CN203257516U - 一种气压式尿素计量喷射系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气压式尿素计量喷射系统，包括还原剂供给装置、压缩空气源、用于控制向发动机尾气系统注入还原剂的还原剂喷射器和DCU；所述还原剂供给装置包括气动液压泵。本实用新型以简单的压力控制来建立和保持高轨压，从而利用气动液压泵来实现计量喷射。气动液压泵不使用电动机，因此不需要持续地消耗电能和复杂的电机控制，也不需要连续的空气供给。本实用新型对还原剂的压力的变化不敏感，因而可以在变化的还原剂压力下进行准确的流量计量喷射。同时，在本实用新型中，计量喷射过程结束时压缩空气会将还原剂残余液排回箱体中，这个特殊的清除过程降低了还原剂计量喷射系统的复杂性。

Description

一种气压式尿素计量喷射系统

技术领域

本实用新型涉及一种将还原剂喷入内燃机的尾气处理系统中以便除去尾气中管制物质的装置，更具体地说，是使用气动液压泵来将液体还原剂喷入内燃机尾气处理系统的一种气压式尿素计量喷射系统。

背景技术

目前，从内燃机排出的废气中对环境有害的物质，如碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）、颗粒物质（PM）和氮氧化物（NOx）等是需要从尾气中去除的管制气体。在稀燃发动机中，由于存在大量过剩的氧气，一些无需外加还原剂的被动装置如三元催化装置等，通常无法像在大多数的火花点燃式发动机中那样有效地去除具有氧化性的物质NOx。为了减少稀薄燃烧发动机的NOx排放，人们开发了不同的使用还原剂的主动装置技术。在这些技术中，通常还原剂先被计量然后注入尾气。还原剂和尾气形成的混合物进入SCR（选择性催化还原）催化剂装置，在SCR催化剂装置中还原剂与NOx生成无毒的物质，如氮气、二氧化碳和水。

在SCR系统中，可以使用不同的还原剂，如氨（NH3）、碳氢化合物（HC）和氢（H2）。其中，氨SCR由于高转换效率和宽温度窗口从而得到最广泛的使用。氨可直接供应到SCR系统中。但是由于在处理纯氨中的安全问题和困难，通常在氨SCR系统中使用的是尿素。尿素可以在尾气中热解和水解，从而得到氨。

通常，在SCR控制系统中，首先由ECU（发动机控制单元）计算所需的氨流量。然后根据尿素对氨的生成比，计算所需的尿素流量并把流量计量命令发送到计量喷射系统。在计量喷射系统中，尿素溶液被计量并注入到废气中。在一般情况下，与燃油控制类似，还原剂的计量也有两种方法：一种方法是使用计量泵，通过控制泵浦速率来精确地控制还原剂的流量；另一种方法则更像是一种共轨燃料控制方法，在该方法中，首先在盛有还原剂的“轨”或缓冲器中建立恒定的压力，然后通过调整与缓冲器连接的还原剂喷射器在一个重复周期中的开启时间来对还原剂流量进行控制。

还原剂的雾化对SCR转换效率是非常重要的，特别是在尿素SCR系统中，因为尿素需要热解和水解成氨，而尾气所提供的热能是有限的。在上面提到的第一种还原剂计量方法中，虽然控制简单，但由于没有还原剂的压力控制，为了达到良好的雾化效果，除了要用精心设计的喷嘴，通常还需要额外的空气来提供连续的气流供给。对连续气流和精确控制计量泵的要求限制了该方法的应用。第二种还原剂计量方法并不需要额外的空气供应来促进雾化，因为在高压下，经由良好设计的喷嘴喷射还原剂可获得良好的雾化效果，然而在该方法中，由于压力控制的要求，一般要使用由电动机驱动的液体泵，如隔膜泵，同时也需要一个复杂的电机控制系统来建立和维持轨压。

此外，为避免低环境温度下的还原剂冻结，在计量控制系统关闭之前，需要将存留在系统内的还原剂残液清除。在前面提到的第一种还原剂计量方法中，可用压缩空气将还原剂残余液驱回箱体。但在第二种方法中，必须用额外的还原剂流量控制来将还原剂残余液驱回。在计量喷射控制系统里，如果有还原剂残留在连接管路中，管路加热装置也是必需的。与对还原剂液箱的加热控制不一样，管路加热是一种分布式的加热，对其进行闭环控制比较困难并且价格昂贵。除使用特殊的PTC（正温度系数）加热器，还需要对加热功率和管路的耐用性精心地进行平衡，以避免局部过热而导致其损坏。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，降低还原剂计量喷射系统的复杂性，获得良好的性能，本实用新型提供一种气压式尿素计量喷射系统。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的气压式尿素计量喷射系统，包括还原剂供给装置、压缩空气源、用于控制向尾气系统注入还原剂流量的还原剂喷射器和DCU（计量控制单元）；所述还原剂供给装置包括还原剂供给模块、还原剂液箱模块、气动液压泵和液压缓冲器；所述气动液压泵的第一入口端口通过单向阀流体地耦合到还原剂液箱模块，所述气动液压泵的第二入口端口流体地连接到所述压缩空气源，气动液压泵的第一出口端口释放气动液压泵中的压缩空气，还原剂从气动液压泵的第二出口端口流出后进入液压缓冲器，液压缓冲器提供还原剂给还原剂喷射器；所述DCU通过控制从压缩空气源经过第二入口端口流向气动液压泵的空气流以及经过第一出口端口释放的空气流来控制还原剂压力，同时通过调节所述还原剂喷射器的打开时间来控制加入到尾气系统的还原剂的量。

