CN111577430A

CN111577430A - 响应时间短的氨气生成计量喷射装置及喷射率控制系统

Info

Publication number: CN111577430A
Application number: CN202010453531.1A
Authority: CN
Inventors: 齐宝华
Original assignee: Ningbo Kaishi Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Ningbo Kaishi Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明公开了一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置及喷射率控制系统，包括计量喷射控制单元、具有氨生成室的中空大容器、盖子、固态还原剂、电加热器、放液管路、热交换器、通过控制阀与热交换器相连的冷却液通道、均布有开口的气体释放管、依次通过止回阀和中间管路与与氨生成室相连通的具有缓冲腔的中空小容器、副电加热器、依次通过电控阀和排气管路与缓冲腔相连通用于排出氨气的排气通道以及位于排气管路和中间管路内的电加热线；缓冲腔内部设有第一压力传感器和第一温度传感器，氨生成室内部设有第二温度传感器，副电加热器的驱动信号为具有高电流信号和低电流信号的电压脉冲信号。本发明可精确地控制氨的释放速率。

Description

响应时间短的氨气生成计量喷射装置及喷射率控制系统

技术领域

本发明涉及一种氨气生成和输送装置及喷射率控制系统，尤其涉及一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置及喷射率控制系统。

背景技术

选择性催化还原(SCR)技术已广泛用于减少内燃机(尤其是柴油机)的NOx排放。在SCR系统中，通常需要将氨(NH3)与发动机的尾气混合，然后通过催化剂，在其中氨与尾气中的NOx反应并将NOx还原为氮气和水。由于安全方面的考虑以及运输和存储的困难，在SCR系统中，通常是由前体(例如尿素)产生氨，而不是直接使用氨。前体在本文中也称为还原剂。

固态和液态还原剂均可用于SCR系统。固体还原剂可以直接分解产生氨，例如金属胺盐，包括氯化氨基氯化镁(Mg(NH3)6Cl2)和氯化钙氯化铵(Ca(NH3)8Cl2)等，以及铵盐，包括氨基甲酸铵(NH4COONH2)，碳酸氢铵(NH4HCO3)和碳酸铵((NH 4)2CO3)等都会在温度较低的状态下分解而产生氨。与液态尿素溶液(比如32.5％浓度的车用尿素溶液或者DEF)相比，固态还原剂有很多优点，包括没有冻结温度，没有分解管中的沉积物，更高的密度和更低的体积，对还原剂中的杂质不敏感，以及不需要额外的能量加热尿素溶液中的水等。然而，使用固体还原剂的一个很大的障碍是还原剂的计量喷射问题，包括高能耗，压力变化，和喷射率控制问题。这些问题使得难以在 SCR系统中准确地对氨喷射量进行计量。

通常，要使用固体还原剂产生氨，如[Chemical Engineering Science 61(2006)2618– 2625]中所描述的那样，要将密闭容器中的还原剂加热，然后在达到一定压力后将氨气喷射到尾气中。因为当加热固体还原剂时，容器中的所有还原剂都被加热，所以需要比较高的加热功率，同时由于热传递引起的时间延迟，当还原剂的量大时，也会造成容器中的压力控制困难。压力的不稳定会影响氨的喷射精度，特别是在没有反馈控制的情况下。这可能会大大增加系统的复杂性和成本。另外，过高的压力也可能引起安全隐患。

另外，在上述氨载体中，除了金属胺盐以外，一般的铵盐在加热分解时产生的不是纯净的氨气而是混有二氧化碳和水等物质的混合气体。因此，在使用这些铵盐作为还原剂的时候，如果只是控制流出物的质量流量，也会由于氨在其中的含量发生变化而导致计量喷射的不准确。

因而，亟需解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可以精确地控制氨的释放速率的响应时间短的氨气生成计量喷射装置。

本发明的第二目的是提供该响应时间短的氨气生成计量喷射装置的喷射率控制系统。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置，包括计量喷射控制单元、具有氨生成室的中空大容器、为中空大容器适配的盖子、位于氨生成室内的固态还原剂、位于氨生成室内的电加热器、位于中空容器底部带有放液阀的放液管路、位于氨生成室内的热交换器、用于流入发动机冷却液且通过控制阀与热交换器相连的冷却液通道、位于固态还原剂上用于释放积存在固态还原剂内部产生气体的均布有开口的气体释放管、依次通过止回阀和中间管路与与氨生成室相连通的具有缓冲腔的中空小容器、位于缓冲腔底部的副电加热器、依次通过电控阀和排气管路与缓冲腔相连通用于排出氨气的排气通道以及位于排气管路和中间管路内的电加热线；所述缓冲腔内部设有用于感测内部压力的第一压力传感器和用于感测内部气体温度的第一温度传感器，氨生成室内部设有用于感测固态还原剂温度的第二温度传感器，所述计量喷射控制单元分别通过信号线与电加热器、副电加热器、电加热线、电控阀、控制阀、第一压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器相连接，所述副电加热器的驱动信号为具有高电流信号和低电流信号的电压脉冲信号。

其中，所述电加热器的闭环温度控制模块包括电流检测模块、脉冲控制器、脉宽调制发生器、驱动器和用于产生温度占空比信号的压力控制模块，该压力控制模块根据第一压力传感器所获得的压力感测值和目标压力值比较得到的误差值计算生成温度占空比信号，电流检测模块检测电加热器的电流并将检测信号发送至脉冲控制器，脉冲控制器根据检测信号和温度占空比生成信号占空比并发送至脉宽调制发生器，脉宽调制发生器根据信号占空比生成具有固定周期的脉宽调制信号并发送至驱动器，在驱动器内被转换为驱动信号，再通过电流检测模块发送至电加热器。

