專利名稱：用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型一般性地涉及柴油發(fā)動機(jī)的技術(shù)領(lǐng)域，更特別地涉及用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備。
背景技術(shù)：
柴油發(fā)動機(jī)自問世以來，憑借其良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性等優(yōu)點，在各種動力裝置、船舶和車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。與汽油機(jī)相比，柴油發(fā)動機(jī)有很多優(yōu)勢廢氣排放降低，在車速較低時具有更有優(yōu)勢的加速性能，平均燃油消耗低，并且能提供更多的駕駛樂趣。然而，與同等功率的汽油機(jī)相比，微粒和氮氧化物排放是尾氣排放中的兩種最主要的污染物。目前，降低汽車尾氣排放以到達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)通常是采用排氣后處理的方式來降低污染物的排放量，而尿素選擇性催化還原法(SCR)是最具現(xiàn)實意義的方法，它能有效地降低發(fā)動機(jī)尾氣中的氮氧化物。在現(xiàn)有柴油發(fā)動機(jī)的SCR尿素計量噴射系統(tǒng)(在下文中，簡稱為尿素噴射系統(tǒng)) 中，對尿素壓力的控制采用的是PID類型的控制策略，這需要進(jìn)行大量的標(biāo)定工作。此外， 基于現(xiàn)有的PID控制策略，在發(fā)動機(jī)的某些工況條件下，尿素壓力的實際值同其目標(biāo)值之間會產(chǎn)生較大的偏差，這導(dǎo)致了尿素噴射系統(tǒng)中尿素實際噴射量與尿素目標(biāo)噴射量之間出現(xiàn)較大的誤差，從而直接影響了發(fā)動機(jī)后處理SCR系統(tǒng)中氮氧化物的轉(zhuǎn)化率。正是基于這個原因，開發(fā)先進(jìn)的尿素噴射系統(tǒng)的尿素壓力控制策略對提高發(fā)動機(jī)性能和減少標(biāo)定工作而言是至關(guān)重要的。為此，本領(lǐng)域存在對尿素噴射系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)的需要

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實用新型公開了一種用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的改進(jìn)技術(shù)，以克服或者至少部分消除現(xiàn)有技術(shù)中存在的至少一些缺陷。根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備。該設(shè)備可以包括工況參數(shù)獲取裝置，配置用于獲取與所述尿素噴射系統(tǒng)相關(guān)的工況參數(shù)；控制量確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)、尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的目標(biāo)值和基于表征所述尿素噴射系統(tǒng)的物理模型而設(shè)計的控制模型，來確定用于控制所述尿素噴射系統(tǒng)的控制量，所述控制量為尿素泵驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； 以及驅(qū)動信號確定裝置，其與所述控制量確定裝置耦合，配置用于根據(jù)確定的所述控制量， 來確定用于驅(qū)動所述尿素泵驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動信號。在根據(jù)本實用新型的一個優(yōu)選實施方式中，該設(shè)備可以進(jìn)一步包括觀測值確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置和所述控制量確定裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及基于所述物理模型而設(shè)計的觀測器模型，來確定尿素泵腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。[0009]在根據(jù)本實用新型的又一優(yōu)選實施方式中，所述觀測器模型通過為所述物理模型中的尿素泵腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式和尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式分別增加調(diào)整項，并選擇使得調(diào)整后的所述兩個表達(dá)式均穩(wěn)定和收斂的調(diào)整因子來設(shè)計。