作为优选，所述液压缓冲器设有入口端口和出口端口；所述入口端口通过单向阀流体地耦合到所述气动液压泵的第二出口端口，所述出口端口耦合到还原剂喷射器。

作为优选，所述液压缓冲器内部设有活塞，活塞根据液压缓冲器中的还原剂压力在液压缓冲器中上下移动。

作为优选，还包括流体通道和控制阀；所述流体通道流体地将所述还原剂喷射器耦合到所述还原剂液箱模块，所述控制阀控制流体通道内流体的流动。

作为优选，所述DCU进一步被配置成通过开启所述控制阀来排出在所述气动液压泵内的还原剂。

作为优选，还包括T型连接器，所述T型连接器的高压入口通过第二入口端口流体地耦合到所述压缩空气源，T型连接器的低压出口流体连接到所述第一出口端口，第一出口端口流体地耦合到周围环境。

有益效果：本实用新型的气压式尿素计量喷射系统，以简单的压力控制来建立和保持高轨压，从而利用气动液压泵来实现计量喷射。气动液压泵不使用电动机，因此不需要持续地消耗电能和复杂的电机控制，也不需要连续的空气供给。本实用新型对还原剂的压力的变化不敏感，因而可以在变化的还原剂压力下进行准确的流量计量喷射。同时，在本实用新型中，计量喷射过程结束时压缩空气会将还原剂残余液排回箱体中，这个特殊的清除过程降低了还原剂计量喷射系统的复杂性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2a为本实用新型中气动液压泵和液压缓冲器的结构示意图；

图2b为本实用新型中的冲程控制算法的流程图；

图2c为本实用新型中的压力控制算法的流程图；

图3为本实用新型中的气动液压泵位于还原剂液箱模块中的结构示意图；

图4a为PWM控制器的包含有信号流程图的框图，该PWM控制器用于控制还原剂的计量喷射流量；

图4b为包含有信号流程图的框图，图中所示的为图4a中的PWM控制器的PWM控制模块；

图4c为包含有信号流程图的框图，该信号流程图所示的为一个PWM信号生成电路；

图4d为中断服务程序的流程图，该程序用于图4b所示的开启时间和周期确定控制；

图4e为在产生PWM信号时的信号时序图，该PWM信号由图4d所示的中断服务程序所产生；

图5a为还原剂传送控制的状态流程图；

图5b为启始控制的中断服务程序流程图；

图5c为清除控制的中断服务例程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1至图5c所示，本实用新型的气压式尿素计量喷射系统，包括还原剂供给装置、压缩空气源、用于控制向尾气系统注入还原剂流量的还原剂喷射器130和DCU140；所述还原剂供给装置包括还原剂供给模块110、还原剂液箱模块120、气动液压泵和液压缓冲器；所述还原剂液箱模块120包括箱体400；所述气动液压泵的第一入口端口117通过单向阀205流体地耦合到还原剂液箱模块120，所述气动液压泵的第二入口端口111流体地连接到所述压缩空气源，气动液压泵的第一出口端口112释放气动液压泵中的压缩空气，还原剂从气动液压泵的第二出口端口208流出后进入液压缓冲器，液压缓冲器提供还原剂给还原剂喷射器130；所述DCU140通过控制从压缩空气源经过第二入口端口111流向气动液压泵的空气流以及经过第一出口端口112释放的空气流来控制还原剂压力，同时通过调节所述还原剂喷射器130的打开时间来控制加入到尾气系统的还原剂的量；所述气动液压泵包括泵体200。

本实施例中，所述液压缓冲器设有入口端口218和出口端口115；所述入口端口218通过单向阀217流体地耦合到所述气动液压泵的第二出口端口208，所述出口端口115耦合到还原剂喷射器130。所述液压缓冲器内部设有活塞214，活塞214根据液压缓冲器中的还原剂压力在液压缓冲器中上下移动。还包括流体通道125和返回管路止流阀137；所述流体通道125流体地将所述还原剂喷射器130耦合到所述还原剂液箱模块120，所述返回管路止流阀137控制流体通道125内流体的流动。所述DCU140进一步被配置成通过开启所述返回管路止流阀137来排出在所述气动液压泵内的还原剂。所述气动液压泵放置在箱体400之中。还包括T型连接器220，所述T型连接器220的高压入口通过第二入口端口111流体地耦合到所述压缩空气源，T型连接器220的低压出口流体连接到所述第一出口端口112，第一出口端口112流体地耦合到周围环境。所述气动液压泵有一个吸液冲程和一个加压冲程；所述液压缓冲器底部装有压力传感器219，压力传感器219提供还原剂的压力感测值作为液压缓冲器的流体压力指示；在所述加压冲程中建立液压缓冲器中的流体压力，在加压冲程中启用闭环控制来维持液压缓冲器中的流体压力恒定，在吸液冲程中关闭所述闭环控制，通过调整所述还原剂喷射器130的开启时间来控制流体输送量。所述液压缓冲器中的还原剂残液由压缩空气排回到所述箱体400中，利用压缩空气清除在还原剂喷射器130中的流体残余物。根据从所述压力传感器219得到的压力感测值用脉冲宽度调制的方法在一个重复的控制周期中控制流体输出量从而控制流体输送流量。所述脉冲宽度调制方法包括两级控制，其中第一级控制通过根据至少从压力传感器219获得的压力感测值周期性地命令一个第二级控制来产生一个第二级信号，从而产生一个第一级PWM(脉冲宽度调制)信号在所述加压冲程中从所述压缩空气源输送空气到气动液压泵，在所述吸液冲程中从所述气动液压泵中释放空气。所述DCU140还包括反馈控制器；反馈控制器进行的反馈控制包括通过根据从压力传感器219中得到的感测值从所述压缩气源输送空气到所述气动液压泵，在所述气动液压泵中保留空气，以及从所述气动液压泵中释放空气来调节气动液压泵中的空气量。

