CN109563757B - 用于柴油机排气流体输送系统的前馈控制的设备和方法 - Google Patents

用于柴油机排气流体输送系统的前馈控制的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种柴油机排气流体（DEF）输送系统以及操作该系统的方法。所述方法包括：由电子处理器确定操作压力，以及从所述DEF输送系统的压力传感器接收系统压力。所述方法进一步包括：由所述处理器确定配量请求并且基于所述配量请求确定压力扰动。所述方法进一步包括：由所述处理器基于所述系统压力和所述操作压力确定控制请求，并且基于所述压力扰动确定前馈控制值。所述方法进一步包括：由所述处理器基于所述控制请求且基于所述前馈控制值生成经调节控制请求。所述方法进一步包括：由所述处理器基于所述配量请求控制所述DEF输送系统的配量阀，并且基于所述经调节控制请求控制所述DEF输送系统的压力调节部件。

Description

用于柴油机排气流体输送系统的前馈控制的设备和方法
技术领域
本发明的实施例涉及汽车控制系统的领域。
背景技术
柴油机排气流体（DEF）是用于与选择性催化还原（SCR）催化剂结合以降低来自柴油发动机的柴油机排气排放物中的NOx浓度的尿素水溶液。柴油机排气流体输送系统操作配量阀以将一定量的柴油机排气流体输送至排气系统。所输送的柴油机排气流体量通过配量阀的打开时间和系统中的柴油机排气流体的压力来确定。柴油机排气流体输送系统使用泵、阀、或者其它装置来将系统加压至特定压力，以便实现排气系统内的柴油机排气流体的期望喷射模式。
附图说明
图1是根据一些实施例的柴油机排气流体输送系统的示意图。
图2是根据一些实施例的用于图1的柴油机排气流体输送系统的前馈控制系统的框图。
图3是根据一些实施例的用于控制图1的柴油机排气流体输送系统的方法的流程图。
图4和图5是根据一些实施例的线状图，其图示了在具有和没有前馈控制的情况下操作图1的柴油机排气流体输送系统的影响。
具体实施方式
柴油机排气流体（DEF）输送系统操作配量阀以将一定量的柴油机排气流体输送至排气系统。柴油机排气流体输送系统还使压力调节部件（例如，泵、阀等）调控排气系统内的压力。打开柴油机排气流体输送系统内的阀会减小系统内的压力，并且生成负压力峰值。这些压力峰值可能负面地影响部件的机械磨损和系统的效率。因此，本发明的实施例提供用于对柴油机排气流体系统进行前馈压力控制的系统和方法。
在对本发明的任何实施例进行详细解释之前，应理解，本发明在其应用上不限于如下说明书中陈述的或者如下附图中图示的构造细节和部件布置。本发明能够是其它实施例并且能够以各种方式进行实践或者执行。
同样，应理解，本文所使用的措辞和术语是用于描述的目的并且不应看作具有限制性。本文使用的“包含”、“包括”或者“具有”及其变型意在涵盖其后列出的物项和其等同物以及附加物项。术语“安装”、“连接”和“联接”被宽泛地使用并且涵盖直接和间接安装、连接和联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理或者机械连接或者联接，并且可以包括直接的或者间接的电连接或者联接。同样，电子通信和通知可以使用任何已知的方式（包括有线连接、无线连接等）来执行。
还应注意，还可以使用多个基于硬件和软件的装置、以及多个不同结构的部件来实施本发明。此外，应理解，本发明的实施例可以包括硬件、软件、以及电子部件或者模块，出于讨论的目的，这些硬件、软件、以及电子部件或者模块可以被图示和描述为仿佛大多数这些部件都独自地在硬件中进行实施。然而，基于阅读本具体实施方式，本领域的普通技术人员将意识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子器件的方面可以在可由一个或多个处理器执行的软件（例如，被储存在非暂时性计算机可读介质上）中实施。这样，应注意，还可以使用多个基于硬件和软件的装置、以及多个不同结构的部件来实施本发明。例如，本说明书中所描述的“控制单元”和“控制器”可以包括：一个或多个处理器、包括非暂时性计算机可读介质的一个或多个存储模块、一个或多个输入/输出接口、以及连接各部件的各种连接件（例如，系统总线）。