在根據(jù)本實用新型的再一優(yōu)選實施方式中，觀測值確定裝置可以進(jìn)一步配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及所述觀測器模型，來確定尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。在根據(jù)本實用新型的另一優(yōu)選實施方式中，所述工況參數(shù)獲取裝置可以配置用于獲取包括尿素泵柱塞沖程、尿素泵腔內(nèi)尿素壓力、尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力、尿素泵尿素流入流量、尿素泵尿素流出流量、尿素噴射器尿素噴出流量和尿素緩沖腔尿素回流流量的工況參數(shù)。在根據(jù)本實用新型的又一優(yōu)選實施方式中，物理模型可以通過以下各項來表征 尿素泵尿素流入流量表達(dá)式；尿素泵尿素流出流量表達(dá)式；尿素泵腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式； 尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式；尿素緩沖腔尿素回流流量表達(dá)式；以及尿素噴射器尿素噴出流量表達(dá)式。在根據(jù)本實用新型的再一優(yōu)選實施方式中，控制模型可以包括配置用于產(chǎn)生前饋控制分量的前饋控制器。在根據(jù)本實用新型的另一優(yōu)選實施方式中，所述前饋控制器產(chǎn)生可以由下式表示的前饋控制分量《FF
_5] CDff =——[Y1Qin -Y2Qr + γ3( Qinj + Qs)]其中Yl、Υ2、“和Y 4為控制系數(shù)，且基于獲取的所述工況參數(shù)和所述物理模型相關(guān)的常量參數(shù)而確定；r為驅(qū)動電機(jī)與尿素泵柱塞之間的連接機(jī)構(gòu)的曲拐半徑；Qin為尿素泵尿素流入流量；仏為尿素泵尿素流出流量；Qinj為尿素噴射器尿素噴出流量；以及A為尿素緩沖腔尿素回流流量。在根據(jù)本實用新型的又一優(yōu)選實施方式中，所述控制模型可以包括配置用于產(chǎn)生反饋控制分量的反饋控制器。在根據(jù)本實用新型的再一優(yōu)選實施方式中，所述前饋控制器產(chǎn)生可由下式來表示的反饋控制分量ωρΒ
tool 9] coBF = (k e + Jcl \e + kde)
η4 J其中e為所述尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的實際值與其目標(biāo)值之間的誤差；Y4為控制系數(shù)，且基于獲取的所述工況參數(shù)和所述物理模型相關(guān)的常量參數(shù)而確定；r為驅(qū)動電機(jī)與尿素泵柱塞之間的連接機(jī)構(gòu)的曲拐半徑；以及kp，Iii和kd分別為針對比例控制、積分控制和微分控制的控制系數(shù)，且kp，Iii和kd被選擇為使尿素噴射系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)本實用新型的實施方式，特別是各個優(yōu)選實施方式，對尿素噴射系統(tǒng)的控制是基于表征柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的物理模型而進(jìn)行的。由于柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的物理模型適用于該系統(tǒng)在任何工況下的工作過程，所以本實用新型基于物理模型的技術(shù)方案可以達(dá)到較為精確的尿素噴射壓力并實現(xiàn)快速的系統(tǒng)響應(yīng)，進(jìn)而可以減小尿素壓力的實際值同其目標(biāo)壓力之間的偏差，并且在優(yōu)選的實施方式中可以使其最小。此外，基于尿素噴射系統(tǒng)的物理模型所設(shè)計的控制模型均可以定量化，因而大大減少了針對控制模型的標(biāo)定工作量，改善了發(fā)動機(jī)尿素噴射系統(tǒng)的效率和功能性。

通過對結(jié)合附圖所示出的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明，本實用新型的上述以及其他特征將更加明顯，本實用新型附圖中相同的標(biāo)號表示相同或相似的部件。在附圖中圖1示意性地示出了柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示意性地示出了根據(jù)本實用新型的一個實施方式的用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備的方框圖。圖3示意性地示出了根據(jù)本實用新型的柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制的示意性方框圖。圖4示意性地示出了根據(jù)本實用新型的一個實施方式的用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的方法的流程圖。
具體實施方式