本实用新型的气压式尿素计量喷射系统，以简单的压力控制来建立和保持高轨压，从而利用气动液压泵来实现计量喷射。气动液压泵不使用电动机，因此不需要持续地消耗电能和复杂的电机控制，也不需要连续的空气供给。本实用新型对还原剂的压力的变化不敏感，因而可以在变化的还原剂压力下进行准确的流量计量喷射，可以使用发动机100的涡轮增压器提供的压缩空气来驱动液压泵，因而不需要额外的压缩空气。同时，在本实用新型中，计量喷射过程结束时压缩空气会将还原剂残余液排回箱体400中，这个特殊的清除过程降低了还原剂计量喷射系统的复杂性。

在本实用新型中，液压缓冲器中的还原剂由气动液压泵来提供，气动液压泵的第二入口端口111通过常开电磁阀201与压缩空气源相连接，气动液压泵的第一出口端口112通过常闭电磁阀203和一个非必需的消音器204与周围环境相连接。气动液压泵的工作包括一个加压冲程和一个吸液冲程。加压冲程和吸液冲程的变化和气动液压泵中的压力控制由DCU140通过操作常开电磁阀201与常闭电磁阀203充入和释放压缩空气来完成。在加压冲程中，液压缓冲器中的还原剂压力是由DCU140中的一个反馈控制器通过从压力传感器219得到的还原剂压力感测值来控制的，而在吸液冲程中，压力反馈控制器被禁用，同时还原剂压力由液压缓冲器来保持。为了实现还原剂计量喷射，液压缓冲器接到还原剂喷射器130上，并且还原剂喷射器130的还原剂入口133通过止流阀137连接到还原剂液箱模块120。计量喷射完成后，止流阀137打开，在气动液压泵的压力下，泵体200和液压缓冲器中的还原剂残余物被排出，同时还原剂喷射器130被清洗。还原剂的计量喷射是由一个PWM控制器来控制的，该PWM控制器根据计量命令来产生一个PWM信号驱动还原剂喷射器130。这个PWM控制器有两级。第一级控制器通过周期性地设定第二级控制器控制参数来产生一个第一级PWM信号，而第二级控制器产生一个第二级PWM信号。第二级控制器的控制参数是由第一级控制器根据由液压缓冲器中的压力传感器219产生的还原剂压力感测值来计算的。在这种方式中，由于压力变化得到PWM控制器的补偿，还原剂喷射的计量精度对压力变化不敏感。在计量系统中，还原剂的温度需要保持高于其冻结点，以便完成低温环境的计量喷射。本实施例中，因为还原剂的残留物可由压缩空气清除，如图3所示，气动液压泵可以放置在箱体400中，从而省却对泵体200的加热装置。

闭环压力控制和双级PWM控制使得还原剂压力对压缩空气供给压力的变化不敏感，而且气动液压泵可以在压缩空气压力低于还原剂压力时工作。此外，由于气动液压泵的固有性质，空气消耗量和还原剂的喷射量是相同的，因此并不需要连续的空气流。这些新特性使得本实用新型中的计量喷射系统可以使用包括发动机涡轮增压器在内的多种压缩空气源。

如图1所示，在发动机的后处理系统中，由发动机100产生的尾气通过歧管101进入尾气通道166。在尾气通道166上，装有还原剂喷射器130。还原剂喷射器130的电磁阀由DCU140控制，DCU140通过信号线145连接到还原剂喷射器130的端口136。还原剂供给模块110通过压力管线131流体地连接到还原剂入口133从而向还原剂喷射器130提供还原剂。为了避免高温尾气对还原剂喷射器130造成损害，发动机冷却剂通过一个入口134和一个出口135流出进行循环，将热量带出。从还原剂喷射器130喷出的还原剂与尾气混合，混合后的气体通过混合器161进入催化剂模块163中。在催化剂模块163中，尾气中的NOx因发生SCR反应而得以减少。

为了向还原剂喷射器130提供加压后的还原剂，还原剂供给模块110的端口115通过压力管线131流体地连接到还原剂喷射器130的还原剂入口133。还原剂供给模块中的压力值由压力传感器219通过连接到端口114的线路143报告给DCU140。还原剂供给模块110的端口114通过供应管线123和还原剂液箱模块120的端口122相连，从还原剂液箱模块120中提取还原剂。压缩空气通过第二入口端口111进入到还原剂供给模块110从而为其中的还原剂提供压力，所述还原剂的压力由DCU140通过连接到端口116的线路146来控制。压缩空气由第二出口端口112得到释放。

还原剂液箱模块120中还原剂的温度和液面高度由连接到端口126的线路141和线路142报告给DCU140。同时还原剂液箱模块120可被通过入口端口127和出口端口128循环的发动机冷却剂加热。发动机冷却剂流路由电磁止流阀171控制，DCU140通过线路147控制电磁止流阀171。当发动机100关闭后，为了防止压力管线131内的还原剂残余液在低温下冻结，要对其进行清除，在清除过程中，还原剂要通过由返回管路125和端口121回流至还原剂液箱模块120。在返回管路125的内部还原剂的流动由返回管路止流阀137控制，DCU140通过线路148控制返回管路止流阀137。线加热器132、电加热器129、电加热器124和电加热器113用于解冻在压力管线131、回路管线125、供应管线123和还原剂供给模块110中的还原剂，并保持还原剂温度高于还原剂的冻结点。DCU140通过线路144控制线加热器132、电加热器129、电加热器124和电加热器113。