一个示例性实施例提供了一种柴油机排气流体输送系统。该系统包括：配量阀，该配量阀可控制以将柴油机排气流体输送至柴油机排气系统；压力调节部件，该压力调节部件可控制以调节柴油机排气系统的系统压力；压力传感器，该压力传感器被定位为感测柴油机排气流体输送系统的系统压力；以及电子控制器，该电子控制器电联接至配量阀、压力调节部件和压力传感器。电子控制器配置为：确定操作压力，以及从压力传感器接收系统压力。电子控制器进一步配置为：确定配量请求，以及基于配量请求确定压力扰动。电子控制器进一步配置为：基于系统压力和操作压力确定控制请求，并且基于压力扰动确定前馈控制值。电子控制器进一步配置为：基于控制请求且基于前馈控制值生成经调节控制请求。电子控制器进一步配置为：基于配量请求控制配量阀，并且基于经调节控制请求控制压力调节部件。
另一示例性实施例提供了一种用于操作柴油机排气流体输送系统的方法。该方法包括：由电子处理器确定操作压力。方法进一步包括：由电子处理器从柴油机排气流体输送系统的压力传感器接收系统压力。方法进一步包括：由电子处理器确定配量请求并且基于配量请求确定压力扰动。方法进一步包括：由电子处理器基于系统压力和操作压力确定控制请求。方法进一步包括：由电子处理器基于压力扰动确定前馈控制值。方法进一步包括：由电子处理器基于控制请求且基于前馈控制值生成经调节控制请求。方法进一步包括：由电子处理器基于配量请求控制柴油机排气流体输送系统的配量阀，并且基于经调节控制请求控制柴油机排气流体输送系统的压力调节部件。
图1是DEF输送系统10的示例性实施例的框图。该系统包括：一个或多个配量模块11，该一个或多个配量模块11用于向排气系统（未示出）输送DEF；以及供应模块12，该供应模块12用于以期望的可变压力和质量输送流率将DEF从流体储罐13移动至配量模块11。配量模块11的每一个包括配量阀11A，配量阀11A打开和关闭以将一定量的DEF输送到排气系统中。图示了两个配量模块11。替代实施例可以具有单个配量模块11，或者可以具有多于两个。供应模块12包括：泵14、反向阀（reverting valve）15、主过滤器16以及可控制回流阀（BFV）17。泵14通过抽吸管线18从流体储罐13抽取DEF并且通过压力管线19将该DEF提供至配量模块11。回流阀17可控制地允许一些所泵送的DEF通过回流管线20流回到流体储罐13中，从而减小压力管线19中的DEF的压力。供应模块12还包括压力传感器21和电子控制器22。压力传感器21感测DEF系统中的压力，并且将所感测到的压力传递至电子控制器22。
在一些实施例中，电子控制器22包括多个电部件和电子部件，该多个电部件和电子部件向电子控制器22内的部件和模块提供电力、操作控制以及保护。除了其它物项，电子控制器22包括电子处理单元（即，处理器、微处理器或者另一种合适的可编程装置）、存储器以及输入/输出接口。电子处理单元、存储器和输入/输出接口以及其它各种模块通过一条或多条控制总线或者数据总线进行连接。使用控制总线和数据总线用于各个模块和部件之间的互连和通信对于本文所描述的发明的领域中的技术人员而言是已知的。在一些实施例中，控制器22部分地或者完全地在半导体（例如，现场可编程门阵列[“FPGA”]半导体）芯片上进行实施。
电子控制器22的存储器包括程序储存区和数据储存区。程序储存区和数据储存区可以包括不同类型的存储器的组合，诸如，只读存储器（“ROM”）、随机存取存储器（“RAM”）、电可擦可编程序只读存储器（“EEPROM”）、闪存存储器、或者其它合适的数字存储装置。电子处理单元连接至存储器并且执行软件指令，该软件指令能够被储存在存储器的RAM中（例如，在执行期间）、在存储器的ROM中（例如，在大体上永久的基础上）、或者在另一种非暂时性计算机可读介质中。软件可以被储存在电子控制器22的存储器中。该软件可以包括：固件、一个或多个应用、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。例如，电子控制器22有效地储存与DEF输送系统10的控制有关的信息。电子处理单元从存储器检索并且除了其它物项以外执行与本文所描述的控制过程和方法有关的指令。在其它实施例中，电子控制器22可以包括附加部件、更少的部件或者不同的部件。
电子控制器22、配量模块11、泵14、回流阀17、压力传感器21以及DEF输送系统10的其它各种模块和部件由或通过一条或多条控制总线或者数据总线联接至彼此，这些控制总线或者数据总线使得能够在其间进行通信。使用控制总线和数据总线用于各个模块和部件之间的互连和信息交换对于本文所提供的描述的领域中的技术人员而言将是清楚的。
