CN113606018A - 尿素溶液反抽控制装置及其故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种尿素溶液反抽控制装置及其故障诊断方法，包括控制器以及尿素箱、二位三通前阀、尿素泵、二位三通后阀、缓冲腔和电喷嘴，其中尿素泵的入口与二位三通前阀的工作出口流体连接，尿素泵的出口与二位三通后阀的工作入口流体连接，二位三通前阀的工作入口A与二位三通后阀的工作出口C流体连接，二位三通前阀的工作入口B分别与尿素箱和与二位三通后阀的工作出口D流体连接，缓冲腔的入口与二位三通后阀的工作出口C流体连接，缓冲腔的出口还通过依次连接的单向阀和限流喷嘴与尿素箱连接形成回流通路，缓冲腔的出口还设置有用于测量缓冲腔内尿素溶液压力的压力传感器。本发明通过两个独立的流路控制阀来控制尿素溶液的流动方向从而实现尿素的泵送和抽回清空。

Description

尿素溶液反抽控制装置及其故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种尿素溶液的控制装置，尤其涉及一种尿素溶液反抽控制装置及其故障诊断方法。

背景技术

为了去除稀燃发动机尾气中的氮氧化合物，一般使用选择性催化还原(SCR)技术，利用还原剂与氮氧化合物的反应将其去除。一般来说，一个选择性催化还原系统包括催化剂总成，传感器模块，控制器单元，还原剂存储装置，以及还原剂计量喷射装置等五个部分。其中，催化剂总成又包括了催化剂封装，排气管路和混合器；传感器模块一般包括排气温度传感器和氮氧化合物传感器；控制器单元可以是一个独立的催化还原系统控制器(DCU)也可以和发动机控制单元(ECU)结合在一起；还原剂存储装置的功能是存储和制备还原剂，一般包括还原剂加热装置、还原剂存量感测装置，还原剂温度传感器以及还原剂品质感测装置这几个子模块；还原剂计量喷射装置的作用是将还原剂或还原剂载体以一定的剂量精确地喷射到尾气中，使其与尾气混合；均匀混合的尾气在催化剂表面发生反应，从而讲氮氧化合物去除。目前在实际系统中，应用得最广的是以氨作为还原剂的SCR系统，同时为了存储和使用的安全以及计量的准确性，又使用尿素溶液作为氨还原剂的载体。在这样的系统中还原剂计量喷射装置将尿素溶液喷入尾气，在高温尾气的作用下，尿素通过热解和水解产生氨，而后与氮氧化物发生反应。这种还原剂计量喷射装置又叫做车用尿素计量喷射装置，简称尿素计量喷射装置。

尿素喷射装置一般包括尿素泵，管路和喷嘴这三个部分。尿素泵将尿素从还原剂(尿素)存储装置中抽取出来，然后通过管路输送给喷嘴，再由喷嘴喷出。尿素溶液喷射率的计量可以通过泵来实现或者通过周期性地开启电控喷嘴，并调整喷嘴开启时间来实现。前一种方式一般还要通过一个气混装置来对泵出的尿素溶液进行雾化，而后一种方式则可以直接利用喷嘴进行雾化。使用气混装置的尿素计量喷射装置一般又称为气助式尿素计量喷射装置，而使用电控喷嘴进行计量和雾化的系统根据使用的泵不同又分为无气式尿素计量喷射装置和气驱式尿素计量喷射装置。无气式尿素计量喷射装置使用电控泵来抽取和泵送尿素溶液，而气驱式尿素计量喷射装置则利用压缩空气驱动的气压液力装置来完成尿素溶液的抽取和泵送。

尿素溶液会在低温下冻结，同时长时间暴露在空气中也会结晶。在尿素计量喷射装置中，为了防止尿素结晶以及因低温下冻结而损坏管路和泵，在发动机熄火后需要清空其中剩余的尿素溶液。目前有多种方法可以用来清空剩余尿素溶液，比如使用抽液泵来抽回尿素溶液，用反向阀将泵的入口和出口反置以改变液体流向，以及使用文丘里结构制造低压吸回尿素溶液等。但这些方法都是使用一个特殊的功能部件只为了抽回液体，利用率不高。

因而，亟需解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种通过两个独立的流路控制阀来控制尿素溶液的流动方向从而实现尿素的泵送和抽回清空的尿素溶液反抽控制装置。

