CN110295974A - 车辆scr系统及其控制单元和排空控制方法 - Google Patents

车辆scr系统及其控制单元和排空控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于车辆SCR系统中的控制单元，用于控制SCR系统中的供给单元和喷射单元的操作，并且能够执行SCR系统的尾气处理液排空操作；其中，控制单元配置成在车辆发动机运行结束后停止供给单元和喷射单元的操作，使得SCR系统自然泄压；基于泄压过程中的系统压力与时间的关系确定供给单元中的残余空气量；基于供给单元中的残余空气量确定排空操作时间；其中，当残余空气量不低于一安全值时，控制单元将排空操作时间确定为只针对喷射单元执行排空操作所需的时间，而当供给单元中的残余空气量低于安全值时，控制单元基于供给单元中的残余空气量确定排空操作时间；之后，控制单元以所确定的排空操作时间执行SCR系统的尾气处理液排空操作。

Description

车辆SCR系统及其控制单元和排空控制方法
技术领域
本申请涉及一种用于车辆尤其是柴油机车辆的SCR(选择性催化还原)系统中的控制单元和尾气处理液排空控制方法，以及包含这种控制模块的车辆SCR系统。
背景技术
车辆发动机排气中包含NOx等有害成分。近年来，随着环保意识的增强，越来越严格的排放标准被执行。为了降低排气中的有害成分，可选择适当的尾气后处理技术，以将发动机排出的有害气体量降低，其中，SCR系统能够将尾气处理液(通常为尿素水溶液)喷射到尾气中，从而利用选择性催化还原法降低尾气中的NOx含量。
在低温环境下，例如气温低于-11℃时，在发动机运行结束后，尾气处理液可能会在SCR系统中结冰，而这可能导致SCR系统失效，甚至可能导致SCR系统的喷射单元和供给单元破裂。因此，需要在发动机运行结束后执行尾气处理液排空操作，来避免上述问题。
对于喷射单元，需要执行排空操作而将其中的尾气处理液完全排空。对于供给单元，可能需要将尾气处理液排空足够的体积以补偿冰压。根据现有技术，采用一段固定的排空操作时间，用于实现喷射单元和供给单元二者的排空操作，该固定的排空操作时间比喷射单元所需的排空操作时间长得多。
然而，并非总是需要在发动机运行结束后都对供给单元执行排空操作。并且，即使需要对供给单元执行排空操作，供给单元所需的排空操作时间也不是固定的，而是取决于供给单元中的残余空气量。现有技术中，可能由于难以估计供给单元中的残余空气量，而采用一段较长的固定的排空操作时间，这会造成不必要的操作。
发明内容
出于上面描述的原因，本申请的目的是提供一种改进的SCR系统尾气处理液排空控制方案，其能够避免排空操作的浪费。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于车辆(尤其是柴油机车)SCR系统中的控制单元，所述控制单元能够控制SCR系统中的供给单元和喷射单元的操作，并且所述控制单元配置成能够执行SCR系统的尾气处理液排空操作；其中，所述控制单元配置成在车辆发动机运行结束后停止供给单元和喷射单元的操作，使得SCR系统自然泄压；之后，所述控制单元基于泄压过程中的系统压力与时间的关系确定供给单元中的残余空气量；之后，所述控制单元基于确定的供给单元中的残余空气量来确定排空操作时间；其中，当残余空气量不低于防止供给单元冻裂所需的残余空气量安全值时，所述控制单元将系统排空操作时间确定为针对喷射单元执行排空操作所需的时间；而当供给单元中的残余空气量低于所述安全值时，所述控制单元将系统排空操作时间确定为补偿供给单元中的残余空气量与安全值之间的差值所需的时间；之后，所述控制单元以所确定的系统排空操作时间执行SCR系统的尾气处理液排空操作。