优选的，所述脉冲控制器包括电流测量模块、温度计算模块和温度脉冲控制模块，电流测量模块将检测信号转换为数字值，温度计算模块根据数字值计算电加热器的电阻值，再根据电加热器的温度电阻曲线计算得到加热器温度值，温度脉冲控制模块根据加热器温度值和温度占空比得到信号占空比。

再者，所述温度脉冲控制模块的控制方法，包括如下步骤：

(1)、标志PulseFlag是否为1，若是则转(2)，若否则转(6)；

(2)、计数器TimerON递增，TimerON＝TimerON+1；

(3)、TimerON的值与Tp*T_Dc/T的值进行比较，其中Tp是温度控制脉冲的周期，T_Dc是温度控制脉冲的占空比，而T是定时器中断的周期，判断TimerON≥Tp* T_Dc/T？若是则转(4)，若否则转(5)；

(4)、计数器TimerON＝0，标志PulseFlag＝0，程序结束；

(5)、启动温度PID控制器，程序结束；

(6)、检查前一个周期的变量PulseFlag(K-1)的值，判断PulseFlag(K-1)是否为1，若是则转(7)，若否则转(8)；

(7)、关闭温度PID控制器并重置，并将信号占空比PWM_Dc设置为零；

(8)、计数器TimerOFF递增，TimerOFF＝TimerOFF+1；

(9)、TimerOFF的值与Tp*(1–T_Dc)/T的值进行比较，判断TimerOFF≥ Tp*(1–T_Dc)/T？若是则转(10)，若否则程序结束；

(10)、计数器TimerOFF＝0，标志PulseFlag＝1，程序结束。

优选的，所述控制阀的控制方法包括如下步骤：将第一压力传感器的压力感测值分别与低压阈值Thd_PLo和高压阈值Thd_Phi进行比较，当获得的压力感测值小于低压阈值Thd_PLo时通电打开控制阀，当压力感测值大于高压阈值Thd_PHi，则断电关闭控制阀。

再者，所述缓冲腔的压力控制方法包括如下步骤：

(1)、将尾气温度Te与阈值Thd1进行比较，判断Te＜Thd1？若是则(2)，若否 (7)；

(2)、开启副电加热器；

(3)、将发动机冷却液温度T_clt与阈值Thd3进行比较，判断T_clt≥Thd3？若是则开启控制阀，若否则关闭控制阀；

(4)、将第一压力传感器感测的缓冲腔内部压力P₃₁₁与排气通道中的压力P_e进行比较，判断P₃₁₁＜P_e？若是则开启电加热器并转(6)，若否则转(5)；

(5)、将第一压力传感器感测的缓冲腔内部压力P₃₁₁与阈值Thd9进行比较，判断P₃₁₁＜Thd9？若是则对电加热器进行压力控制并转(6)，若否则关闭电加热器、副电加热器和控制阀并转(6)；

(6)、程序结束；

(7)将第一温度传感器测得的缓冲腔内部温度T₃₁₂与阈值Thd2进行比较，判断 T₃₁₂＜Thd2，若是则开启副电加热器并转(3)，若否则关闭副电加热器并转(3)。

本发明一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置的喷射率控制系统，包括流量指令计算模块、目标值计算模块、模型模块、第二级PWM占空比计算模块和第三级PWM 占空比产生模块，流量指令计算模块根据SCR控制产生的氨喷射率命令R_NH3和氨生成室中的氨含量C_{NH3_457}计算得到气体流量指令，目标值计算模块根据气体流量指令和第一级PWM周期值P1计算得到脉宽目标值，模型模块根据第一压力传感器的压力感测值计算得到当前脉宽信号，第二级PWM占空比计算模块根据脉宽目标值和当前脉宽信号比较得到的误差值与第二级PWM周期值P2计算得到第二级PWM占空比值Dc2，第三级PWM占空比产生模块根据第二级PWM占空比值Dc2生成第三级PWM占空比值 Dc3。

其中，产生前两级PWM信号的控制方法包括如下步骤：

(1)、计算变量C1，变量C1的值是第二级PWM控制中的喷射能力值，所述C1 的计算公式为：

C1＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2(F4)；

(2)、变量PWMT2是第一级PWM循环中的当前时间，将PWMT2的值与P1比较，判断PWMT2≥P1？，若是则转(3)，若否则转(12)；

(3)、检查第二级PWM占空比Dc2的值，判断Dc2＜P2？若是则转(4)，若否则转(9)；

(4)、计算变量current_value，计算当前PWM周期的总误差并将其保存在变量previous_error中，previous_error＝target_value-current_on_time+previous_error，变量 target_value是第一级PWM信号的目标开启时间值，变量current_value是在当前时刻计算出的第一级PWM信号的开启时间值，所述target_value的计算公式为：

target_value(i)＝Mass_flow_rate_cmd*S0

，其中S0是第一级PWM信号的周期值；

所述current_value的计算公式为：

current_value(i)＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2+current_value(i-1)

，其中i是自PWMT2重置为P2以来的中断次数：i＝PWMT2/P2，sqrt是平方根计算，K是常数，Pr(i)是第i个中断循环中的压力感测值，Pe是排气通道432中的压力；