本发明的第二目的是提供一种尿素溶液反抽控制装置的故障诊断方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种尿素溶液反抽控制装置，包括控制器以及依次流体连接的尿素箱、具有工作入口A、工作入口B和工作出口的二位三通前阀、尿素泵、具有工作出口C、工作出口D和工作入口的二位三通后阀、缓冲腔和电喷嘴，其中尿素泵的入口与二位三通前阀的工作出口流体连接，尿素泵的出口与二位三通后阀的工作入口流体连接，二位三通前阀的工作入口A与二位三通后阀的工作出口C流体连接，二位三通前阀的工作入口B分别与尿素箱和与二位三通后阀的工作出口D流体连接，缓冲腔的入口与二位三通后阀的工作出口C流体连接，缓冲腔的出口还通过依次连接的单向阀和限流喷嘴与尿素箱连接形成回流通路，缓冲腔的出口还设置有用于测量缓冲腔内尿素溶液压力的压力传感器；控制器分别与二位三通前阀、尿素泵、二位三通后阀、压力传感器和电喷嘴相电连接，控制器根据工作模式切换二位三通前阀和二位三通后阀控制尿素溶液的流动方向。

其中，所述工作模式包括M0工作模式：尿素泵的入口、工作入口A、工作出口C和尿素泵的出口形成小循环回路；M1工作模式：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口C、缓冲腔和电喷嘴形成喷射通路，并通过缓冲腔、单向阀、限流喷嘴和尿素箱形成回流通路；M2工作模式：电喷嘴、缓冲腔、工作入口A、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口D和尿素箱形成吸回通路；M3工作模式：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口和工作出口D形成与缓冲腔断开的隔断通路，当电喷嘴开启时，缓冲腔内剩余溶液通过电喷嘴喷出，当电喷嘴关闭时，缓冲腔内剩余溶液经由单向阀和限流喷嘴回流至尿素箱。

优选地，所述控制器包括信号处理模块、控制信号产生模块和信号驱动模块，其中控制信号产生模块包括数据处理模块、控制策略模块和数值限制模块，信号处理模块将压力传感器所测信号处理得到压力值P110，数据处理模块将压力值P110与压力设定值Ps进行比较处理后得到误差值Er，控制策略模块根据误差值Er和回流通路的有效孔径Dv计算得到闭环控制信号值Sp，该闭环控制信号值Sp经数值限制子模块处理后送入信号驱动模块，信号驱动模块产生的驱动信号经信号线控制尿素泵。

再者，所述控制策略模块的控制方法采用PID控制，具体公式为：

Sp＝Kp*Er+Ki*∫Er dt+Kd*dEr/dt

其中，增益项Kp、Ki和Kd是Dv值的函数：

Kp＝f1(Dv)

Ki＝f2(Dv)

Kd＝f3(Dv)

函数f1、f2,和f3通过查表的方法来计算：

Kp＝Tblp(Dv)

Ki＝Tbli(Dv)

Kd＝Tbld(Dv)

其中表Tblp、Tbli和Tbld中的值通过实验来确定。

进一步，控制器还包括喷射脉宽计算模块、电磁阀控制信号生成模块和驱动模块，喷射脉宽计算模块根据压力值P110、Dv值和流量喷射命令Cdf计算得到占空比值Dc，占空比值Dc经过电磁阀控制信号生成模块和驱动模块转换成电喷嘴控制信号，经由信号线控制电喷嘴。

优选地，所述喷射脉宽计算模块的计算方法为：

(1)、根据Cdf和P110值生成一个初始喷射命令Cdi，

Cdi＝Tbl_cdi(Cdf,P110)

其中Tbl_cdi中的表值由实验确定；

(2)、根据De值计算得到一个修正系数Co，

Co＝Tbl_co(De)

其中Tbl_co的表值由实验确定；

(3)、Dc值由Cdi和Co得到：

Dc＝Cdi*Co。

本发明一种尿素溶液反抽控制装置的故障诊断方法，包括如下步骤：

(1)、在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t1时压力值下降为P1；

(2)、打开电喷嘴，压力传感器测得在时刻t2时压力值记为P2；在电喷嘴正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t3时压力值下降为P3；

(1)诊断开始，控制器控制系统进入M3工作模式，并关闭电喷嘴；将压力传感器所测的压力值P与压力值P0进行比较，压力值P0为装置进入M3工作模式并关闭电喷嘴时由压力传感器测得时刻t0的压力值，判断P＜P0？若否则将时间寄存器Tp1和Tp2清零并运行结束；

(2)、将压力传感器所测的压力值P与压力值P1进行比较，压力值P1为在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下压力传感器测得在时刻t1时的压力值，判断P≤P1？若否则测量压降时间Tp1，若Tp1＞阀值Tp_Thd，则回流通路堵塞报警并运行结束；若Tp1≤阀值Tp_Thd，则直接结束运行；