在下文中，將參考附圖通過實施方式對本實用新型提供的用于控制尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備和方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，給出這些實施方式僅僅是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更好地理解進(jìn)而實現(xiàn)本實用新型，而并非以任何方式限制本實用新型的范圍。另外，在本文中，所使用的術(shù)語“工況參數(shù)”表示任何能夠指示發(fā)動機(jī)的(目標(biāo)或?qū)嶋H)物理狀態(tài)或運(yùn)行狀況的物理量的值。而且，在本文中，“參數(shù)”與其所表示的物理量可以互換使用。例如，“指示尿素流量的參數(shù)”與“尿素流量”在本文中具有等同的含義。而且，在本文中，假設(shè)P表示某個特定的物理量，則戶表示P對時間的導(dǎo)數(shù)，即P隨時間的變化率；/表示該物理量P的觀測值。此外，在本文中，所使用的術(shù)語“獲取”包括目前已知或?qū)黹_發(fā)的各種手段，例如采集、測量、讀取、估計、估算、觀測等等；所使用的術(shù)語“測量”包括目前已知或?qū)黹_發(fā)的各種手段，例如直接測量、讀取、計算、估算等等手段。接下來，將首先參考圖1來描述柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。應(yīng)當(dāng)理解，圖1中僅示出柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)中與本實用新型有關(guān)的部分，事實上該尿素噴射系統(tǒng)還可以包括任意數(shù)目的其他部件。如圖1所示，尿素噴射系統(tǒng)包括尿素箱101、尿素泵入口閥102、尿素泵103、尿素泵出口閥104、驅(qū)動電機(jī)106、尿素緩沖腔107、尿素噴射器108、尿素噴射器驅(qū)動電磁閥109 以及尿素控制單元(DCU) 110。在尿素箱101中容納著尿素溶液，其處于大氣壓力之下。尿素箱101通過入流管 123與尿素泵103的泵腔連通。并且在與尿素泵接口的入口處設(shè)置有尿素泵入口閥102。在尿素泵103腔內(nèi)的壓力小于大氣壓時，大氣壓力將克服入口閥彈簧111所提供的預(yù)緊力使得該入口閥打開，從而使得尿素溶液被吸入到該尿素泵的腔中。而在尿素泵腔內(nèi)的壓力大于大氣壓時，該入口閥將關(guān)閉。因此，通過該入口閥102，為尿素提供了從尿素箱101至尿素泵103的單向通路。尿素泵103包括尿素泵柱塞105，該尿素泵柱塞105由驅(qū)動電機(jī)106經(jīng)由尿素泵機(jī)構(gòu)連桿112(即尿素泵柱塞105與驅(qū)動電機(jī)106之間的連接機(jī)構(gòu))來驅(qū)動。當(dāng)驅(qū)動電機(jī) 106響應(yīng)于來自尿素控制單元110的驅(qū)動信號131，驅(qū)動尿素泵柱塞105向下運(yùn)動時，將在尿素泵腔內(nèi)形成真空從而使得尿素泵腔內(nèi)部的壓力小于大氣壓，以由此使得入口閥102打開，將尿素溶液吸入到尿素泵腔內(nèi)部。另一方面，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)106響應(yīng)于來自尿素控制單元 110的驅(qū)動信號131，驅(qū)動尿素泵柱塞105向上運(yùn)動時，將在尿素泵腔內(nèi)形成高壓尿素溶液。 此時，尿素泵腔內(nèi)部的壓力遠(yuǎn)大于大氣壓，因而入口閥102關(guān)閉。同時，在尿素泵腔內(nèi)部的壓力大于尿素緩沖腔107中的壓力時，將使得尿素泵出口閥107打開，從而使得尿素溶液進(jìn)入尿素緩沖腔107中。而在尿素泵柱塞107向下運(yùn)動時，尿素泵腔內(nèi)的壓力將小于尿素緩沖腔107中的壓力，因而尿素泵出口閥104關(guān)閉。因而，與尿素泵入口閥102類似，該尿素泵出口閥104提供了尿素從尿素泵103到尿素緩沖腔107的單向通路。尿素緩沖腔107用于儲存高壓尿素溶液。一般而言，高壓尿素溶液的壓力應(yīng)保持在9個大氣壓。然而，需要說明的是，針對不同的尿素噴射系統(tǒng)，該壓力可以略有不同。尿素緩沖腔可與尿素泵噴射器108連通。尿素泵噴射器108是尿素噴射系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。噴射器驅(qū)動電磁閥109在尿素控制單元110所提供的驅(qū)動信號134的驅(qū)動下， 打開或者關(guān)閉電磁閥，從而使得尿素溶液通過尿素噴射器108噴出，進(jìn)入到SCR管道中。此外，尿素箱中安裝有測量元件(例如溫度傳感器，或者液位傳感器)，以將所測量的尿素箱溫度和液位信號132提供給尿素控制單元110。另外，在尿素泵緩沖腔中也安裝有測量元件(例如壓力傳感器)，以將測量的尿素緩沖腔中的壓力信號133發(fā)送給尿素控制單元110。