在一个示例性实施例中，电子控制器22对泵14和BFV17实施PID控制以便调控柴油机排气流体至排气系统的质量流输送率（在国际专利公开WO 2016/024188 A1中进行描述）。随着电子控制器22操作泵14和BFV 17，DEF输送系统10内的压力（例如，如通过压力管线19中的压力传感器21测量到的）可以发生变化。令人期望的是，尽可能接近特定压力（例如，9 khPa）地操作DEF输送系统10，以便实现用于排气系统内的柴油机排气流体的期望喷射模式。然而，配量阀11A的操作可能创建阶跃变化扰动，该扰动生成负压力峰值。这些压力峰值影响部件的机械磨损并且减小DEF输送系统10的NOx还原的效率（例如，通过影响柴油机排气流体的喷射模式）。当前的反馈控制方案通过对期望压力与实际压力之间的偏差做出反应来相对较慢地补偿压力峰值。
因此，本发明的实施例提高控制速度，因而减小压力峰值，该减小又在DEF输送系统10的寿命期间提高配量准确性和部件上的机械负载。
图2是图示了用于DEF输送系统10的示例性前馈控制系统30的框图。为了易于描述，图2包括可以在硬件和软件中实施的功能件以及DEF输送系统10的硬件部件两者，以便图示前馈控制系统30。在一个实施例中，功能件（PID控制32、前馈控制34以及求和节点36A、36B、36C）由电子控制器22（使用软件、硬件或者这两者的组合）来实施。本文所描述的方法可以用于控制泵14和回流阀17两者以便调控DEF输送系统10内的压力。相应地，为了易于描述，术语“压力调节部件”在本文用于指泵14或者回流阀17。相似地，配量阀11A可以在本文以单数形式指称。这并不意味着具有限制性。本文所描述的系统和方法适用于控制泵14、回流阀17以及一个或多个配量阀11A。
数据值（例如，配量请求和前馈控制值）或者控制信号（例如，控制请求和经调节控制请求）从各个功能件和部件被传输、由其接收或者在其上由其操作，如在图2中图示的，并且参照图3和方法200在下文更加具体地进行描述。
图3图示了用于使用前馈控制系统30来控制DEF输送系统10的示例性方法200。在框202处，电子控制器22确定用于DEF输送系统10的操作压力。如上文所指出的，令人期望的是，尽可能接近期望操作压力地操作DEF输送系统10，以便实现用于排气系统内的柴油机排气流体的期望喷射模式。在一些实施例中，操作压力在系统的操作之前被确定，被储存在电子控制器22的存储器中并且被检索。在一些实施例中，操作压力可以通过电子控制器22在操作时基于操作因子或者环境因子来确定。作为示例，针对9 khPa的操作压力对方法200进行描述。这不应该被认为具有限制性。本文所描述的方法可以使用其它操作压力来实施。
在框204处，电子控制器22从压力传感器21接收系统压力，压力传感器21感测压力管线19处的系统压力。系统压力是DEF输送系统10的当前压力。如本领域的技术人员已知的，实际系统压力应该与期望操作压力相匹配以便使DEF输送系统10高效地操作。在框206处，电子控制器22确定配量请求。配量请求是对将被注射到柴油机排气系统中的柴油机排气流体的量或者质量流率的请求。配量请求确定电子控制器22将如何控制配量阀11A以输送柴油机排气流体。确定配量请求在本领域中是已知的，并且将不进行详细描述。
在框208处，电子控制器22基于配量请求确定压力扰动（Pdisturbance）。用于给定配量请求（以及因此配量模块11的给定致动）的Pdisturbance的值可以通过实验来确定。相应地，可以针对用于DEF输送系统10的给定配置的配量请求范围来确定Pdisturbance的值的范围。在一些实施例中，配量请求和对应的Pdisturbance值的范围被储存在电子控制器22的存储器中。在其它实施例中，可以（例如，基于DEF输送系统10的实验数据和配置）研发出数学模型，并且通过电子控制器22基于配量请求使用该数学模型来确定Pdisturbance的值。
在框210处，电子控制器22基于系统压力（Preal）和操作压力（Pref）确定控制请求。如在图2中图示的，Preal和Pref被馈送到求和节点36H中，求和节点36H从Pref减去Preal并且将该值馈送至PID控制32，PID控制32确定控制请求。控制请求设定压力调节部件的占空比。例如，当系统在期望压力处操作时，将不需要任何改变并且控制请求不会改变压力调节部件的占空比（Pref-Preal=0）。同样，控制请求在Pref高于Preal时减小压力调节部件的占空比，并且在Preal低于Pref时增加占空比。