(3)、判断压降时间Tp1是否等于0，若否，则将Tp1的值赋予T10，并计算回流通路的有效孔径Dv，然后重置压降时间Tp1为0，并运行结束；

(4)、打开电喷嘴，将压力传感器所测的压力值P与压力值P2进行比较，压力值P2为电喷嘴正常工作状态下打开电喷嘴时压力传感器测得在时刻t2时压力值，判断P≤P2？若否则运行结束；

(5)、测量压降时间Tp2，将压力传感器所测的压力值P与压力值P3进行比较，压力值P3为在电喷嘴正常工作状态下压力传感器测得在时刻t3时压力值，判断P≤P3？若否则运行结束；

(6)、判断压降时间Tp2是否等于0，若是则运行结束；

(7)、将Tp2的值赋予T32，并计算电喷嘴的有效孔径De的值，然后将Tp2重置为0；

(8)、将回流通路的有效孔径Dv分别与阈值Dv_LoThd与Dv_HiThd进行比较，判断Dv＜Dv_LoThd？或Dv＞Dv_HiThd？若是则回流通路堵塞报警并运行结束；

(9)、将电喷嘴的有效孔径De分别与阈值De_LoThd与De_HiThd进行比较，判断De＜De_LoThd？或De＞De_HiThd？若是则电喷嘴故障报警并运行结束；若否则直接结束运行。

优选地，所述回流通路的有效孔径Dv和电喷嘴的有效孔径De的计算方法为：

(3.1)、压力值从P0达到P1的时间t10与P0、P1和Dv存在函数关系：

t10＝f(P0,P1,Dv) (1)

(3.2)、压力值从P2达到P3的时间t32与P2、P3、Dv和De存在函数关系：

t32＝g(P2,P3,Dv,De) (2)

(3.3)、压力值P0、P1、P2和P3为常值，公式(1)和公式(2)简化为：

t10＝f(Dv) (3)

t32＝g(Dv,De) (4)

(3.4)、Dv通过测量t10来进行计算，计算通过查表来实现：

Dv＝Tbl1(t10) (5)

表Tb11中的数据通过实验来测得；

(3.5)、计算综合孔径Ds，

Ds＝sqrt(Dv^2+De^2) (6)

式中sqrt()表示开方计算，^2表示乘方计算，Ds通过查表来计算：

Ds＝Tbl2(t32) (7)

表Tbl2中的数据通过实验来测得，计算得到Ds后，可根据Dv值和公式(6)来计算De值。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)、本发明通过两个独立的流路控制阀来控制尿素溶液的流动方向，从而实现尿素的泵送和抽回清空，使得本发明具有多种工作模式，满足系统多样化工作需求；

(2)、本发明在两个独立电磁阀的作用下，可形成特殊的泵内循环以检测尿素计量喷射装置的故障和劣化状态。

(3)、本发明可利用诊断模式下得到的劣化状态可以进一步用来补偿压力控制和流量控制，从而可以使得系统更加鲁棒，而且耐久性和可靠性更好。

(4)、本发明中两个流路控制阀可以在泵关电的条件下改变状态，由于关电状态下泵内压力有通路释放，控制阀的动作可以在低压下进行；低压控制阀可以以小电流控制，从而可以降低对电磁阀的控制要求，并延长其寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中诊断模式下电喷嘴关闭时尿素溶液压力变化曲线；

图3为本发明中诊断模式下电喷嘴开启时尿素溶液压力变化曲线；

图4为本发明中诊断中断服务程序框图；

图5为本发明中具有回流通路补偿的尿素溶液压力控制框图；

图6为本发明中具有电喷嘴补偿的尿素溶液流量控制框图。

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，一种尿素溶液反抽控制装置包括尿素箱、二位三通前阀101、尿素泵100、二位三通后阀102、缓冲腔105、电喷嘴130、单向阀121、限流喷嘴122和控制器125，其中尿素泵100将尿素溶液从入口(In)加压输送到出口(Out)，二位三通前阀101具有工作入口A、工作入口B和工作出口，二位三通后阀102具有工作出口C、工作出口D和工作入口。尿素泵100的入口流体地连接到一个二位三通前阀101的工作出口，尿素泵100的出口流体地连接到二位三通后阀102的工作入口。二位三通前阀101的工作入口A流体地连接到二位三通后阀102的工作出口C，二位三通前阀101的工作入口B流体地连接到二位三通后阀102的工作出口D。二位三通前阀101和二位三通后阀102由控制器125通过信号线111和信号线113来控制。尿素泵100由控制器125通过信号线112来控制。如果尿素泵100由一个马达驱动，控制器125可以通过信号线112来控制其转速，从而控制通过尿素泵100的尿素溶液流量。

