其中发现的附件的清空。
3.根据权利要求2所述的方法，其中该泵是一个齿轮泵。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中一个ECM(电子控制模块)对该泵的控制器发送该PWM控制信号，该控制信号具有一个占空比，该占空比随着该泵所希望的运行状态而变化。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中该控制器监测该电流并且当所述电流达到一个给定的最小值时，将电源关断。
6.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，根据该方法在该泵的预热过程中，对这些线圈中的一些持续地通电而对其他的一些不通电，由该控制器记忆在每个预热周期的过程中永久地被通电的这些线圈，并且根据该方法，在下一个预热周期中，将所述线圈中的至少一些解除激励而对在该前一个预热周期中被解除激励的其他线圈进行激励。
7.根据权利要求6所述的方法，根据该方法在切换该泵之前该定子与该转子是处于一个磁平衡的位置，当该下一个加热周期所要求的这些线圈被激励时，所述平衡位置对应于在该转子上的一个零扭矩。
8.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，根据该方法该泵的预热时间(＝Tpc)是按照该温度以及在该储箱内液体的体积来确定的。
9.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中在预热过程中通过该定子的这些线圈的电流被适配以便使该泵的解冻时间与该储箱的解冻时间相匹配。
10.用于机动车辆的SCR系统，包括一个液体泵，该液体泵适合用于根据以上权利要求中任何一项所述的方法，并且具有一个BLDC型驱动电动机，该泵能够在两个相反的旋转方向上运转，并且该电动机包括装备有至少一个永磁体的一个转子以及包括至少3个电磁线圈的一个定子，这个电动机是由一个系统来控制的，该系统能够令电流流入这些线圈中的至少一个而不引起该转子旋转，其中该泵的控制器接收一个PWM(脉冲宽度调制)控制信号，该控制信号给出了该泵所希望的运行状态的次序，这些状态整合了与该泵的旋转方向有关的至少一条信息、与该泵的运行压力有关的一条信息并且还有至少另一条信息包括其停止/阻止信息以及必须使其在预热模式下运行的事实。
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