传感器162通过线路155将催化剂入口排气温度传送到ECU150，传感器164通过线路154将催化剂出口温度传送到ECU150，传感器165通过通信线路153将催化剂出口NOx浓度传送到ECU150，ECU150根据收到的信息和发动机信息产生还原剂计量喷射流量的命令并发送给DCU140。所述发动机信息，比如发动机的状态、冷却液和机油的温度、发动机转速、燃油喷射流量、尾气流量、NOx浓度，以及NO2/NOx比等，可通过线路152从发动机110里的传感器直接获得，或由传感器的感测值计算得出。

如图1所示的还原剂供给模块110的一个实例是一个如图2a所示的气动液压泵。在所述气动液压泵中，还原剂从还原剂液箱模块120通过端口117和一个防止回流的单向阀205流入到泵体200中。在泵体200的顶部设有端口202，端口202和T型连接器220的下端相连供压缩空气进出。T型连接器220的一侧端口通过线路209连接到常开电磁阀201的出口。常开电磁阀201的入口是与压缩空气源连接的第二入口端口111。T型连接器220的另一侧通过线路211连接到常闭电磁阀203的入口。为了降低噪声，常闭电磁阀203的出口装有消音器204。消音器204的出口是第一出口端口112。在泵体200内部的压力下，还原剂通过端口208、线路207、端口218，和防止还原剂回流的单向阀217被压入液压缓冲器。液压缓冲器包括液压缓冲器体210，液压缓冲器体210内装有活塞214，活塞214上设有槽222，液压缓冲器体210上拧有盖子212，盖子212下部设有槽221，槽221和槽222之间设有弹簧213。液压缓冲器体210内设有限制弹簧213最低位置的阻挡器216。活塞214与液压缓冲体210形成了一个封闭的高压腔230，活塞214外围的槽223中装有O型环215将还原剂密封在高压腔230中。当还原剂喷射器130被加电后，高压腔230中的还原剂通过端口115流出。而高压腔230中的压力由压力传感器219来监测，其压力值通过端口114传送到DCU140。

泵体200中的还原剂需要定期地进行补充，在补充后，泵压被控制到一个常值。通常情况下，向泵系统填充还原剂的过程称为吸液冲程，从泵体200中挤压还原剂到液压缓冲器体210的过程称为加压冲程。对泵系统吸液冲程和加压冲程的控制以及压力控制是通过对常开电磁阀201和常闭电磁阀203的组合控制来完成的。对常开电磁阀201和常闭电磁阀203的控制有四种模式，如表1所示。

表1

模式	常开电磁阀201的状态	常闭电磁阀203的状态	动作
				0	未加电	未加电	从泵体200中放气
1	未加电	加电	保持泵体200中的空气
				2	加电	未加电	释放压缩空气
3	加电	加电	向泵体200中充气

在模式0中，常开电磁阀201和常闭电磁阀203都不加电，泵体200内的空气释放到周围环境中；在模式1中，常开电磁阀201加电，泵体200与周围环境隔离，同时，由于常闭电磁阀203不加电，空气被保留在泵体200中；模式2是一个特殊模式，在此模式下，压缩空气会被释放到环境中，在模式2中，可以用T型连接器220于吸液冲程中在泵体200内建立低压以方便充液，但是，在加压冲程应避免模式2；模式3是一种充气模式，常开电磁阀201将泵体200与周围环境隔离，而常闭电磁阀203则将泵体200连接到压缩空气源。

在泵系统的控制中，吸液冲程和加压冲程被交替触发。泵系统的控制可以用一个周期运行的时间中断服务程序来实现。如图2b所示，在一个示例性的泵系统控制程序中，吸液冲程的触发状态首先受到检查。如果吸液冲程被触发，则进入模式0，在该模式中，泵体200内的空气被释放到周围环境中，泵体200内的压力降低后，在重力或还原剂液箱模块120与泵体200之间的压力差的作用下，还原剂液体将流入泵体200。在吸液冲程中，没有流体流出泵体200，还原剂的驱动压力由液压缓冲器来保持。在泵系统控制被设置为模式0后，在步骤236中，对吸液冲程的运行状态进行检查。如果吸液冲程完成，则在程序结束之前，泵系统控制复位吸液冲程的触发器并触发加压冲程来启动下一周期的加压冲程。否则，在步骤231中对吸液冲程时间进行检查，如果吸液冲程时间太长，就在步骤232中报告故障，然后结束程序。回过头来再看对吸液冲程触发状态的检查，如果在吸液冲程没有触发，则置位吸液冲程的触发，并且在程序结束之前关闭压力控制，否则，在步骤235中，启动压力控制以保持液压缓冲器的压力恒定在DCU140所命令的水平上。完成步骤235之后，在步骤237中对加压冲程的运行状态进行检查。如果加压冲程还没有完成，那么该程序就结束；否则，将复位加压冲程触发器并设置吸液冲程触发器，并在此之后的步骤233中关闭压力控制并检查泵系统控制在模式1的时间。如果模式1的时间太短，则在步骤234中报告故障。