(5)、将PWMT2值设置为P2，变量PWMT2是第一级PWM循环中的当前时间，初始化current_value值，并更新变量target_value；

(6)、通过将当前误差与前一个周期的误差相加，计算出当前周期要校正的误差，error＝target_value-current_value+previous_error；判断error≥C1？若是则(7)，若否则 (8)；

(7)、将Dc2值设置为100％，并将PWM脉冲状态标志Status设置为ON，程序结束；

(8)、将Dc2的值设置为error/P2，并将标志Status设置为OFF，程序结束；

(9)、计算变量current_value，计算当前PWM周期的总误差，并将其保存在变量previous_error中，previous_error＝target_value-current_value+previous_error；

(10)、将PWMT2值设置为P2，初始化current_value值，并将标志Status设置为 ON；

(11)、判断previous_error＞Fault_Thd？Fault_Thd为常值，若是则报告错误程序结束，若否则程序结束；

(12)、PWMT2值将增加P2，PWMT2＝PWMT2+P2；

(13)、检查标志Status，判断Status是否为ON？若是则(14)，若否则(17)；

(14)、计算current_value，更新要校正的误差，error＝target_value-current_value+ previous_error；判断error≥C1？若是则(15)，若否则(16)；

(15)、将Dc2值设置为100％，程序结束；

(16)、将Dc2的值设置为error/P2，并将标志Status设置为OFF，程序结束；

(17)、将Dc2值设置为0，结束程序。

优选的，所述第三级PWM占空比产生模块的周期控制方法，包括如下步骤：

(1)、将定时器PWMT3中的值与第二级PWM信号的导通时间值On_Time2进行比较，判断PWMT3≥On_Time2？若是则(2)，若否则(7)；

(2)、Dc3值复位为0；

(3)、PWMT3值增加P3，其中P3是第三级PWM信号的周期值，PWMT3＝PWMT3+ P3；

(4)、将PWMT3值与P2值进行比较，判断PWMT3≥P2？若是则(5)，若否则结束；

(5)、用Dc2值和P2值的乘积来更新On_time2值，On_time2＝Dc2*P2；

(6)、将PWMT3值重置为0，结束程序；

(7)、计算第三级PWM信号Dc3的占空比值，Dc3＝f(PWMT2-P2+PWMT3)；并转(3)。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)、本发明为了加快启动过程，使用一大一小两个容器用于产生和输送氨，这两个容器都在内部均具有加热装置，并且大容器通过一个止回阀流体连接至小容器，该止回阀防止小容器中的气体流回大容器；在大容器中，加热装置是电加热器和热交换器，而在第二容器中，加热装置为副电加热器，该副电加热器用于保持内部的温度从而防止可逆反应导致压力降低；小容器中由温度传感器和压力传感器分别检测其内的气体温度和压力；本发明首先对小容器中的压力进行控制，当尾气温度过低时，直接开启小容器中的副电加热器，从而快速建立压力；而当尾气温度升高后，将小容器作为大容器的拓展，进行压力和温度控制，同时保持小容器中的气体温度不至过低，压力不至过高。

(2)、本发明电加热器的驱动信号为具有高电流信号和低电流信号的电压脉冲信号，每个脉冲包括高温部分和低温部分，在高温部分中电加热器的表面温度高于氨释放温度，在低温部分中电加热器的表面温度低于氨释放温度；利用脉冲信号，仅在其表面温度高于氨释放温度时，与电加热器相邻的还原剂才释放氨；如此通过控制温度脉冲的占空比，可以控制氨的释放速度；控制电加热器时电加热器的电阻用于在闭环控制中生成温度脉冲，并且PWM发生器来驱动电加热器。

(2)、本发明在缓冲腔内还具有压力传感器用于感测其内部的压力，压力感测值通过压力控制模块将中空小容器的压力保持在预定范围内，将恒定的目标压力值与从压力传感器获得的感测值进行比较，并且压力控制模块使用这两个值之间的误差或差值来生成温度占空比指令，以用于控制温度脉冲控制模块；利用双回路控制，即利用压力回路和温度回路控制，氨生成室内部的压力可以通过氨释放速率来精确控制。

(3)、本发明的中空小容器还通过一个电控阀流体地连接到喷射器，并且通过在重复循环中控制电控阀的打开时间来控制氨的输送速率；如果在容器中仅产生氨，氨的输送速率是流经喷射器的气体的质量流速，而当在容器中产生多种物质时，则计算校正因子来确定氨的输送速率；为了精确控制氨的输送速率，本发明使用三阶段PWM控制，在该PWM控制中，通过周期性地更新第二级PWM信号发生器的占空比来生成第一级 PWM信号，并且根据利用压力感测值计算出的当前周期中的流量值来计算占空比值；从第一PWM周期开始的时刻到当前时刻的时间以及第二PWM信号的周期和占空比值还用于确定第三级PWM信号的占空比；利用三级PWM控制，可以在不使用专用流量传感器的情况下实现对流量的反馈控制，同时可以提供开启电压和保持电压来控制电控阀。