根据本申请的另一个方面，提供了一种车辆SCR系统，包括：尾气处理液罐；供给单元，其抽吸管线和回流管线与尾气处理液罐连接；喷射单元，其通过压力管线与供给单元连接；如前面所述的控制单元，其控制所述供给单元和喷射单元的操作。
根据本申请的另一个方面，提供了一种用于车辆SCR系统中的排空控制方法，其可选地借助前面所述的控制单元执行，所述方法包括下述步骤：在车辆发动机运行结束后停止供给单元和喷射单元的操作一段时间，使得SCR系统自然泄压；之后，基于泄压过程中的系统压力与时间的关系确定供给单元中的残余空气量；之后，基于确定的供给单元中的残余空气量来确定排空操作时间；其中，当残余空气量不低于防止供给单元冻裂所需的残余空气量安全值时，将系统排空操作时间确定为针对喷射单元执行排空操作所需的时间；而当供给单元中的残余空气量低于所述安全值时，将系统排空操作时间确定为补偿供给单元中的残余空气量与安全值之间的差值所需的时间；之后，以所确定的排空操作时间执行SCR系统的尾气处理液排空操作。
根据本申请，基于供给单元中的残余空气量确定总排空操作时间。在供给单元中的残余空气量不低于安全值时，不对供给单元执行排空操作，而只针对喷射单元执行排空操作。在供给单元中的残余空气量低于安全值时，基于供给单元中的残余空气量，例如基于体积差额和压力管线体积(长度)，来计算排空操作时间。这样，能够避免不必要的排空操作，节约了能量。
此外，在利用回抽泵执行排空操作的情况下，减少排空操作时间，还能减少回抽泵工作产生的噪音。
此外，本申请通过避免不必要的排空操作，还能尽可能减少排气管中的颗粒物被吸入SCR系统中的量，从而防止尾气处理液被颗粒物污染、避免SCR系统被颗粒物损坏。
附图说明
图1是根据本申请的一种可行实施方式的SCR系统的示意图；
图2是图1中的SCR系统进行尾气处理液排空操作时的示意图；
图3-图5是SCR系统的供给单元在排空操作中不同的残余空气体积的变化示意图；
图6-图11是图3-图5所示的供给单元排空操作中的压降和质量流随时间的曲线图；
图12是根据本申请的一种可行实施方式的尾气处理液排空控制方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的优选实施方式。
图1示出了根据本申请的一个实施方式的用于车辆、尤其是柴油机车辆中的尾气SCR系统，其与车辆发动机的排气管1关联，用于降低尾气中的NOx。所述SCR系统包括布置在排气管1中的SCR催化器2和喷射单元3。喷射单元3位于SCR催化器2上游，用于将来自液罐4的尾气处理液(例如尿素溶液)以计量的方式喷射到尾气流中，使得尾气与尾气处理液混合并在SCR催化器2中发生反应，以将NOx转化成氮气和水。
供给单元5用于将液罐4中的尾气处理液供应到喷射单元3。供给单元5的操作由SCR系统的控制单元6控制。该控制单元6还控制喷射单元3的操作。控制单元6可以是SCR系统中的一个单独的控制器，也可以集成在车辆ECU中。
抽吸管线7连接在供给单元5和液罐4之间，压力管线8连接在供给单元5和喷射单元3之间。供给单元5中具有主泵(未示出)，用于通过抽吸管线7抽取液罐4中的尾气处理液，并通过压力管线8将尾气处理液供应到喷射单元3。此外，供给单元5和液罐4之间还布置着回流管线9，用于使一部分尾气处理液能够从供给单元5返回到液罐4中。
为了在发动机运行结束后防止尾气处理液在SCR系统中结冰或结晶，SCR系统中设置有尾气处理液排空措施。
总体而言，本申请尾气处理液排空措施可以包括(但不限于)：利用电控的回流阀实现排空；供给单元5的主泵采用双向泵的形式来实现排空；利用辅助的回抽泵来实现排空；等等。在下面的描述中，以采用回抽泵实现排空的方案为例，但本申请同样适用于其他排空方式。此外，本申请主要关注与尾气处理液的排空控制相关的方案，因此不绘示处理液排空措施的具体结构。