根据理想气体定律，在给定温度和体积条件下液压缓冲器中的压力由留存在泵体200内的压缩空气量来决定，因此该压力可以通过利用常开电磁阀201和常闭电磁阀203调整泵体200中的压缩空气留存量来控制。如图2b所示，步骤235中的压力控制的一个例子是一个如图2c所示的时间中断服务程序，该中断服务程序定期运行。在这个程序中，首先检查压力控制状态。如果压力控制未启用，则将三个压力控制模式定时器Timer_Mode0、Timer_Mode1和Timer_Mode3清零，然后结束程序。否则，检查由压力传感器219得到的压力感测值。如果压力感测值高于阈值Th1并低于阈值Th2，则控制器切换到模式1中，并将定时器Timer_Mode1的值加1。在模式1下，压缩空气将被留存在泵体200之内。如果压力感测值高于阈值Th2，则控制器进入模式0以释放空气，并且将定时器Timer_Mode0的值加1。当压力感测值低于阈值Th1时，控制器切换到模式3以通过对泵体200充气增加其内部空气压力，并将模式3定时器Timer_Mode3加1。如前所述，在压力控制中不应该允许模式2的存在，因此为了不使本系统的控制暂时地进入模式2，在从模式3切换到模式0时，控制器应当首先对常开电磁阀201断电，而从模式0切换回模式3时，应首先对常闭电磁阀203加电。

如图2b所示的泵系统的控制中，步骤236和步骤237的加压冲程和吸液冲程可由一个充液事件和一个泵体充满事件来启动。充液事件通过检测泵体200内的还原剂液位或通过用注射时间计算还原剂液位来触发。为了检测还原剂在泵体200内的液位，需要在泵体200内安装液位传感器，同时用注射时间和压力或质量流速计算得出的累积流量也可以用来确定还原剂在泵体200内的液位。与充液事件相似，泵体充满事件也可以通过检测还原剂液位或计算充液时间来触发，而充液时间是箱体400内液位水平和泵体200与箱体400内还原剂压力差的函数。由于在吸液冲程中，还原剂的驱动压力只是由液压缓冲器提供而没有控制，吸液冲程时间应尽量短，以避免造成显著的压力降。当液位传感器403用来触发充液事件和一个泵体充满事件时，如果箱体400是空的，则泵体充满事件在很长一段时间不会被触发，从而导致一个长时间的吸液冲程。因此，空的箱体400可以通过检测一个失效的泵体充满事件来检测到。图2b中的步骤231和步骤232就展示了这种检测。当加压冲程被触发后，如果建立驱动压力很困难，则有可能是泵体200的问题，比如泵体200泄漏，也可能是压缩空气的问题。因此，在加压冲程中过长的模式1的时间可以用来检测上述故障。图2b中的步骤233和步骤234就展示了这种检测。

当发动机100关机时，在泵体200、液压缓冲器和相关管线中的还原剂应被排出以防止泄漏或冻结。如图1和图2a所示的气压式尿素计量喷射系统中，还原剂的排出可在压力控制的模式1中通过返回管路止流阀137来控制，即在打开返回管路止流阀137时，在泵体200、液压缓冲器和相关管线内的还原剂被压缩空气通过压力管线131和返回管路125驱回至箱体400。在清除还原剂余液后，在模式1中留存在泵体200中的压缩空气也被释放回还原剂液箱模块120。清除过程可能无法排出在还原剂喷射器130中的所有还原剂残余物。为了进一步清理，可在返回管路止流阀137关闭的情况下触发模式3，并且对还原剂喷射器130进行加电以清除其中残余的还原剂。

清除残余的还原剂后，随着泵体200和液压缓冲器中的压缩空气被释放，液压缓冲器成为空的。然而，虽然液压缓冲器和相关管线仍然是空的，箱体400中的还原剂在重力和压力差的作用下还将进入到泵体200内。因此，如图1所示，泵体200需要电加热器113解冻还原剂并且在寒冷的环境条件下保持还原剂温度高于冻结点。但如果将泵体200放在箱体400中，如图3所示，则电加热器113可以省略。箱体400上部设有端口401，端口401通过还原剂输出管线207连接到液压缓冲器，压缩空气通过端口202和端口402连接到T型连接器220。当环境温度低时，设有入口127和出口128的冷却剂加热器405被用来加热还原剂。冷却剂加热器405、液位传感器403和温度传感器404固连在一起，置于箱体400中。液位传感器403用于检测箱体400内还原剂的体积，而温度传感器404则用于监测和控制还原剂的温度。液位传感器403和温度传感器404分别通过管线141和管线142与DCU140连接。

如上所述，如图2a所示的泵系统中，在清除还原剂后，由于在泵体200、液压缓冲器以及相关管线中的还原剂残余物被排回箱体400，同时在还原剂喷射器130中的还原剂残余物被清除，对压力管线131中被冻结的还原剂的解冻控制不再是必须的，电加热器129也不再需要。在如图3所示的泵系统中，由于泵体200在箱体400中，管线123、电加热器124和电加热器113就可以省略。这样，在本实用新型中，唯一需要的加热控制是箱体400的加热控制和管线的维护加热控制，该维护加热控制用来防止压力管线131在尿素计量喷射期间被冻结。由此，加热控制大大简化。

如图1所示的尿素计量喷射系统中，还原剂的计量喷射流速可以通过使用一个PWM信号控制还原剂喷射器130在一个PWM周期中的开口时间来控制。使用这个PWM控制，还原剂的质量流速

由下面的公式确定：

${\stackrel{\·}{m}}_{\mathrm{af}}={\∫}_0^{t_0}{C}_D{A}_n\sqrt{2\mathrm{\ρ}(P_r-P_c)}\mathrm{dt}/S_0---\left(1\right)$

，公式(1)中t_o是PWM的导通时间，P_r为液压缓冲器中的压力，P_c是尾气通道166中的压力，S_o是PWM周期，C_D是流量系数，A_n为喷嘴的最小面积，而ρ是工作流体的密度。压力P_c是尾气的体积流量和环境压力的函数。然而，由于发动机背压的要求，相对于通常是高于4个大气压的压力P_r，压力P_c被限制到一个比较小的值。其结果是，在一个给定的PWM控制信号的作用下，还原剂的质量流速主要受在液压缓冲器中的压力P_r的影响，P_r由压力传感器219测出。因此，为使还原剂计量喷射准确，需要补偿在PWM控制中液压缓冲器的压力变化，或者消除这种压力变化。