现在回到图3，在框212处，电子控制器22基于如在框208处确定的Pdisturbance来确定前馈控制值。如在图2中图示的，前馈控制值将由电子控制器22用来修改在框210处确定的控制请求，以便考虑在配量阀11A根据在框206处确定的配量请求进行操作时预期的Pdisturbance值。为了减小配量阀致动对Preal的影响，由泵产生的压力（Ppump）和Pdisturbance应该抵消：
Pdisturbance+Ppump=0。
因此，GDV(s) + GFF(s) • GPump/BFV(s) = 0，其中，GDV是用于配量请求的增益因子，GPump/BFV是用于压力调节部件控制请求的增益值，并且GFF是前馈增益因子。前馈控制值是在应用至控制请求时使得方程式Pdisturbance+Ppump=0为真的值。
前馈控制值可以使用如下方程式来确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，KDV和KPump/BFV是增益因子，其可以通过实验来确定，并且τPump/BFV和τDV分别是压力调节部件和配量阀的时间常数。
现在回到图3，在框214处，电子控制器22通过在求和节点36B（见图2）处结合前馈控制值（GFF）和控制请求来生成经调节控制请求（C）。在框216处，电子控制器22基于配量请求（在框206处确定）来控制（操作）配量阀11A，而在框218处，基于经调节控制请求（在框214处确定）来控制压力调节部件。如由求和节点36C（见图2）表示的，来自压力调节部件的压力变化结合由配量阀11A的操作引起的压力扰动（Pdisturbance）可能影响系统压力（Preal）的变化。
通过前馈控制系统30的使用，与在没有前馈控制的情况下进行操作的DEF输送系统10相比，Preal的变化减小。例如，图4的图表300A图示了在DEF输送系统10随着时间的推移在没有前馈控制的情况下（线302）和在具有前馈控制的情况下（线304）进行操作时用于系统压力（Preal）的值。图4的图表300B图示了在DEF输送系统10随着时间的推移在没有前馈控制的情况下（线306）和在具有前馈控制的情况下（线308）进行操作时泵14的占空比。图4的图表300C图示了DEF输送系统10随着时间的推移在没有前馈控制的情况下（线310）和在具有前馈控制的情况下（线312）的配量请求。
图表300A、300B和300C在相同时期内相互关联以便图示前馈控制对DEF输送系统10的影响。例如，在图表300C中的操作点过渡316处，在图表300B和300A中示出了该过渡的影响。在图表300B中，在没有前馈控制的情况下的瞬时反应时间（在318处）大于在具有前馈控制的情况下的反应时间（在322处）。因此，应用本文所描述的前馈控制方法的结果是使各个操作点之间的过渡平缓。该平缓导致压力峰值减小，如在图表300A中示出的。例如，当在没有前馈控制的情况下进行操作时，由于配量增加（在图表300C中的316处）引起的负压力峰值（在320处）大于当使用前馈控制时所产生的峰值（在324处）。此外，如在图表300A中示出的，与当其在没有前馈控制的情况下进行操作时相比，在具有前馈控制的情况下操作的DEF输送系统10更接近9 khPa的期望操作压力进行操作。
图5图示了另一示例。图5中的图表400图示了配量请求随着时间的推移的阶跃变化（线402）、以及在没有前馈控制的情况下（线404）和在具有前馈控制的情况下（线406）用于每个阶跃变化的对应压力峰值。如所示出的，通过如本文所描述的前馈控制的使用，已经使压力峰值平均减小了约45%。
因此，除了其它物项以外，本发明提供了用于柴油机排气流体输送系统的前馈控制的系统和方法。本发明的各个特征和优点在所附权利要求书中阐述。

Claims (18)

1.一种柴油机排气流体输送系统，所述系统包括：
配量阀，所述配量阀能够控制为将柴油机排气流体输送至柴油机排气系统；
压力调节部件，所述压力调节部件能够控制为调节所述柴油机排气系统的系统压力；
压力传感器，所述压力传感器被定位为感测所述柴油机排气流体输送系统的所述系统压力；以及
电子控制器，所述电子控制器电联接至所述配量阀、所述压力调节部件和所述压力传感器，并且配置为：
确定操作压力；
从所述压力传感器接收所述系统压力；
确定配量请求；
基于所述配量请求确定压力扰动；
基于所述系统压力和所述操作压力确定控制请求；
基于所述压力扰动确定前馈控制值；
基于所述控制请求且基于所述前馈控制值生成经调节控制请求；
基于所述配量请求控制所述配量阀；以及