二位三通前阀101的工作入口B可直接接到一个尿素箱(图1中未画出)，而二位三通后阀102的工作出口C流体地接到缓冲腔105的入口。缓冲腔105的出口流体地接到电喷嘴130、压力传感器110和单向阀121，单向阀121又通过限流喷嘴122连接到尿素箱(图1中未画出)形成回流通路。压力传感器110用于测量缓冲腔105中的尿素溶液压力，并将信号通过信号线114送入控制器125。同时控制器通过信号线115控制电喷嘴130的通断。

控制器根据工作模式切换二位三通前阀和二位三通后阀控制尿素溶液的流动方向，如图1所示，工作模式有4个，工作模式如下表所列。

工作模式	In	Out	功能
				M0	A	C	上侧小循环，加速回流
M1	B	C	喷射
				M2	A	D	吸回
M3	B	D	下侧小循环，OBD检测

M0工作模式(上小循环模式)：尿素泵的入口、工作入口A、工作出口C和尿素泵的出口形成小循环回路；M0工作模式下，尿素泵100的入口(In)和二位三通前阀101的工作入口A连接，尿素泵100的出口(Out)和二位三通前阀后阀102的工作出口C连接。在M0工作模式连接下，尿素泵100、二位三通前阀101、二位三通后阀102以及从工作出口C到工作入口A的管路形成一个小循环；在小循环的作用下，缓冲腔105的补液速度降低，导致其中压力降低加速；当缓冲腔105的压力低于单向阀121的开启压力时，小循环回路中的尿素将保持流动。

M1工作模式(喷射模式)：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口C、缓冲腔和电喷嘴形成喷射通路，并通过缓冲腔、单向阀、限流喷嘴和尿素箱形成回流通路；M1工作模式下，尿素泵100的入口(In)和二位三通前阀101的工作入口B连接，尿素泵100的出口(Out)与二位三通后阀102的工作出口C连接。在M1工作模式连接下，尿素溶液从二位三通前阀101的工作入口B输入，经过二位三通前阀101后进入尿素泵100，然后尿素泵加压，并从出口输出到二位三通后阀102，经过工作出口C输出到缓冲腔105，并通过单向阀121和限流喷嘴122形成回流。当电喷嘴130加电开启时，尿素溶液从电喷嘴130喷出。在工作过程中，从缓冲腔105到电喷嘴130之间的尿素溶液压力由压力传感器110测出。

M2工作模式(吸回模式)：电喷嘴、缓冲腔、工作入口A、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口D和尿素箱形成吸回通路；M2工作模式下，尿素泵100的入口(In)和二位三通前阀101的工作入口A连接，尿素泵100的出口(Out)与二位三通后阀102的工作出口D连接。在M2工作模式连接下，尿素溶液从电喷嘴130吸入，经过缓冲腔105和二位三通前阀101的工作入口A进入尿素泵100，尿素泵加压后经过二位三通后阀102的工作出口D回到尿素箱。

M3工作模式(诊断模式)：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口和工作出口D形成与缓冲腔断开的隔断通路，当电喷嘴开启时，缓冲腔内剩余溶液通过电喷嘴喷出，当电喷嘴关闭时，缓冲腔内剩余溶液经由单向阀和限流喷嘴回流至尿素箱。M3工作模式下，尿素泵100的入口(In)和二位三通前阀101的工作入口B连接，尿素泵100的出口(Out)与二位三通后阀102的工作出口D连接。在M3工作模式连接下，尿素泵100与二位三通后阀102、二位三通前阀101以及连接工作出口D和工作入口B的管路形成一个小循环。在这个小循环中开启后，尿素溶液在小循环中流动，并与缓冲腔105断开连接。当电喷嘴130关闭时，缓冲腔105中的剩余溶液经由单向阀121和限流喷嘴122流回至尿素箱。而在电喷嘴130开启时，剩余溶液则通过电喷嘴喷入尾气处理系统(图1中未画出)。

在诊断模式下，尿素泵100与缓冲腔105隔断。利用隔断特性，可以对由单向阀121和限流喷嘴122组成的回流通路和电喷嘴130进行诊断。如图2所示，诊断周期开始后，在电喷嘴130关闭状态下，由压力传感器110测得的压力值为在时刻t0时为P0，并且开始下降。如果单向阀121和限流喷嘴122工作状态正常，则压力在t1时刻下降到P1，压力下降曲线如曲线201所示。如果单向阀121或限流喷嘴122出现阻塞现象，压力下降速度将变慢，如曲线202所示，会延迟到t1’时刻达到P1值。时间差t1’-t1是单向阀121和限流流嘴122阻塞程度的一个表征。