如图4a所示的一种两级PWM控制可以用于补偿压力的变化。在所述两级PWM控制中，从压力传感器219得到的信号通过管线143发送到DCU140中的传感器信号处理单元502。在传感器信号处理单元502中模拟的压力检测信号被滤波并被转换为数字信号。这个数字信号与还原剂的质量流速命令一起被馈送到PWM信号控制器501中的PWM控制模块510。然后PWM控制模块510计算出PWM信号发生器520的控制参数值，PWM信号发生器520产生一个PWM信号，该信号被提供给电源开关电路503，并在电源开关电路503中被转换成一个开关信号通过控制线145来驱动喷射器130。

在PWM信号控制器501中的PWM信号生成包括两级。在第一级中，PWM信号发生器520的控制参数被设置而产生一个第一级PWM信号，第一级PWM信号包括由PWM信号生成器520在第二级信号产生过程中产生的第二级PWM信号。第一级PWM信号的产生有一个与压力传感器219的响应速率相匹配的执行速率，而第二级PWM信号与第一级PWM信号的频率是相互独立的，因此，可以设其为高值以提高控制精度。

PWM控制模块510的一个实例如图4b所示。在PWM控制模块510中，当接收到质量流速的命令时，在模块511和模块512中计算第一级PWM信号的占空比和周期提供给模块514，并在模块514里确定一个目标值。然后，将所述目标值与模块513中计算出的现行值进行比较。所述现行值由传感器信号处理单元502提供的压力反馈值计算得到。由所述目标值和现行值计算得到的误差值由模块515用来计算导通时间的设定值，同时第二级PWM信号的周期设定值根据质量流速命令在模块516中决定。

很多电路可被用来在PWM信号发生器520中产生PWM信号，如图4c所示的一个示例性电路的方框图和信号流程图是一种实施方式。在图4c所示的电路中，一个PWM信号的周期和导通时间分别设置到周期寄存器521和导通时间寄存器522。在一个LD信号的下降沿，周期寄存器521和导通时间寄存器522中的值被进一步置入周期计数器523和导通时间计数器524。周期计数器523和导通时间计数器524都是递减计数的计数器，并且由一个时钟信号同步它们的计数动作。当周期计数器523计数到0时，在加载控制逻辑525中，在时钟信号的作用下会产生一个LD脉冲，并且在所述LD脉冲的下降沿开始一个新的周期。周期计数器523的值DA、LD信号、周期寄存器521的值DB、时钟信号、导通时间寄存器522的值DC和导通时间计数器524的值DD被用于在信号控制逻辑电路526中产生PWM信号。在信号控制逻辑电路526中，如果DC等于或大于DB，即导通时间寄存器522的设置值等于或大于周期寄存器521的设定值，则在LD信号的下降沿产生一个高电平信号或100％占空比的PWM信号。当DC被设为0时，在LD信号的下降沿产生一个低电平信号，即0％的占空比的PWM信号。如果DC在0和DB之间，则在时钟信号的一个上升沿，PWM信号由周期计数器523的值DA和导通时间计数器534的值DB来确定：即只有当DA和DB大于0时，PWM信号为高电平。

PWM控制模块510可由一个周期性运行的时间中断服务程序来实现。该中断服务程序的流程图如图4d所示。在此流程图中，t_v和Thd是恒定值，P1是第一级PWM信号的周期值，而P3是该中断的周期值。Status是PWM脉冲状态的标志。当一个定常的on_time值设置到第二级PWM信号的t_v时，Status的值就是ON，否则，Status的值就是OFF。变量target_value包含了第一级PWM信号的on_time目标值，而变量current_value则保存了第一级PWM信号在当前时刻的on_time值。P2和On_time2分别是第二级PWM信号产生中的周期寄存器521和导通时间寄存器522的值，而变量Timer则存储了第一级PWM周期中的当前时间值。

当中断服务程序被触发时，变量Timer的值与第一级PWM信号的周期值P1进行比较。如果当前周期已经完成，即Timer>=P1，就检查第二级PWM信号的on_time值。当on_time值低于t_v时，计算当前PWM周期的总误差，即previoius_error。而当Timer值被复位到P3并且在步骤532中初始化current_value后，则为一个新的周期而更新P2和变量target_value。在该新周期开始后，将前一周期的误差加到现周期的误差而得到当前周期中待校正的误差。如果待校正的误差高于t_v，则将t_v赋予第二级PWM信号的on_time值On_time2，同时置位Status标志，否则，将误差值赋予On_time2并复位Status标志，此后该程序结束。回到On_time2值与t_v的比较，如果On_time2值不低于t_v，意味着这个PWM周期中的错误不能被校正。在这种情况下，计算在上个周期的误差，并且在Timer被设置为P3和初始化current_value后，置位Status标志。由于误差不能被校正，它将被累积。当累积误差高于阈值Thd时，就报告故障并且结束程序。回到Timer值与P1的比较。当Timer值低于P1时，即在当前PWM周期，Timer值增加P3，然后检查Status标志。如果Status标志值是OFF,就将On_time2清除为0，并且结束程序，否则，在步骤531中计算current_value，并在此后更新这个误差。程序结束之前，将误差值与t_v进行比较。如果误差值是等于或大于t_v，就将On_Time2设置为t_v，否则将误差值赋予On_time2并且将Status标志复位为OFF，然后结束该程序。