附图说明

图1为本发明中具有SCR尾气处理系统的发动机系统的结构示意图；

图2为本发明中响应时间短的氨气生成计量喷射装置的结构示意图；

图3为本发明中电加热器外加电压、温度响应和氨释放速度的曲线图；

图4为本发明中闭环温度控制模块的示意图；

图5为本发明中脉冲控制器的示意图；

图6为本发明中脉冲控制器中温度脉冲控制模块的流程示意图；

图7为本发明中压力控制模块的示意图；

图8为本发明中喷射率控制系统的框图；

图9为本发明中喷射率控制系统中产生前两级PWM信号的控制方法；

图10为本发明中喷射率控制系统中产生第三级PWM信号的控制方法；

图11为本发明中缓冲腔的压力控制的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，在发动机系统中，由发动机100产生的尾气通过歧管101进入通道120。通道120流体地连接至氨气生成计量喷射装置200，该氨气生成计量喷射装置由发动机控制单元(简称ECU)108通过信号线107来控制。氨气生成计量喷射装置200将还原剂输送到尾气中并与其混合。混合后的尾气通过通道130流入催化剂103，在其中还原剂与尾气中的NOx发生反应并将NOx还原。在通道120上，第三温度传感器102用于测量催化剂103上游尾气的温度，而温度传感信号通过信号线106发送给ECU108。第四温度传感器104安装在尾管110上，该尾管流体连接到催化剂103。第四温度传感器104用于测量催化剂103下游的尾气温度，从该温度传感器获得的信号通过信号线109 传给ECU108。另外在尾管110上还设有一个NOx传感器105用于测量排气管的NOx 排放水平，从NOx传感器105获得的信号通过信号线111发送到ECU108。

如图2所示，在冷启动的条件下，由于需要热传导和热解，需要比较长的时间才能通过加热分解固态还原剂458来使得氨生成室457中的压力达到还原剂的最低启喷条件，即氨生成室457中压力超过排气通道432中的气压。而且电加热器407的加热功率越低，氨生成室457的体积越大，这个时间就会越长。为了能够在冷启动的条件下快速地产生还原剂，从而提高低温的氮氧化合物转换效率，可以在计量喷射系统200中再串联一个小体积的缓冲腔，利用缓冲腔的快速加压特性来加速冷启动过程。

氨气生成计量喷射装置200的一个实施例如图2所示，包括相互连通的中空大容器和中空小容器，氨生成室位于中空大容器，缓冲腔位于中空小容器。氨生成室457通过止回阀406和中间管路321流体地接到缓冲腔300。在该缓冲腔的上方，第一温度传感器312通过信号线302与DCU440相连接，并将缓冲腔中的气体温度感测值送入DCU440。缓冲腔300中的气体压力则由第一压力传感器311测得，并通过信号线303送入DCU440。在缓冲腔300的底部是一个副电加热器320，该电加热由DCU440通过信号线306来控制，而缓冲腔300的内腔通过一个电控阀310和排气管路323接到排气通道432。电控阀310是一个电磁阀，由DCU440通过信号线304来控制，同时在中间管路321和排气管路323中，为了防止在使用某些固态还原剂时低温逆反应导致管路阻塞分别加入了加热线路322和324。加热线路322由DCU440通过信号线301来控制，而加热线路324 由DCU440通过信号线305控制。为了降低热量损耗和提高加热效率，在氨生成室457 的外壳448和缓冲腔300的外壳315中可加入隔热层或在其表面外敷隔热层。

如图2所示，氨产生室457和缓冲腔300可以串联工作以提供氨，在此模式下，当发动机冷启动时，排气温度低，首先使用缓冲腔300中的副电加热器320进行温度控制。缓冲腔300的体积远小于氨产生室457，因此可以快速地建压。当缓冲腔300中的压力高于排气通道432中压力时，开启电控阀310就可以向其中注入氨气了。氨气流量的控制可以使用脉宽调制(PWM)方法周期性地开启电控阀310来进行。在加热缓冲腔300 的同时，也对氨生成室457进行加热。在氨生成室457中形成的氨气或氨气混合物通过止回阀406和管线321进入缓冲腔300，补充其中的损失，同时缓冲腔300中压力通过其中的电加热器320，以及氨生成室457中的热交换器455和电加热器407共同来控制。

如图2所示，要完成对氨喷射量的控制，首先要保证在缓冲腔300内有足够的压力。对缓冲腔300内的压力控制可以通过DCU440中运行的周期性运行的时钟中断服务程序来实现。如11所示，在这个中断服务程序中，首先尾气温度T_e与一个阈值Thd1进行比较，如果T_e小于Thd1，也就是尾气温度很低，则这时处于发动机启动状态，开启副电加热器320进行加热。如果T_e不小于Thd1，则由第一温度传感器312测得的缓冲腔内部温度T₃₁₂与另一个阈值Thd2进行比较。中断服务程序在T₃₁₂小于Thd2条件下开启副电加热器320，否则就将其关闭。对副电加热器320的操作之后，发动机冷却液温度 T_clt与一个阈值Thd3进行比较，如果T_clt小于Thd3，则关闭控制阀420以避免过低的冷却液温度加重电加热器407的负担。当T_clt大于或等于Thd3时，控制阀420启动，然后将由第一压力传感器311获得的缓冲腔内部压力P₃₁₁与排气通道432中的压力P_e进行比较。当P₃₁₁小于P_e时，开启电加热器407，否则，当P₃₁₁大于等于Thd9时，关闭副电加热器320和电加热器407，以及控制阀420，然后结束中断服务程序。在P₃₁₁的值位于P_e和Thd9之间时，在步骤375中进行压力控制。该压力控制可采用如图7的结构，利用图4和图5的电路，使用图6的控制程序来进行，中断服务程序在步骤375后结束。