假设压力值从P0达到P1的时间t10是压力值P0和P1以及由单向阀121和限流喷嘴122组成的回流通路的有效孔径Dv的一个函数：

t10＝f(P0,P1,Dv) (1)

则通过以上这个关系可以计算出Dv的值。如果压力值从P0达到P1的时刻为t10’，那么t10’对应的有效孔径Dv’与Dv的差即为有效孔径Dv的变化，通过测量这个变化可以检测单向阀121和限流喷嘴122出现的故障。

如图3中的曲线204所示，在t2时刻，压力值为P2时，如果喷嘴130加电打开，会加速压力的下降，在t3时刻达到压力值P3。如果电喷嘴130出现阻塞，压力下降则会变慢，如曲线203所示，达到压力值P3的时间会延迟到t3，时间差t3-t3’是电喷嘴130阻塞程度的一个表征。同理如果压力值从P2达到P3的时间t32是压力值P2、P3、Dv以及电喷嘴130的有效孔径De的一个函数：

t32＝g(P2,P3,Dv,De) (2)

则通过以上这个关系和计算得到的Dv值可以进一步计算De值。

在公式(1)和(2)中，可以通过工M3工作模式的触发条件来选择压力值P0，同时也可以通过控制电喷嘴130的加电时刻来确定P2值。如果P0和P2都选择为常值，同时P1和P3也都设为常值，则公式(1)和(2)分别可以简化为：

t10＝f(Dv) (3)

t32＝g(Dv,De) (4)

Dv可以通过测量t10来进行计算，计算可以通过查表来实现：

Dv＝Tbl1(t10) (5)

表Tb11中的数据可以通过实验来测得。

公式(4)中的De可以分为两步来计算得到，第一步计算综合孔径Ds，

Ds＝sqrt(Dv^2+De^2) (6)

式中sqrt()表示开方计算，^2表示乘方计算，如Dv的计算方法，根据公式(4)，Ds也可以通过查表来计算：

Ds＝Tbl2(t32) (7)

表Tbl2中的数据也可以通过实验来测得，计算得到Ds后，可根据Dv值和公式(6)来计算De值。

根据计算得到的Dv值和De值，可以检测回流通路和电喷嘴130是否出现阻塞。限流喷嘴122的阻塞会造成压力控制问题，严重情况下会造成压力不稳定，因此如果计算得到的Dv值变小，需要对控制参数进行相应的调整。当Dv值进一步变小到低于一个阈值Dv_LoThd而导致控制参数的调整不足以在支持正常喷射的条件下稳定压力控制时，则需要进行报警。同样电喷嘴130的阻塞会导致尿素喷射量降低，利用计算得到的De值，可以调整PWM喷射控制中的喷嘴开启时间来调整喷射量。而当De值小于一个阈值De_LoThd时，即使开启时间100％也不能满足喷射量要求，这时需要进行报警。另一方面，如果Dv值大于一个阈值Dv_HiThd，则说明在回流通路中存在漏液现象。而当De值大于一个阈值De_HiThd时，说明电喷嘴130孔径变大或者电喷嘴控制失效。这两种情况也需要报警。

对回流通路和电喷嘴的检测可由控制器125中运行的一个中断服务程序来实现。该中断服务程序可在关闭电喷嘴130同时泵系统进入M3工作模式以后启动，启动以后以周期T来重复运行。

如图4所示，一种尿素溶液反抽控制装置的故障诊断方法，包括如下步骤：

(1)、在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t1时压力值下降为P1；

(2)、打开电喷嘴，压力传感器测得在时刻t2时压力值记为P2；在电喷嘴正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t3时压力值下降为P3；

(1)诊断开始，控制器控制系统进入M3工作模式，并关闭电喷嘴；将压力传感器所测的压力值P与压力值P0进行比较，压力值P0为装置进入M3工作模式并关闭电喷嘴时由压力传感器测得时刻t0的压力值，判断P＜P0？若否则将时间寄存器Tp1和Tp2清零并运行结束；

(2)、将压力传感器所测的压力值P与压力值P1进行比较，压力值P1为在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下压力传感器测得在时刻t1时的压力值，判断P≤P1？若否则测量压降时间Tp1，若Tp1＞阀值Tp_Thd，则回流通路堵塞报警并运行结束；若Tp1≤阀值Tp_Thd，则直接结束运行；其中Tp可以以如下方式来计算：Tp1＝Tp1+T；

(3)、判断压降时间Tp1是否等于0，若否，则将Tp1的值赋予T10，并计算回流通路的有效孔径Dv，然后重置压降时间Tp1为0，并运行结束；

(4)、打开电喷嘴，将压力传感器所测的压力值P与压力值P2进行比较，压力值P2为电喷嘴正常工作状态下打开电喷嘴时压力传感器测得在时刻t2时压力值，判断P≤P2？若否则运行结束；