尿素控制單元110將基于尿素系統(tǒng)的這些工況參數(shù)和預(yù)定的控制策略，為尿素泵驅(qū)動電機(jī)106和尿素噴射器驅(qū)動電磁閥109提供驅(qū)動信號，以便實現(xiàn)目標(biāo)的尿素噴射壓力。此外，在如圖1所示的系統(tǒng)中，為了避免尿素溶液結(jié)晶，尿素泵緩沖腔107中的尿素溶液將經(jīng)過回流管121而流回到尿素箱101中，從而在尿素箱101和尿素緩沖腔107之間形成了一個循環(huán)。從圖1及上面對尿素噴射系統(tǒng)的描述可見，尿素噴射系統(tǒng)100包括大量部件，其工況非常復(fù)雜，因此想要通過控制尿素泵驅(qū)動電機(jī)106來精確地控制尿素泵緩沖腔107中的尿素壓力是非常困難的。因此，為了解決這一技術(shù)問題，本實用新型人設(shè)計了一種用于控制尿素噴射系統(tǒng)以便得到期望的尿素壓力的技術(shù)方案。本實用新型人將尿素噴射系統(tǒng)的物理模型知識應(yīng)用于系統(tǒng)控制，基于對尿素泵、尿素緩沖腔、尿素噴射器的相關(guān)參數(shù)的模型知識的運(yùn)用來實現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中無法實現(xiàn)的有效控制。在下文中，將參考特定的實施方式對本實用新型所提供的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)此處的公開，能夠容易地理解和實現(xiàn)本實用新型。首先，將參考圖2來描述本實用新型所提供的用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備。該圖2示意性地示出了根據(jù)本實用新型的一個實施方式的用于控制尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備的示例方框圖。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，該設(shè)備200可以具體實施為例如圖1 所示的電控單元118，然而，本實用新型并不局限于此，而是也可以作為一個獨(dú)立的控制設(shè)備來實現(xiàn)。如圖2所示，控制設(shè)備200可以包括工況參數(shù)獲取裝置201、控制量確定裝置202、 信號生成裝置203，并且優(yōu)選地還包括觀測值確定裝置204。該工況參數(shù)獲取裝置201與控制量確定裝置202耦合，配置用于獲取與該尿素噴射系統(tǒng)相關(guān)的工況參數(shù)，以便提供給該控制量確定裝置202。該控制量確定裝置202耦合至信號生成裝置203，且被配置為基于來自所述工況參數(shù)獲取裝置201的工況參數(shù)、尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的目標(biāo)值以及基于尿素噴射系統(tǒng)的物理模型而設(shè)計的控制模型確定控制量。在下文中，將首先結(jié)合實例來描述一種示例實施方式以說明該尿素噴射系統(tǒng)的物理模型的建立。然而，需要說明的是，在根據(jù)本實用新型的實施方式中，可以采用任何適當(dāng)?shù)姆绞絹斫⒈碚髟撃蛩貒娚湎到y(tǒng)的物理模型，而并不僅限于此處給出的示例性實施方式。在該示例性實施方式中，尿素噴射系統(tǒng)的物理模型可以通過以下各項來表征尿素泵尿素流入流量表達(dá)式；尿素泵尿素流出流量表達(dá)式；尿素泵腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式；尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式；尿素噴射器尿素噴出流量表達(dá)式；以及尿素緩沖腔尿素回流流量表達(dá)式。接著將詳細(xì)給出這些表達(dá)式，然而需要說明的是，這只是出于示例的目的，本實用新型并不局限于此。尿素噴射系統(tǒng)的物理樽型為了考慮尿素噴射系統(tǒng)主要的機(jī)械、液壓和控制部件之間的物理關(guān)系，同時又能夠利用給出的物理模型設(shè)計基于模型的尿素壓力控制模型，首先進(jìn)行如下假設(shè)·忽略尿素噴射系統(tǒng)的泄漏·忽略溫度變化對尿素密度的影響·假定尿素流量系數(shù)不隨溫度和壓力的變化而改變在上述假設(shè)下，可以得到如下的一些關(guān)系表達(dá)式。1.尿素泵尿素流入流量表達(dá)式針對尿素泵，例如可以得到關(guān)于尿素流入流量的如下表達(dá)式