在这个氨气生成计量喷射装置内部，发动机冷却液首先进入冷却液通道421，并通过控制阀420进入热交换器455。该控制阀由计量喷射控制单元(简称DCU)440通过信号线413进行控制，而DCU440通过信号线107(图2中未显示)与ECU108通讯。热交换器455和一个电热器407都位于中空容器430的氨生成室457中。电加热器407 由DCU440通过信号线412来控制。固态还原剂458也存在氨生成室457中，中空容器 430与盖子425相适配，而在容器430的底部有个放液阀422和放液管路423，固态还原剂生成的剩余液体可通过开启放液阀422经由放液管423放出。在氨生成室457中，还有均布有开口461的气体释放管459用于释放积存在固体还原剂458内部产生的气体。氨生成室457通过一个止回阀406以及一条中间管路312流体地连接至中空小容器。氨生成室457中固态还原剂的温度由第二温度传感器401测得并通过信号线411送到 DCU440。

与液态的还原剂溶液不同，固体还原剂难以计量。通常情况下，在使用固态还原剂时，需要将其加热至分解温度以释放氨。然而加热整块的固体还原剂既费时又耗能，特别是在使用电加热时，这个问题尤其突出。为了加快固态还原剂的分解，在图2中，电加热器可使用特殊的脉冲控制。这个脉冲控制中的脉冲有高电流和低电流两部分信号组成，高电流信号施加到电加热器时，加热器会出现暂时的高表面温度，这个温度会分解加热器附近的固体还原剂。而当信号变为低电流时，加热器表面温度降低，同时固态还原剂在分解过程中吸收的热能也会进一步降低加热器表面温度。当固态还原剂温度低于分解温度时，固态还原剂分解过程就停止了，因此，在这个脉冲控制中平均氨释放速率由施加的电流脉冲的占空比确定。与通常在加热控制中使用的PWM控制不同，在这个特殊的脉冲控制中，固态还原剂的温度是脉冲波动的，而不是被控制到一个稳定的值或者区间里；温度的稳定性不是这个脉冲控制的目标。

在图2中，简单的温度控制是在电加热器407上施加电压脉冲，如图3所示，当外加电压脉冲时，加热器表面温度升高，而当加热器温度高于氨释放温度时，固体还原剂分解并产生氨。氨的产生率由加热器温度决定，加热器的温度越高，氨的产生率就越高。电压脉冲关闭时，加热器表面温度下降，当加热器温度降至分解温度以下时，固体还原剂停止分解。

温度脉冲可以进一步在闭环中控制，同时当已知电加热器的温度电阻特性时，也可以通过测量加热器的电阻来检测加热器表面温度。如图4所示，在一个闭环温度控制系统中，电流检测模块247用于检测电加热器206中的电流，并且将检测信号发送到脉冲控制器250。这个检测信号和一个温度占空比命令在脉冲控制器250中用于生成一个信号占空比指令，然后送到脉宽调制发生器249。由脉宽调制发生器249产生的脉宽调制信号(PWM)在驱动器248中被转换为驱动信号，然后通过电流检测模块247和信号线242加载到电加热器206。

电流检测模块247中的电流检测可以使用多种方法来实现。比如，一种简单的方法是测量串联到电加热器206的分流电阻上的电压降。而在驱动器248中，可以使用开关电路来产生驱动信号。在脉宽调制发生器249中，可以根据脉冲控制器250提供的信号占空比指令，利用控制逻辑电路生成具有固定周期的脉宽调制信号。

脉冲控制器250可以实现闭环控制，该脉冲控制器250将从电流检测模块247获得的感测信号作为反馈，然后根据这个感测信号和温度占空比命令产生一个信号占空比指令，并将其提供给脉宽调制生成器249。脉冲控制器250的一个实现如图5所示。在脉冲控制器250中，从电流检测模块247获得的感测信号在电流测量模块281中转换为数字值，并且在温度计算模块282中用来计算电加热器206的电阻值，再根据电加热器的温度电阻曲线就计算得到加热器温度值。然后在温度脉冲控制模块283中加热器温度值和温度占空比命令进行比较，并产生信号占空比指令送入脉宽调制发生器249。

电流测量模块281中的模数转换可以通过模数转换器(ADC)来实现，而温度计算模块282中的电阻和温度计算可以通过微处理器中运行的程序来实现，在该程序中，可以使用带有加热器电阻值输入的表通过查表法来计算加热器温度，并且可以用电加热器的温度电阻曲线或数据来填充该表。

多种控制方法可以在温度脉冲控制模块283中使用，比如一种基于PID的脉冲控制就是其中的一个方法，该方法可以由图6所示的中断服务程序来实现，这个中断服务程序由一个定时器触发，可以周期性地运行。如图6所示，在这个程序开始运行后，首先检查标志PulseFlag。如果PulseFlag值为1，则计数器TimerON递增。而后，TimerON 的值与Tp*T_Dc/T的值进行比较，其中Tp是温度控制脉冲的周期，T_Dc是温度控制脉冲的占空比，而T是定时器中断的周期。如果TimerON的值小于Tp*T_Dc/T，则启用温度PID控制，例程结束。否则，例程在定时器TimerON重置为零后结束，并将零值赋予标志变量PulseFlag。在检查PulseFlag值的步骤中，如果其不为1，则检查前一个周期的变量PulseFlag(K-1)的值。如果PulseFlag(K-1)的值为1，即PulseFlag 值从1变为零，则将PID控制器关闭并重置，并且将信号占空比指令PWM_Dc设置为零。然后递增计数器TimerTimerOFF的值，并将递增后TimerOFF的值与Tp*(1–T_Dc) /T进行比较。如果TImerOFF值小于Tp*(1–T_Dc)/T，则程序结束，否则，程序在将计数器TimerOFF重置为零并将值1赋予标志PulseFlag之后结束。