根据本申请的一种可行实施方式，借助集成于供给单元5的回抽泵实现尾气处理液的排空。本申请的控制单元6被构造成在发动机运行结束后，先经历一段泄压时间。在所述泄压时间内，主泵、回抽泵、喷射单元3都被关闭，使得供给单元5中的高压(例如5巴相对压力)尾气处理液仅经回流管线9中的节流器(未示出)向液罐4回流，从而实现系统泄压。在供给单元5中的压力降到一个大于0巴相对压力的预定压力值(例如2巴相对压力)时，控制单元6确定排空操作时间，然后，启动排空操作，该排空操作将被持续所述排空操作时间。如图2所示，在排空操作中，利用回抽泵建立了排空流路，即从喷射单元3经压力管线8到供给单元5，再从供给单元5经回流管线9到液罐4，如箭头所示。此时喷射单元3被打开，使得喷射单元3中的尾气处理液能够经压力管线8回流，而抽吸管线7是关闭的。这样，喷射单元3和压力管线8中的尾气处理液被朝向供给单元5中回抽，并将供给单元5中的一部分尾气处理液经回流管线9泵送回液罐4；此时，抽吸管线7中没有尾气处理液流动，保持充满尾气处理液。
需要指出，可以在回抽泵启动之后立即打开喷射单元3；也可以在回抽泵启动后稍稍经过一小段时间，在建立了系统负压之后，打开喷射单元3，以防止尾气处理液泄漏到排气管1中。
控制单元6基于供给单元5中的残余空气量确定排空操作时间。为此，设置一个针对供给单元5中的残余空气量的安全值。具体地讲，在SCR系统工作时，供给单元5中的空气会逐渐溶解到尾气处理液中，因而供给单元5中的空气量会逐渐减少。在车辆发动机以及SCR系统停止工作后，如果供给单元5中具有足够的残余空气量，那么，即使供给单元5中的尾气处理液发生结冰，供给单元5也不会因尾气处理液结冰膨胀产生的冰压而破裂。因此，残余空气量的这个安全值可以认为是供给单元5中的尾气处理液发生结冰时能够避免供给单元5冻裂所需的最低残余空气量，它是根据理论计算以及实际实验经验得到的。在供给单元5中的残余空气量不低于安全值时，不对供给单元执行排空操作，而只针对喷射单元3执行排空操作，排空操作时间只要满足喷射单元3排空即可。在供给单元5中的残余空气量低于安全值时，基于供给单元5中的残余空气量来计算排空操作时间。这样，能够避免不必要的过长时间排空操作。
下面解释本申请中基于供给单元5中的残余空气量确定排空操作时间的一种构思。
首先参照图3至图5考察供给单元5中不同的残余空气量在泄压过程中的变化情况。图3至图5中分别以左半部分表示泄压之前的供给单元5(例如供给单元5中的尾气处理液初始压力均为5巴相对压力)，以右半部分表示经节流器自然泄压后的供给单元5(供给单元5中的尾气处理液压力均为0巴相对压力)。
如图3至图5所示，以供给单元5中的位于虚线表示的尾气处理液面上方的部分表示残余空气。此时，由于供给单元5内尾气处理液压力的作用，残余空气被压缩，其体积为V0。此时，受尾气处理液作用的各弹性元件(包括供给单元5内壁、供给单元5中的压力平衡单元10、压力管线8等)均受尾气处理液的推压而变形。在泄压时，在尾气处理液在残余空气的压力作用以及弹性元件的复位作用下，经带有节流器的回流管线9排放出体积为VDEF的尾气处理液，使其朝向液罐4回流，供给单元5中的液面下降。当供给单元5中的尾气处理液的压力变为0巴相对压力时，残余空气的体积增大到Vair(可由理想气体方程算出，例如，在初始压力为5巴相对压力时，Vair＝6V0)，各弹性元件也恢复其初始形状。
在图3-图5所示例子中，图3中的供给单元5中的残余空气量最小，泄压后的残余空气体积Vair为例如2毫升。图4中的供给单元5中的残余空气量大于图3中的，因此泄压前后的残余空气体积V0和泄压后的残余空气体积Vair(为例如20毫升)均大于图3中的。图5中的供给单元5中的残余空气量又大于图4中的，因此泄压前后的残余空气体积V0和泄压后的残余空气体积Vair(为例如50毫升)均大于图4中的。