基于所述经调节控制请求控制所述压力调节部件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子控制器进一步配置为：基于所述配量请求和压力影响模型确定所述压力扰动。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子控制器进一步配置为：基于所述压力扰动和一个或多个增益因子确定所述前馈控制值。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述一个或多个增益因子是选自由配量阀增益因子和压力调节部件增益因子组成的组的至少一个。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子控制器进一步配置为：通过将所述控制请求添加至所述前馈控制值来生成经调节控制请求。
6.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
流体储罐；以及
其中，所述压力调节部件是泵，所述泵联接至所述流体储罐和所述配量阀，并且能够控制为通过压力管线将柴油机排气流体从所述流体储罐泵送至所述配量阀。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述电子控制器进一步配置为：通过基于所述经调节控制请求调节所述泵的占空比来控制所述泵。
8.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括：
流体储罐；
其中，所述压力调节部件是回流阀，所述回流阀联接至所述流体储罐，并且能够控制为允许柴油机排气流体通过回流管线流回到所述流体储罐中。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电子控制器进一步配置为：通过基于所述经调节控制请求调节所述回流阀的占空比来控制泵，所述泵联接至所述流体储罐和所述配量阀，并且能够控制为通过压力管线将柴油机排气流体从所述流体储罐泵送至所述配量阀。
10.一种用于操作柴油机排气流体输送系统的方法，所述方法包括：
由电子处理器确定操作压力；
由所述电子处理器从所述柴油机排气流体输送系统的压力传感器接收系统压力；
由所述电子处理器确定配量请求；
由所述电子处理器基于所述配量请求确定压力扰动；
由所述电子处理器基于所述系统压力和所述操作压力确定控制请求；
由所述电子处理器基于所述压力扰动确定前馈控制值；
由所述电子处理器基于所述控制请求且基于所述前馈控制值生成经调节控制请求；
由所述电子处理器基于所述配量请求控制所述柴油机排气流体输送系统的配量阀；以及
由所述电子处理器基于所述经调节控制请求控制所述柴油机排气流体输送系统的压力调节部件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述压力扰动包括：基于所述配量请求和压力影响模型确定所述压力扰动。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述前馈控制值包括：基于所述压力扰动和一个或多个增益因子确定所述前馈控制值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个增益因子是选自由配量阀增益因子和压力调节部件增益因子组成的组的至少一个。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电子处理器进一步配置为：通过将所述控制请求添加至所述前馈控制值来生成经调节控制请求。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述压力调节部件包括：控制联接至流体储罐和所述配量阀的泵，以便通过压力管线将柴油机排气流体从所述流体储罐泵送至所述配量阀。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，控制所述泵包括：基于所述经调节控制请求调节所述泵的占空比。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，控制所述压力调节部件包括：控制联接至流体储罐的回流阀以便允许柴油机排气流体通过回流管线流回到所述流体储罐中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，控制回流阀包括：基于所述经调节控制请求调节所述回流阀的占空比。
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