在中断服务程序中，通常要将t_v值选得大于要修正的误差（如t_v等于P2的值），而中断周期值P3可与第二级PWM信号的周期P2相同。使用如图4d所示的中断服务程序时，当t_v等于P3等于P2时的信号时序图如图4e所示。一个中断在时刻546被触发。由于将current_value值与目标值547相比较而得到的误差高于t_v，On_time2被设置为t_v。当LD信号出现下降沿时，在时刻541，加载On_time2值到导通时间计数器524并触发PWM脉冲。变量current_value的值随时间而积累。在时刻542，当计算出的误差低于t_v时，误差值将被分配给On_time2。在时刻543触发的下一个中断中，On_time2被设置为0，并且变量current_value被锁定在值548。此后on_time计数器的值在时刻544由一个LD信号的下降沿更新，同时此PWM脉冲结束。当前PWM周期在时刻545结束，如图4e所示的previous_error的值通过将current_value的值548和目标值547之间的误差包含其中而被更新为下一周期值。

如图4d所示的中断服务程序中，target_value可以通过下面的公式用还原剂的流量指令来计算：

target_value(i)=Mass_flow_rate_cmd*S0    (F1)

，公式中Mass_flow_rate_cmd是PWM控制的质量流速命令，S0是第一级PWM信号的周期值。

用于在步骤531中计算current_value的公式是：

current_value(i)=K*sqrt(Pr(i)-Pc)*P3+current_value(i-1)    (F2)

，公式中sqrt是平方根计算，Pr(i)是在第i个中断周期计算中所用的压力感测值，Pc是尾气通道166中的压力，K是方程（2）中的

项，而i是Timer被复位后的中断数：

i=Timer/P3    (F3)

，current_value(0)在步骤532中被设置为0。

在加压冲程中，泵系统中液压缓冲器的压力被控制恒定。然而，在吸液冲程中，由于闭环压力控制被停用，压力会有变化。这个两级PWM控制是一种在压力变化时准确地控制还原剂流量的方法。

计量喷射控制是将还原剂传送至尾气处理系统。如图5a所示，使用如图1所示的泵系统，整个计量喷射控制主要有五个状态：关闭状态701、闲置状态702、启动状态710、计量喷射状态720和清除状态730。在关闭状态701下，泵系统的控制是在模式0中，并且还原剂喷射器130和返回管路止流阀137是断电的；而在闲置状态702下，在还原剂喷射器130和返回管路止流阀137仍然关闭的时候，泵系统的控制进入到模式1，泵体200内的空气与环境隔离。

在启动状态中，有两个子状态：一个是PR1状态，在PR1状态下建立还原剂压力，另一个是PR2状态，用于释放留存在还原剂管线和还原剂喷射器130中的的空气。启动控制的一个实例是如图5b所示的一个中断服务程序。该中断服务程序是一个定时运行的时间中断服务程序。当中断服务程序开始时，一旦开始启动控制，就检查DoserState标志。如果这个标志既不是PR1也不PR2，就首先对返回管路止流阀137和还原剂喷射器130断电，然后将泵系统的控制设置为模式3。在模式3下，压缩空气流入泵体200。而后DoserState被设置为PR1，然后结束程序。当该程序在下一次被调用时，DoserState的值就成为PR1，这样程序就检查液压缓冲器中的压力，如果该压力低于或等于阈值Pr_Thd，就结束程序，否则，设置DoserState为PR2，并且启动如图2c所示的泵系统压力控制来保持泵体200压力恒定。该程序结束之前，加电返回管路止流阀137以释放被留存的空气到还原剂液箱模块120。当该程序调用时DoserState被设定为PR2，则用定时器Timer_PR2来控制返回管路止流阀137的打开时间。当定时器的值高于阈值PR_Thd2时，复位定时器以断电返回管路止流阀137并且将DoserState设置为PRIME_COMPLETE。此后，结束该程序。

回到图5a，在计量喷射状态720中，除了泵系统的控制，所述泵系统的控制包括两种状态：一个吸液冲程状态721和一个加压冲程状态722，还有计量喷射控制723，与泵系统的控制并行运行。如图2b所示的冲程控制中断服务程序可以被用于泵系统的控制，该中断服务程序中的压力程序如图2c所示。同时一个如图4d所示的两级PWM计量控制程序可用于计量喷射的流量控制。

清除控制状态也包括两个子状态：PU1状态731和PU2状态732。在PU1状态731下还原剂从泵体200、液压缓冲器和连接到箱体400的管线中排出；在PU2状态732下清除在PU1状态下不能排出的还原剂残余物。如图5c所示的周期性运行的时间中断服务程序可被应用于清除控制。在这个程序中，当清除控制启用时，首先检查DoserState。如果这个DoserState值既不是PU1也不是PU2，则将液压压力与阈值PU_Thd1进行比较。如果液压压力高于阈值PU_Thd1，则通过将DoserState设置为PU1而将泵系统控制设置为模式1，并且加电返回管路止流阀137。在模式1下，泵体200内的空气与压缩空气源和外围环境隔离。如果液压压力不高于阈值PU_Thd1，则泵系统控制设置为模式3，并且断电返回管路止流阀137以建立压力。然后将还原剂喷射器130断电，并结束程序。当程序开始时，如果DoserState被设置为PU1，则检查液压缓冲器中的压力。如果该压力高于或等于阈值PU_Thd2，则结束程序，否则，用一个计时器Timer_PU1来控制的返回管路止流阀137的打开时间。如果该打开时间比阈值PU_Thd4长，就通过复位定时器来断电返回管路止流阀137。此后将泵系统控制设置为模式3，并且加电还原剂喷射器130来将还原剂残余物清除。程序在DoserState被设置为PU2后结束。当该程序被调用时，如果DoserState被设置为PU2，就用定时器Timer_PU2来控制还原剂喷射器130的开启时间。如果还原剂喷射器130的开启时间比阈值PU_Thd3长，就断电还原剂喷射器130，并将泵系统控制设置为模式0，在模式0下泵体200内的空气被释放。定时器在此后被复位，而且程序在将DoserState设置为PURGE_COMPLETE后结束。