(5)、测量压降时间Tp2，将压力传感器所测的压力值P与压力值P3进行比较，压力值P3为在电喷嘴正常工作状态下压力传感器测得在时刻t3时压力值，判断P≤P3？若否则运行结束；Tp2也可以由T来计算得到：Tp2＝Tp2+T；

(6)、判断压降时间Tp2是否等于0，若是则运行结束；

(7)、将Tp2的值赋予T32，并计算电喷嘴的有效孔径De的值，然后将Tp2重置为0；

(8)、将回流通路的有效孔径Dv分别与阈值Dv_LoThd与Dv_HiThd进行比较，判断Dv＜Dv_LoThd？或Dv＞Dv_HiThd？若是则回流通路堵塞报警并运行结束；

(9)、将电喷嘴的有效孔径De分别与阈值De_LoThd与De_HiThd进行比较，判断De＜De_LoThd？或De＞De_HiThd？若是则电喷嘴故障报警并运行结束；若否则直接结束运行。

完成检测后可关闭该中断服务程序并将电喷嘴掉电关闭。

测量得到的Dv值可以进一步用来补偿压力控制，如图5所示，控制器包括信号处理模块405、控制信号产生模块400和信号驱动模块410，其中控制信号产生模块400包括数据处理模块401、控制策略模块402和数值限制模块403，信号处理模块405将压力传感器110通过信号线114传输过来的所测信号处理得到压力值P110，数据处理模块401将压力值P110与压力设定值Ps进行比较处理后得到误差值Er，控制策略模块402根据误差值Er和回流通路的有效孔径Dv计算得到闭环控制信号值Sp，该闭环控制信号值Sp经数值限制模块403处理后送入信号驱动模块410，信号驱动模块410产生的驱动信号经信号线控制尿素泵100的马达转速。信号处理模块405和数据处理模块401中可包括滤波处理，以降低高频信号干扰对系统的影响，信号处理模块405和数据处理模块401均采用现有控制方法实现模块功能。在数值限制模块403中，可引入对信号的保护限制条件以避免异常信号对系统的破坏，数值限制模块403采用现有控制方法实现模块功能。

控制策略模块402的控制方法采用PID控制，具体公式为：

Sp＝Kp*Er+Ki*∫Er dt+Kd*dEr/dt(8)

其中，增益项Kp、Ki和Kd是Dv值的函数：

Kp＝f1(Dv)

Ki＝f2(Dv)

Kd＝f3(Dv)

函数f1、f2,和f3通过查表的方法来计算：

Kp＝Tblp(Dv)

Ki＝Tbli(Dv)

Kd＝Tbld(Dv)

其中表Tblp、Tbli和Tbld中的值通过实验来确定。

控制器还包括喷射脉宽计算模块411、电磁阀控制信号生成模块412和驱动模块413，喷射脉宽计算模块411根据压力值P110、Dv值和流量喷射命令Cdf计算得到占空比值Dc，占空比值Dc经过电磁阀控制信号生成模块412和驱动模块413转换成电喷嘴控制信号，经由信号线控制电喷嘴。在图4所示的算法中得到的De值还可以进一步应用于补偿喷射流量的控制精度。在图1的系统中，喷射流量可通过PWM方法周期性地控制电喷嘴130的通断来实现。如图6所示，使用PWM控制时，压力值P110和Dv值，以及流量喷射命令Cdf一起经过喷射脉宽计算模块411计算得到一个占空比值Dc，然后该Dc值经过电磁阀控制信号生成模块412和驱动模块413转换成电喷嘴控制信号，然后经由信号线115控制电喷嘴130。在电磁阀控制信号生成模块412中，可加入对电磁阀的过热保护功能，比如在电磁阀开启后降低信号强度，从而减少电磁阀的产热；驱动模块413用于产生驱动电喷嘴控制电路的电流，均采用现有控制方法实现模块功能。

其中喷射脉宽计算模块的计算方法为：

(1)、根据Cdf和P110值生成一个初始喷射命令Cdi，

Cdi＝Tbl_cdi(Cdf,P110)

其中Tbl_cdi中的表值由实验确定；

(2)、根据De值计算得到一个修正系数Co，

Co＝Tbl_co(De)