图4中，输入到脉冲控制器250的温度占空比命令可以通过如图7所示的压力控制来产生。这个压力控制用于将缓冲室300中的压力控制到目标压力值。在图7的压力控制中，首先将一个目标压力值与从缓冲室300的第一压力传感器311获得的压力感测值进行比较，比较误差通过压力控制模块285生成温度占空比命令。压力控制模块285是反馈控制器，可以使用包括PID控制和继电器控制在内的多种控制方法。

在图2中，当冷却液温度高于氨生成室457中的固体还原剂的分解温度时，控制阀420可被通电打开从而将冷却液通过热交换器455来加热固体还原剂。当冷却液加热被启用时，有多种方法可以用来控制控制阀420。其中一个简单的方法是继电器控制法，将压力感测值与一个低压阈值Thd_PLo和一个高压阈值Thd_Phi进行比较。在这个方法中，当从第一压力传感器311获得的压力感测值小于低压阈值Thd_PLo时，通电打开控制阀420，而如果压力感测值大于高压阈值Thd_PHi，则将控制阀420断电关闭。当冷却液加热与电加热同时工作时，可以根据对系统性能的要求来确定阈值Thd_PLo和 Thd_PHi。例如，当需要精确的压力控制时，可以将高压阈值Thd_Phi设置为略低于目标压力值。在这种方式下，冷却液加热作为粗略控制，而精确的压力控制是通过电加热来进行“微调”。如果需要降低电加热消耗，则可以将低压阈值Thd_PLo设置为高于目标压力值。在这种方式下，当冷却液能够带来足够的热能时，电加热器455就断电，从而节省电能。

如图2所示的氨气生成计量喷射装置200的氨喷射率可以两步来实现。第一步是计算缓冲室300中的氨含量，C_{NH3_300}，第二步是用脉宽调制的方法根据SCR控制提供的命令，R_NH3，缓冲室300中的氨含量，C_{CNH3_300}，以及从第一压力传感器311获得的压力感测值，P₃₁₁，通过在重复循环中控制电控阀310的打开时间，Dc3，来控制氨喷射率，使得该喷射率达到R_NH3的值。如前所述，固态还原剂有两大类，一类是金属胺盐，这一类化合物在加热分解时可以产生纯净的氨，因此在第一步中的氨含量可以设为一个常值，比如C_{NH3_300}＝1.0。

另一类是铵盐，这类化合物在分解的过程中除氨以外还会产生其他物质，比如水，二氧化碳等。因此在使用铵盐时，需要根据缓冲室300中的状态来计算氨含量。在缓冲室300中，当铵盐的分解反应达到平衡态时，气体中的氨含量由其中的气体压力，气体温度，以及液体温度所决定，是这三个参量的一个函数：

C_{NH3_300}＝f(P₃₁₁,T₃₁₂,T₄₀₁)

，其中C_{NH3_300}是缓冲室300中的氨含量，P₃₁₁是由第一压力传感器311测得的气体压力，T₃₁₂是由第一温度传感器312测得的气体温度，而T₄₀₁则是由第二温度传感器 401测得的固态还原剂温度。在实际控制中，图7中的算法可以将缓冲室300中的压力控制到目标压力，而氨含量C_{NH3_300}的计算可先由液体温度和气体温度计算出一个初始值，然后根据气体压力进一步进行补偿。具体的实现可以通过两个查表运算来完成：

C_{NH3ini_300}＝Tbl3(T₃₁₂,T₄₀₁)

C_{NH3_300}＝Tbl4(P₃₁₁,C_{NH3ini_300})

，其中表格Tbl3和Tbl4中的值可以通过实验的方法来确定。

在此基础上，SCR控制提供的命令R_NH3可以根据缓冲腔300中的氨含量C_{NH3_300}以及压力感测值P₃₁₁，用图8所示的控制结构和图9以及图10所示的中断服务程序来产生用于控制电控阀310的占空比Dc3，通过周期性地控制电控阀的开启时间来实现。

氨流量控制的第二步中，可以使用三级PWM控制来产生用于控制电控阀405的信号。如图8所示，在该控制中，首先由SCR控制产生的氨喷射率命令(R_NH3)和计算得到的氨浓度(C_{NH3_300})通过一个流量指令计算模块290计算得到一个气体流量的指令。然后在一个目标值计算模块286中，该气体流量的指令与第一级PWM的周期设定值一起来计算得到一个脉宽目标值。同时，在一个模型模块287中，根据压力感测信号，可以计算出一个当前的脉宽信号。这个当前脉宽信号与脉宽目标值进行比较，得到的误差与第二级PWM周期设定值一起经由第二级PWM占空比计算模块288计算出第二级 PWM信号的占空比值Dc2。为了获得快速响应，同时避免过热，通常需要在控制电控阀405时提供吸合和保持电压。这个电压控制可通过调整占空比Dc3来实现，而占空比 Dc3可以根据Dc2在第三级PWM信号占空比产生模块289中生成。