下面考察供给单元5中的不同残余空气量与泄压时压力和质量流随时间的变化情况。图6、图7分别为图3所示例子在泄压开始后的一段时间内供给单元5中的压力变化和质量流变化曲线图。图8、图9分别为图4所示例子在泄压开始后的一段时间内供给单元5中的压力变化和质量流变化曲线图。图10、图11分别为图5所示例子在泄压开始后的一段时间内供给单元5中的压力变化和质量流变化曲线图。在图6至图11中，均以横轴表示时间(单位为秒)。在图6、图8、图10中，以纵轴表示供给单元5中的压力(单位为毫巴)，在图7、图9、图11中，以纵轴表示尾气处理液经节流器放泄的尾气处理液的质量流(单位为克/秒)。
将图6、图8、图10中的曲线相比较可以得知，供给单元5中的残余空气量越大，供给单元5中的压降速度越小，压力达到预定压力值(例如2巴相对压力)所需的时间越长。另一方面，将图7、图9、图11中的曲线相比较可以得知，供给单元5中的残余空气量越大，尾气处理液的质量流速越大。
基于上述认识，本申请提出，基于泄压过程中的从初始压力泄压到预定压力值所需的时间来确定供给单元5中的残余空气量。下面介绍根据本申请基于这种构思确定供给单元5中的残余空气量的过程的一个实施例。
首先，经回流管线9中节流器回流的尾气处理液的体积VDEF等于供给单元5中残余空气体积Vair的膨胀量加上各弹性元件形状恢复导致的体积(例如，VEE表示压力平衡单元10的体积，Vhousing表示供给单元5的壳体的体积，VPL表示压力管线8的体积)增量，则得到下述微分形式的等式：
dVDEF＝dVair+dVelastic＝dVair+(dVEE+dVhousing+dVPL) (1)
流经节流器的尾气处理液的质量流速与压力p的平方根成正比，由此得到下式：
其中，k为与节流器面积和处理液密度相关的参数，为尾气处理液的密度。
根据理想气体方程可得到：
(p0+1)·V0＝(p+1)·Vair
因此，
因此得到下式：
对于各弹性元件，在泄压过程中恢复的体积表示为下式：
dVelastic＝ke·dp (4)
其中，ke为弹性元件的弹性系数。
基于上述各式(1)、(2)、(3)、(4)，可以求出泄压过程结束时供给单元5中的残余空气体积：
其中，为泄压初始压力下经节流器的质量流速；
p0为泄压初始的系统压力(例如5巴相对压力)；
ke为各弹性元件的弹簧常数；
p为泄压过程中的系统压力；
t为从p0泄压到p经历的时间。
上面提到的系统压力取决于检测位置，可以认为大致等于供给单元5中的尾气处理液压力。
需要指出，如果不存在受尾气处理液作用各弹性元件，则上式(5)中可去除ke项。
在式(5)中，参数p0、p、ke等都是预先确定或测得的，只有经历的时间t需要实时测量。因此，式(5)可以进一步简化为下面的形式：
Vair＝f0(t) (6)
根据本申请的一种具体算法例子，以下述公式求出0巴相对压力下供给单元5中的残余空气体积Vair：
其中，C为体现初始系统压力到零压力时体积变化的参数。
由于式(7)中的参数p0、p、ke等都是预先确定或测得的，仅经历的时间t需要实时测量，因此式(6)、(7)可以简化为下面的线性表达式：
Vair＝C1·t+C2 (8)
其中，C1和C2均为残余空气量确定程序开始时即可确定的常量，Vair仅为时间的函数。利用式(8)，可大大简化计算过程，缩短计算时间。
如此确定的0巴相对压力下供给单元5中的残余空气体积Vair可以用于表征供给单元5中的残余空气量。考虑到压力传感器和节流阀质量流的公差等因素，来选择泄压到适宜的预定压力值的点用于上述计算，例如p＝2巴，当然也可以根据实际需要选择其他值为预定压力值。
根据一种改型方案，可以将泄压经历的时间t固定(例如取大约2～3秒)，而检测泄压经历了时间t后的系统压力p，并将系统压力p作为确定供给单元5中的残余空气量的公式中的变量。例如，0巴相对压力下供给单元5中的残余空气体积Vair计算公式可以概括成：
Vair＝f1(p) (9)
或者简化为下面的线性表达式：