回到图5a，计量喷射控制状态根据发动机100钥匙状态或从上位控制器接收的命令来改变。该上位控制器决定了计量喷射控制的策略。在钥匙接通信号下，计量喷射控制从关闭状态701进入空闲状态702。如果接收到启始命令CMD-Priming，计量喷射控制就开始启始，否则在一个钥匙断开信号下，计量喷射控制返回到关闭状态701。在启始完成后，如果收到一个CMD-Normal Dosing命令，计量喷射控制就进入计量喷射状态720。在计量喷射状态720下，压力控制、行程控制和剂量率控制被启用。在启动状态710和计量喷射状态720中，不管任何时候只要收到命令CMD-idle，泵系统控制就进入清除状态730以清除留在气动液压泵、液压缓冲器、相关管线和还原剂喷射器130中的残余还原剂。清除完成后，如果收到命令CMD_idle，则计量喷射控制进入空闲状态，否则，在钥匙断开信号下，计量喷射控制进入Off状态。

除了计量喷射控制，在低环境温度条件下计量喷射系统也需要加热还原剂以防止其冻结。正如上面提到的，在如图3所示的计量喷射系统中，当泵体200被放置在液箱400中时，该系统只需要控制箱体400和压力管线131的温度不低于还原剂冻结点。在箱体400的温度控制中，使用箱体400中的温度传感器404时，可用一个简单的反馈控制，比如继电器控制，来对还原剂加热，而在管线加热控制中，因为不需要还原剂解冻，只要一个小电流施加到加热器，如图1所示的线加热器132，就可以保持管线的温度高于冻结点。如果泵体200被放置在箱体400外面，则在箱体400温度控制和管线加热控制外，还需要额外的加热控制用于控制气动液压泵的温度（例如，用图1所示的电加热器113控制气动液压泵的温度）和供给管线的温度（例如，用如图1所示的电加热器124来加热供给管线123）。通常情况下，返回管路（例如图1中的返回管路125）的加热是没有必要的。然而，如果返回管路被放置得低于箱体400，就有可能在返回管路中留存有还原剂残余物，这就需要一个额外的加热器（例如，在图1中的电加热器117）来防止返回管路中的温度过低。

在本实用新型中，虽然也可以将压缩空气和还原剂混合来改善空气辅助计量喷射系统中的雾化，但由于还原剂的压力控制恒定，这样做没有必要。由气动液压泵的固有特性，在本实用新型的计量喷射系统中唯一消耗压缩空气的器件是气动液压泵。因此与有空气辅助的计量喷射系统相比，空气消耗量是很低的：空气消耗量与还原剂的消耗量相同，且在大多数应用中通常低于7L/hour（10bar）。低空气消耗也是使用发动机100的新鲜压缩进气作为空气源的一个必要条件，因为在计量系统中所需要的压缩空气是只有发动机100的进气的一小部分。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种气压式尿素计量喷射系统，其特征在于：包括还原剂供给装置、压缩空气源、用于控制向尾气系统注入还原剂流量的还原剂喷射器（130）和DCU（140）；所述还原剂供给装置包括还原剂供给模块（110）、还原剂液箱模块（120）、气动液压泵和液压缓冲器；所述气动液压泵的第一入口端口（117）通过单向阀（205）流体地耦合到还原剂液箱模块（120），所述气动液压泵的第二入口端口（111）流体地连接到所述压缩空气源，气动液压泵的第一出口端口（112）释放气动液压泵中的压缩空气，还原剂从气动液压泵的第二出口端口（208）流出后进入液压缓冲器，液压缓冲器提供还原剂给还原剂喷射器（130）；所述DCU（140）通过控制从压缩空气源经过第二入口端口（111）流向气动液压泵的空气流以及经过第一出口端口（112）释放的空气流来控制还原剂压力，同时通过调节所述还原剂喷射器（130）的打开时间来控制加入到尾气系统的还原剂的量。

2.根据权利要求1所述的气压式尿素计量喷射系统，其特征在于：所述液压缓冲器设有入口端口（218）和出口端口（115）；所述入口端口（218）通过单向阀（217）流体地耦合到所述气动液压泵的第二出口端口（208），所述出口端口（115）耦合到还原剂喷射器（130）。

3.根据权利要求2所述的气压式尿素计量喷射系统，其特征在于：所述液压缓冲器内部设有活塞（214），活塞（214）根据液压缓冲器中的还原剂压力在液压缓冲器中上下移动。

4.根据权利要求1所述的气压式尿素计量喷射系统，其特征在于：还包括流体通道（125）和返回管路止流阀（137）；所述流体通道（125）流体地将所述还原剂喷射器（130）耦合到所述还原剂液箱模块（120），所述返回管路止流阀（137）控制流体通道（125）内流体的流动。

5.根据权利要求1所述的气压式尿素计量喷射系统，其特征在于：还包括T型连接器(220)，所述T型连接器(220)的高压入口通过第二入口端口（111）流体地耦合到所述压缩空气源，T型连接器(220)的低压出口流体连接到所述第一出口端口（112），第一出口端口（112）流体地耦合到周围环境。

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