如图8所示，目标值计算模块286、模型模块287、第二级PWM占空比计算模块 288和流量指令计算模块290以及当前信号与目标值的比较可以P2为周期运行的时钟中断服务程序来实现，该程序在8中产生前两级PWM信号。如图9所示，Fault_Thd 是个常值，P1是第一级PWM信号的周期值，Status是PWM脉冲状态标志。变量 target_value是第一级PWM信号的目标开启时间值，而变量current_value是在当前时刻计算出的第一级PWM信号的开启时间值。变量PWMT2是第一级PWM循环中的当前时间，变量C1的值是第二级PWM控制中的喷射能力值，比如喷射器230在通电打开时间P2中所能喷射的氨气量。

如图9所示，当触发中断服务程序时，将首先计算C1值，然后将PWMT2的值与第一级PWM信号的周期值P1比较。如果当前周期结束，即PWMT2>＝P1，则检查第二级PWM占空比Dc2的值。当Dc2值小于P2时，将计算当前PWM周期的总误差，并将其保存在变量previous_error中。此后，在步骤292中初始化current_value值，然后为新的周期更新变量target_value，并通过将当前误差与前一个周期的误差相加，计算出当前周期要校正的误差。如果要校正的误差error等于或大于C1，则将Dc2值设置为 100％，并且将状态标志设置为ON，否则，将Dc2的值设为error/P2，并将标志Status 重置为OFF。此后该程序结束。回到PWMT2值与P1值之间的比较，如果当前周期在占空比值不小于P2的情况下结束(Dc2>＝P2)，则意味着无法在该PWM周期中纠正错误。在这种情况下，将计算前一个周期中的误差，并将PWMT2值设置为P2。此后，将初始化current_value，并将Status标志设置为ON。由于未能纠正误差，这个误差会累积。如果累积的错误高于阈值Fault_Thd，则中断程序在报告故障后结束。再次回到 PWMT2值与P1值之间的比较，当PWMT2值小于P1时(在相同的第一级PWM周期中再次调用该中断程序)，PWMT2值将增加P2，并且检查状态标志Status。如果状态标志Status为OFF，则将Dc2值设置为0，并且结束程序，否则，在步骤291中计算 current_value，并且此后更新要校正的误差error。在程序结束之前，将误差值error与 C1比较。如果误差值error等于或大于C1，则将Dc2值设置为100％，否则，例程在将 Dc2设置为error/P2，并将状态标志Status重置为OFF之后结束。

如图9所示，target_value可以用还原剂质量流量命令Mass_flow_rate_cmd通过以下公式计算：

target_value(i)＝Mass_flow_rate_cmd*S0(F1)，其中S0是第一级PWM信号的周期值。

在步骤291中用于计算current_value的公式可以是：

current_value(i)＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2+current_value(i-1)(F2)，其中 i是自PWMT2重置为P2以来的中断次数：

i＝PWMT2/P2(F3)；sqrt是平方根计算，K是一个常数，Pr(i)是第i个中断循环中的压力感测值，Pe是排气通道432中的压力。

常数K可以使用以下公式由喷射器的排出系数CD，喷射器喷嘴的最小面积An和还原剂的密度ρ来计算：K＝C_DA_n√2ρ(1)，并且在步骤292中将 current_value(1)的值设置为0。C1的值可以使用以下公式计算：

C1＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2(F4)

如图10所示，可以在周期性运行的时钟中断服务例程来实现第三级PWM占空比产生模块289的功能。如图10所示，该服务程序开始后，定时器PWMT3中的值与第二级PWM信号的导通时间值On_Time2进行比较。如果PWMT3的值小于On_Time2，则使用时间项PWMT2-P2+PWMT3的函数计算第三级PWM信号Dc3的占空比值。该时间项是第一级PWM信号中从触发该周期的那一刻到当前时刻的时间。在Dc3的计算中可以使用带有该时间项输入的查找表，以便可以生成更多的电压电平。如果PWMT3 值不小于On_Time2值，则Dc3值复位为0。此后，PWMT3值增加P3，其中P3是第三级PWM信号的周期值，并将PWMT3值与P2值进行比较。如果PWMT3值小于P2 值，则程序结束；否则，用Dc2值和P2值的乘积来更新On_time2值，并将PWMT3 值重置为0，然后结束程序。

Claims

1.一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于，包括计量喷射控制单元、具有氨生成室的中空大容器、为中空大容器适配的盖子、位于氨生成室内的固态还原剂、位于氨生成室内的电加热器、位于中空容器底部带有放液阀的放液管路、位于氨生成室内的热交换器、用于流入发动机冷却液且通过控制阀与热交换器相连的冷却液通道、位于固态还原剂上用于释放积存在固态还原剂内部产生气体的均布有开口的气体释放管、依次通过止回阀和中间管路与与氨生成室相连通的具有缓冲腔的中空小容器、位于缓冲腔底部的副电加热器、依次通过电控阀和排气管路与缓冲腔相连通用于排出氨气的排气通道以及位于排气管路和中间管路内的电加热线；所述缓冲腔内部设有用于感测内部压力的第一压力传感器和用于感测内部气体温度的第一温度传感器，氨生成室内部设有用于感测固态还原剂温度的第二温度传感器，所述计量喷射控制单元分别通过信号线与电加热器、副电加热器、电加热线、电控阀、控制阀、第一压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器相连接，所述副电加热器的驱动信号为具有高电流信号和低电流信号的电压脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于：所述电加热器的闭环温度控制模块包括电流检测模块、脉冲控制器、脉宽调制发生器、驱动器和用于产生温度占空比信号的压力控制模块，该压力控制模块根据第一压力传感器所获得的压力感测值和目标压力值比较得到的误差值计算生成温度占空比信号，电流检测模块检测电加热器的电流并将检测信号发送至脉冲控制器，脉冲控制器根据检测信号和温度占空比生成信号占空比并发送至脉宽调制发生器，脉宽调制发生器根据信号占空比生成具有固定周期的脉宽调制信号并发送至驱动器，在驱动器内被转换为驱动信号，再通过电流检测模块发送至电加热器。