Vair＝C3·p+C4 (10)
本领域技术人员可以推算出式(5)～(10)中具体的函数和常量，这里不再详细描述。
在确定了供给单元5中的残余空气量后，可确定排空操作时间。
首先，设置残余空气量的安全值Vsafe。如果供给单元5中的残余空气量大于或等于该安全值，则不需要对供给单元5执行排空操作，SCR系统的排空操作时间tpurging仅为针对喷射单元3执行的排空操作时间tDM，即
tpurging＝tDM
针对喷射单元3执行的排空操作时间tDM可以根据理论计算以及实际实验经验得到，例如可以是大约20秒。
如果供给单元5中的残余空气量小于该安全值Vsafe，则基于供给单元5中的空气量体积差额(即残余空气量与安全值之间的差值)和压力管线8的体积VPL(例如可由压力管线8的长度得出)来计算SCR系统的排空操作时间ypurging：
其中，为排空操作时尾气处理液回流的质量流(在采用回抽泵的情况下，为回抽泵的质量流)。如此计算出的SCR系统的排空操作时间tpurging可确保经压力管线8向供给单元5中吸入一定的空气，以补足空气量体积差额，而又不致过长的排空时间。
在确定出SCR系统的排空操作时间后，控制单元6启动排空操作，例如通过回抽泵。排空操作将持续所述排空操作时间。
根据上面描述的本申请的实施例，可以构建出一种用于SCR系统的尾气处理液排空控制方法，如图12中的示意性流程图所示。
在步骤S1中，车辆发动机熄火，关闭SCR系统的供给单元和喷射单元。
接下来，在步骤S2中，执行供给单元的自然泄压，检测初始系统压力(供给单元中的压力)和尾气处理液的初始质量流速。
接下来，在步骤S3中，判断系统压力(供给单元中的压力)是否下降到预定压力值(例如2巴)。如果判断结果为否，则返回步骤S2；如果判断结果为是，则执行步骤S4。
在步骤S4中，计时器停止，由此得到残余空气量计算中所需的时间。
接下来，在步骤S5中，以所述时间为变量计算供给单元中的残余空气量。可以利用前面描述的各个公式计算残余空气量，例如利用前面各种公式，尤其是简化的公式。
接下来，在步骤S6中，判断残余空气量是否大于一预定的安全值。如果判断结果为是，则执行步骤S7；如果判断结果为否，则执行步骤S8。
在步骤S7中，排空操作时间确定为针对喷射单元的排空操作时间(例如大约20秒)，执行排空操作。
在步骤S8中，排空操作时间为针对供给单元的排空操作时间(例如在20秒到90秒范围内)，执行排空操作。排空操作时间可以利用前面描述的公式计算。
可以理解，也可去除将尾气处理液排空控制方法构建成以经历了预定的泄压时间后的系统压力为变量来计算供给单元中的残余空气量，这里不再详细描述。
前面参照图1-11以及各种公式针对SCR系统、尤其是控制单元6描述的各种特征同样适用于本申请的尾气处理液排空控制方法，因此，不再重复叙述。另一方面，本申请的尾气处理液排空控制方法可以由前面描述的控制单元6执行，以及应用于本申请的SCR系统中。
根据本申请的SCR系统尾气处理液排空控制技术，基于供给单元中的残余空气量确定总排空操作时间。在供给单元中的残余空气量不低于安全值时，排空操作时间确定为只针对喷射单元执行排空操作所需的时间。在供给单元中的残余空气量低于安全值时，基于供给单元中的残余空气量确定排空操作时间。这样，能够避免不必要的排空操作，节约了能量。
虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (10)

1.一种用于车辆SCR系统中的控制单元，所述控制单元能够控制SCR系统中的供给单元和喷射单元的操作，并且所述控制单元配置成能够执行SCR系统的尾气处理液排空操作；
其中，所述控制单元配置成在车辆发动机运行结束后停止供给单元和喷射单元的操作，使得SCR系统自然泄压；
之后，所述控制单元基于泄压过程中的系统压力与时间的关系确定供给单元中的残余空气量；