權(quán)利要求1.一種用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備，其特征在于，包括工況參數(shù)獲取裝置，配置用于獲取與所述尿素噴射系統(tǒng)相關(guān)的工況參數(shù)；控制量確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)、尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的目標(biāo)值和基于表征所述尿素噴射系統(tǒng)的物理模型而設(shè)計的控制模型， 來確定用于控制所述尿素噴射系統(tǒng)的控制量，所述控制量為尿素泵驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；以及驅(qū)動信號確定裝置，其與所述控制量確定裝置耦合，配置用于根據(jù)確定的所述控制量， 來確定用于驅(qū)動所述尿素泵驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括觀測值確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置和所述控制量確定裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及基于所述物理模型而設(shè)計的觀測器模型，來確定尿素泵腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括觀測值確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置和所述控制量確定裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及基于通過為所述物理模型中的尿素泵腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式和尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式分別增加調(diào)整項、并選擇使得調(diào)整后的所述兩個表達(dá)式均穩(wěn)定和收斂的調(diào)整因子而設(shè)計的觀測器模型，來確定尿素泵腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括觀測值確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置和所述控制量確定裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及基于所述物理模型而設(shè)計的觀測器模型，來確定尿素泵腔內(nèi)尿素壓力的觀測值以及尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，進(jìn)一步包括觀測值確定裝置，其與所述工況參數(shù)獲取裝置和所述控制量確定裝置耦合，配置用于依據(jù)所述工況參數(shù)以及基于通過為所述物理模型中的尿素泵腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式和尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力表達(dá)式分別增加調(diào)整項、并選擇使得調(diào)整后的所述兩個表達(dá)式均穩(wěn)定和收斂的調(diào)整因子而設(shè)計的觀測器模型，來確定尿素泵腔內(nèi)尿素壓力的觀測值以及尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的觀測值，以供所述控制量確定裝置來確定所述控制量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制模型包括配置為產(chǎn)生前饋控制分量的前饋控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制模型包括配置為產(chǎn)生反饋控制分量的反饋控制器。
專利摘要公開了一種用于控制柴油發(fā)動機(jī)的尿素噴射系統(tǒng)的設(shè)備。該設(shè)備包括工況參數(shù)獲取裝置，用于獲取與尿素噴射系統(tǒng)相關(guān)的工況參數(shù)；控制量確定裝置，其與工況參數(shù)獲取裝置耦合，用于依據(jù)工況參數(shù)、尿素緩沖腔內(nèi)尿素壓力的目標(biāo)值和基于表征尿素噴射系統(tǒng)的物理模型而設(shè)計的控制模型，來確定用于控制尿素噴射系統(tǒng)的控制量，該控制量為尿素泵驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；以及驅(qū)動信號確定裝置，其與控制量確定裝置耦合，用于根據(jù)確定的控制量，來確定用于驅(qū)動尿素泵驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動信號。根據(jù)本實用新型的實施方式適用于系統(tǒng)在任何工況下的工作過程，可實現(xiàn)較為精確的尿素噴射壓力和快速響應(yīng)，減少尿素壓力與其目標(biāo)值的偏差，減少標(biāo)定工作量，并改善系統(tǒng)的功能。
文檔編號F01N9/00GK202228163SQ20112012002
公開日2012年5月23日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者佟德輝, 孫少軍, 孫永亮, 胡廣地, 郭圣剛 申請人:濰柴動力股份有限公司