其中Tbl_co的表值由实验确定；

(3)、Dc值由Cdi和Co得到：

Dc＝Cdi*Co。

在非诊断运行中，也可以通过二位三通前阀101，二位三通后阀102以及尿素泵100的配合动作来降低实现阀的低压切换，从而降低对阀组的压力要求和延长阀组寿命。在低压切换过程中，首先尿素泵100关电，然后等压力传感器110的测量值降下来以后切换二位三通前阀101和二位三通后阀102的状态。比如，在从M1工作模式到M2工作模式的切换过程中，首先二位三通前阀101在未加电状态下工作入口B与尿素泵100的In端口接通，而二位三通后阀102的工作出口C与尿素泵100的Out端口连接(M1工作状态)。切换加电状态时，尿素泵100首先关电，等压力传感器110的感测值降到一个阀开启值Po以下时(尿素泵100关电后，下游液体通过单向阀121和限流喷嘴122流出，上游液体通过连接工作入口B的流路流出，压力因此会释放)，二位三通前阀101和二位三通后阀102切换到加电状态(M2状态)。然后尿素泵100加电，将流路中的溶液吸回尿素箱。在这个过程中，二位三通前阀101和二位三通后阀102都是在低压力条件下切换，因此对电磁阀的开启和闭合压力要求比较低，同时也减少了电磁阀在开启和闭合时的损耗，增加了电磁阀的寿命。

本发明通过两个独立的流路控制阀来控制尿素溶液的流动方向，可以实现尿素的泵送和抽回清空，还可以形成特殊的泵内循环来检测该装置回流通路和电喷嘴的故障和劣化状态；劣化状态信息可以进一步用于对压力控制和流量控制进行补偿。另外两个流路控制阀可以在泵关电的条件下改变状态，这使得控制阀的切换动作可以在低压力下进行，从而可以降低对阀的要求，并且延长阀的寿命。

Claims (8)

1.一种尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：包括控制器以及依次流体连接的尿素箱、具有工作入口A、工作入口B和工作出口的二位三通前阀、尿素泵、具有工作出口C、工作出口D和工作入口的二位三通后阀、缓冲腔和电喷嘴，其中尿素泵的入口与二位三通前阀的工作出口流体连接，尿素泵的出口与二位三通后阀的工作入口流体连接，二位三通前阀的工作入口A与二位三通后阀的工作出口C流体连接，二位三通前阀的工作入口B分别与尿素箱和与二位三通后阀的工作出口D流体连接，缓冲腔的入口与二位三通后阀的工作出口C流体连接，缓冲腔的出口还通过依次连接的单向阀和限流喷嘴与尿素箱连接形成回流通路，缓冲腔的出口还设置有用于测量缓冲腔内尿素溶液压力的压力传感器；控制器分别与二位三通前阀、尿素泵、二位三通后阀、压力传感器和电喷嘴相电连接，控制器根据工作模式切换二位三通前阀和二位三通后阀控制尿素溶液的流动方向。

2.根据权利要求1所述的尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：所述工作模式包括M0工作模式：尿素泵的入口、工作入口A、工作出口C和尿素泵的出口形成小循环回路；M1工作模式：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口C、缓冲腔和电喷嘴形成喷射通路，并通过缓冲腔、单向阀、限流喷嘴和尿素箱形成回流通路；M2工作模式：电喷嘴、缓冲腔、工作入口A、尿素泵入口、尿素泵出口、工作出口D和尿素箱形成吸回通路；M3工作模式：尿素箱、工作入口B、尿素泵入口、尿素泵出口和工作出口D形成与缓冲腔断开的隔断通路，当电喷嘴开启时，缓冲腔内剩余溶液通过电喷嘴喷出，当电喷嘴关闭时，缓冲腔内剩余溶液经由单向阀和限流喷嘴回流至尿素箱。

3.根据权利要求1所述的尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：所述控制器包括信号处理模块、控制信号产生模块和信号驱动模块，其中控制信号产生模块包括数据处理模块、控制策略模块和数值限制模块，信号处理模块将压力传感器所测信号处理得到压力值P110，数据处理模块将压力值P110与压力设定值Ps进行比较处理后得到误差值Er，控制策略模块根据误差值Er和回流通路的有效孔径Dv计算得到闭环控制信号值Sp，该闭环控制信号值Sp经数值限制子模块处理后送入信号驱动模块，信号驱动模块产生的驱动信号经信号线控制尿素泵。

4.根据权利要求3所述的尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：所述控制策略模块的控制方法采用PID控制，具体公式为：

Sp＝Kp*Er+Ki*∫Er dt+Kd*dEr/dt

其中，增益项Kp、Ki和Kd是Dv值的函数：

Kp＝f1(Dv)

Ki＝f2(Dv)

Kd＝f3(Dv)

函数f1、f2,和f3通过查表的方法来计算：

Kp＝Tblp(Dv)

Ki＝Tbli(Dv)