3.根据权利要求2所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于：所述脉冲控制器包括电流测量模块、温度计算模块和温度脉冲控制模块，电流测量模块将检测信号转换为数字值，温度计算模块根据数字值计算电加热器的电阻值，再根据电加热器的温度电阻曲线计算得到加热器温度值，温度脉冲控制模块根据加热器温度值和温度占空比得到信号占空比。

4.根据权利要求3所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于：所述温度脉冲控制模块的控制方法，包括如下步骤：

(1)、标志PulseFlag是否为1，若是则转(2)，若否则转(6)；

(2)、计数器TimerON递增，TimerON＝TimerON+1；

(3)、TimerON的值与Tp*T_Dc/T的值进行比较，其中Tp是温度控制脉冲的周期，T_Dc是温度控制脉冲的占空比，而T是定时器中断的周期，判断TimerON≥Tp*T_Dc/T？若是则转(4)，若否则转(5)；

(4)、计数器TimerON＝0，标志PulseFlag＝0，程序结束；

(5)、启动温度PID控制器，程序结束；

(8)、计数器TimerOFF递增，TimerOFF＝TimerOFF+1；

(9)、TimerOFF的值与Tp*(1–T_Dc)/T的值进行比较，判断TimerOFF≥Tp*(1–T_Dc)/T？若是则转(10)，若否则程序结束；

(10)、计数器TimerOFF＝0，标志PulseFlag＝1，程序结束。

5.根据权利要求1所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于，所述控制阀的控制方法包括如下步骤：将第一压力传感器的压力感测值分别与低压阈值Thd_PLo和高压阈值Thd_Phi进行比较，当获得的压力感测值小于低压阈值Thd_PLo时通电打开控制阀，当压力感测值大于高压阈值Thd_PHi，则断电关闭控制阀。

6.根据权利要求1所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置，其特征在于，所述缓冲腔的压力控制方法包括如下步骤：

(1)、将尾气温度Te与阈值Thd1进行比较，判断Te＜Thd1？若是则(2)，若否(7)；

(2)、开启副电加热器；

(6)、程序结束；

(7)将第一温度传感器测得的缓冲腔内部温度T₃₁₂与阈值Thd2进行比较，判断T₃₁₂＜Thd2，若是则开启副电加热器并转(3)，若否则关闭副电加热器并转(3)。

7.一种响应时间短的氨气生成计量喷射装置的喷射率控制系统，其特征在于：包括流量指令计算模块、目标值计算模块、模型模块、第二级PWM占空比计算模块和第三级PWM占空比产生模块，流量指令计算模块根据SCR控制产生的氨喷射率命令R_NH3和氨生成室中的氨含量C_{NH3_457}计算得到气体流量指令，目标值计算模块根据气体流量指令和第一级PWM周期值P1计算得到脉宽目标值，模型模块根据第一压力传感器的压力感测值计算得到当前脉宽信号，第二级PWM占空比计算模块根据脉宽目标值和当前脉宽信号比较得到的误差值与第二级PWM周期值P2计算得到第二级PWM占空比值Dc2，第三级PWM占空比产生模块根据第二级PWM占空比值Dc2生成第三级PWM占空比值Dc3。

8.根据权利要求1所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置的喷射率控制系统，其特征在于，产生前两级PWM信号的控制方法包括如下步骤：

(1)、计算变量C1，变量C1的值是第二级PWM控制中的喷射能力值，所述C1的计算公式为：

C1＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2(F4)；

(4)、计算变量current_value，计算当前PWM周期的总误差并将其保存在变量previous_error中，previous_error＝target_value-current_on_time+previous_error，变量target_value是第一级PWM信号的目标开启时间值，变量current_value是在当前时刻计算出的第一级PWM信号的开启时间值，所述target_value的计算公式为：

target_value(i)＝Mass_flow_rate_cmd*S0

，其中S0是第一级PWM信号的周期值；

所述current_value的计算公式为：

current_value(i)＝K*sqrt(Pr(i)-Pe))*P2+current_value(i-1)

(6)、通过将当前误差与前一个周期的误差相加，计算出当前周期要校正的误差，error＝target_value-current_value+previous_error；判断error≥C1？若是则(7)，若否则(8)；

(10)、将PWMT2值设置为P2，初始化current_value值，并将标志Status设置为ON；

(12)、PWMT2值将增加P2，PWMT2＝PWMT2+P2；

(14)、计算current_value，更新要校正的误差，error＝target_value-current_value+previous_error；判断error≥C1？若是则(15)，若否则(16)；

(15)、将Dc2值设置为100％，程序结束；

(17)、将Dc2值设置为0，结束程序。

9.根据权利要求4所述的响应时间短的氨气生成计量喷射装置的喷射率控制系统，其特征在于，所述第三级PWM占空比产生模块的周期控制方法，包括如下步骤：

(2)、Dc3值复位为0；

(3)、PWMT3值增加P3，其中P3是第三级PWM信号的周期值，PWMT3＝PWMT3+P3；

(5)、用Dc2值和P2值的乘积来更新On_time2值，On_time2＝Dc2*P2；

(6)、将PWMT3值重置为0，结束程序；