之后，所述控制单元基于确定的供给单元中的残余空气量来确定排空操作时间；其中，当残余空气量不低于防止供给单元冻裂所需的残余空气量安全值时，所述控制单元将系统排空操作时间确定为针对喷射单元执行排空操作所需的时间；而当供给单元中的残余空气量低于所述安全值时，所述控制单元将系统排空操作时间确定为补偿供给单元中的残余空气量与安全值之间的差值所需的时间；
之后，所述控制单元以所确定的系统排空操作时间执行SCR系统的尾气处理液排空操作。
2.如权利要求1所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成在排空操作期间控制停止供给单元中的主泵停止运转，并且建立使得尾气处理液从喷射单元朝向供给单元回流、以及从供给单元朝向SCR系统的尾气处理液罐回流的回流路径。
3.如权利要求1或2所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成基于SCR系统自然泄压过程中在系统压力下降到一预定压力值所经历的时间来确定供给单元中的残余空气量，所述预定压力值例如为大约2巴；
可选地，所述控制单元配置成利用以所述时间为变量的线性表达式来确定供给单元中的残余空气量。
4.如权利要求1或2所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成基于SCR系统自然泄压过程中在泄压经历了预定时间时的系统压力来确定供给单元中的残余空气量，所述预定时间例如为2～3秒；
可选地，所述控制单元配置成利用以系统压力为变量的线性表达式来确定供给单元中的残余空气量。
5.如权利要求3或4所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成至少为确定供给单元中的残余空气量而获取SCR系统自然泄压起始时的初始放泄质量流量和初始系统压力。
6.如权利要求5所述的控制单元，其中，所述控制单元配置成还为确定供给单元中的残余空气量而获取：SCR系统中承受尾气处理液压力的弹性元件的弹性系数，所述弹性元件包括例如供给单元的壳体、供给单元中的压力平衡单元、与供给单元相连的压力管线。
7.如权利要求1至6中任一项所述的控制单元，其中，当残余空气量不低于所述安全值时，所述排空操作时间为大约20秒，而当供给单元中的残余空气量低于所述安全值时，所述排空操作时间为20秒至90秒。
8.一种车辆SCR系统，包括：
尾气处理液罐；
供给单元，其抽吸管线和回流管线与尾气处理液罐连接；
喷射单元，其通过压力管线与供给单元连接；
如权利要求1至7中任一项所述的控制单元，其控制所述供给单元和喷射单元的操作。
9.如权利要求8所述的控制单元，其中，所述回流管线中布置着节流器，SCR系统的自然泄压仅通过所述节流器实现；
可选地，所述SCR系统中包括回抽泵，所述控制单元配置成控制所述回抽泵执行SCR系统的尾气处理液排空操作。
10.一种用于车辆SCR系统中的排空控制方法，其可选地借助权利要求1至7中任一项所述的控制单元执行，所述方法包括下述步骤：
在车辆发动机运行结束后停止供给单元和喷射单元的操作一段时间，使得SCR系统自然泄压；
之后，基于泄压过程中的系统压力与时间的关系确定供给单元中的残余空气量；
之后，基于确定的供给单元中的残余空气量来确定排空操作时间；其中，当残余空气量不低于防止供给单元冻裂所需的残余空气量安全值时，将系统排空操作时间确定为针对喷射单元执行排空操作所需的时间；而当供给单元中的残余空气量低于所述安全值时，将系统排空操作时间确定为补偿供给单元中的残余空气量与安全值之间的差值所需的时间；
之后，以所确定的排空操作时间执行SCR系统的尾气处理液排空操作。
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