Kd＝Tbld(Dv)

其中表Tblp、Tbli和Tbld中的值通过实验来确定。

5.根据权利要求3所述的尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：控制器还包括喷射脉宽计算模块、电磁阀控制信号生成模块和驱动模块，喷射脉宽计算模块根据压力值P110、Dv值和流量喷射命令Cdf计算得到占空比值Dc，占空比值Dc经过电磁阀控制信号生成模块和驱动模块转换成电喷嘴控制信号，经由信号线控制电喷嘴。

6.根据权利要求5所述的尿素溶液反抽控制装置，其特征在于：所述喷射脉宽计算模块的计算方法为：

(1)、根据Cdf和P110值生成一个初始喷射命令Cdi，

Cdi＝Tbl_cdi(Cdf,P110)

其中Tbl_cdi中的表值由实验确定；

(2)、根据De值计算得到一个修正系数Co，

Co＝Tbl_co(De)

其中Tbl_co的表值由实验确定；

(3)、Dc值由Cdi和Co得到：

Dc＝Cdi*Co。

7.一种根据权利要求2至6任一所述的尿素溶液反抽控制装置的故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t1时压力值下降为P1；

(2)、打开电喷嘴，压力传感器测得在时刻t2时压力值记为P2；在电喷嘴正常工作状态下，压力传感器测得在时刻t3时压力值下降为P3；

(1)诊断开始，控制器控制系统进入M3工作模式，并关闭电喷嘴；将压力传感器所测的压力值P与压力值P0进行比较，压力值P0为装置进入M3工作模式并关闭电喷嘴时由压力传感器测得时刻t0的压力值，判断P＜P0？若否则将时间寄存器Tp1和Tp2清零并运行结束；

(2)、将压力传感器所测的压力值P与压力值P1进行比较，压力值P1为在限流喷嘴和单向阀正常工作状态下压力传感器测得在时刻t1时的压力值，判断P≤P1？若否则测量压降时间Tp1，若Tp1＞阀值Tp_Thd，则回流通路堵塞报警并运行结束；若Tp1≤阀值Tp_Thd，则直接结束运行；

(3)、判断压降时间Tp1是否等于0，若否，则将Tp1的值赋予T10，并计算回流通路的有效孔径Dv，然后重置压降时间Tp1为0，并运行结束；

(4)、打开电喷嘴，将压力传感器所测的压力值P与压力值P2进行比较，压力值P2为电喷嘴正常工作状态下打开电喷嘴时压力传感器测得在时刻t2时压力值，判断P≤P2？若否则运行结束；

(5)、测量压降时间Tp2，将压力传感器所测的压力值P与压力值P3进行比较，压力值P3为在电喷嘴正常工作状态下压力传感器测得在时刻t3时压力值，判断P≤P3？若否则运行结束；

(6)、判断压降时间Tp2是否等于0，若是则运行结束；

(7)、将Tp2的值赋予T32，并计算电喷嘴的有效孔径De的值，然后将Tp2重置为0；

(8)、将回流通路的有效孔径Dv分别与阈值Dv_LoThd与Dv_HiThd进行比较，判断Dv＜Dv_LoThd？或Dv＞Dv_HiThd？若是则回流通路堵塞报警并运行结束；

(9)、将电喷嘴的有效孔径De分别与阈值De_LoThd与De_HiThd进行比较，判断De＜De_LoThd？或De＞De_HiThd？若是则电喷嘴故障报警并运行结束；若否则直接结束运行。

8.根据权利要求7所述的尿素溶液反抽控制装置的故障诊断方法，其特征在于，所述回流通路的有效孔径Dv和电喷嘴的有效孔径De的计算方法为：

(3.1)、压力值从P0达到P1的时间t10与P0、P1和Dv存在函数关系：

t10＝f(P0,P1,Dv) (1)

(3.2)、压力值从P2达到P3的时间t32与P2、P3、Dv和De存在函数关系：

t32＝g(P2,P3,Dv,De) (2)

(3.3)、压力值P0、P1、P2和P3为常值，公式(1)和公式(2)简化为：

t10＝f(Dv) (3)

t32＝g(Dv,De) (4)

(3.4)、Dv通过测量t10来进行计算，计算通过查表来实现：

Dv＝Tbl1(t10) (5)

表Tb11中的数据通过实验来测得；

(3.5)、计算综合孔径Ds，

Ds＝sqrt(Dv^2+De^2) (6)

式中sqrt()表示开方计算，^2表示乘方计算，Ds通过查表来计算：

Ds＝Tbl2(t32) (7)

表Tbl2中的数据通过实验来测得，计算得到Ds后，可根据Dv值和公式(6)来计算De值。

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