用于控制止回阀的方法和排气系统

文档序号:589887 发布日期:2021-05-25 浏览:9次 >En<

阅读说明:本技术 用于控制止回阀的方法和排气系统 (Method for controlling a check valve and exhaust system ) 是由 P·鲍尔 M·哈曼 C·迪乌夫 R·雅克 于 2019-10-10 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用于控制排气系统(1)的止回阀(9)的方法,以及一种具有控制单元(11)的排气系统(1),该控制单元被设置用于实施所述方法。本发明的目的在于避免由于喷射率的降低而在用于尿素溶液的管路系统(7)中出现过压。该方法包括以下步骤:·确定在排气系统(1)的运行期间是否存在以下状态中的一者或多者:a)计量分配阀(6)的每单位时间的尿素溶液喷射率小于或等于预定的喷射限值,b)由压力传感器(10)在管路系统(7)中测量到的压力超过预定的第一压力上限(P2),·如果存在状态a)和b)以及所述状态中的至少一者已经存在至少一个预定的时间段(Δta),则打开止回阀(9)达第一预定打开持续时间(Δt1),·在第一预定打开持续时间(Δt1)期满之后关闭止回阀(9)。(The invention relates to a method for controlling a check valve (9) of an exhaust gas system (1), and to an exhaust gas system (1) having a control unit (11) which is provided for carrying out the method. The aim of the invention is to avoid an overpressure in the line system (7) for the urea solution as a result of a reduction in the injection rate. The method comprises the following steps: -determining whether one or more of the following conditions are present during operation of the exhaust system (1): a) the urea solution injection rate per unit time of the dosing valve (6) is less than or equal to a predetermined injection limit, b) the pressure measured in the line system (7) by the pressure sensor (10) exceeds a predetermined first upper pressure limit (P2), if at least one of the states a) and b) and said states already exists for at least one predetermined period of time (Δ ta), the non-return valve (9) is opened for a first predetermined opening duration (Δ t1), the non-return valve (9) is closed after expiration of the first predetermined opening duration (Δ t 1).)

用于控制止回阀的方法和排气系统

技术领域

本发明涉及一种用于控制排气系统的止回阀的方法,其中,该排气系统包括:

-催化转化器系统,

-尿素溶液储罐,

-至少一个定量配给阀/计量分配阀,其用于将尿素溶液喷入催化转化器系统中,

-管路系统,其能使尿素溶液从尿素溶液储罐向计量分配阀流动并返回,

-在管路系统中布置在尿素溶液储罐与计量分配阀之间的泵,

-在管路系统中布置在计量分配阀与尿素溶液储罐之间的止回阀,和

-压力传感器,其被设置用于测量管路系统中的压力。

本发明还涉及一种上述类型的排气系统,其还包括控制单元,该控制单元与计量分配阀、泵、止回阀和压力传感器通信连接。

背景技术

为了降低特别是柴油发动机中的排气中的氮氧化物(NOx)浓度,多年来使用并进一步开发了用于排气净化的方法。一种已确立的方法是在排气系统中使用选择性催化还原(SCR)催化转化器。这些催化转化器特别有利于降低载货汽车和乘用车中的NOx排放并且得到广泛应用。

SCR催化转化器的常见变型使用被喷射到车辆的催化转化器系统中的尿素溶液(例如AUS 32/具有按重量计大约32%的尿素的水溶液)作为还原剂。尿素溶液在排气系统中被蒸发并转化成气态氨(NH3)。这种氨在SCR催化转化器中与有害的氮氧化物NOx一起被转化成氮N2和水H2O。

为了将尿素溶液喷射到SCR催化转化器中,使用泵以压力将尿素溶液从尿素溶液储罐加载到管路系统中,并且使用计量分配阀将处于压力下的尿素溶液分配到催化转化器系统中。

在现有技术中,在部分情况下,尤其为了避免尿素溶液在非常低的温度下结冰,在切断排气系统时将剩余的尿素溶液从管路系统中泵回。另选地或附加地,可以对尿素溶液储罐进行加热或对管路系统的部件进行加热。在具有SCR催化转化器的较新的排气系统中,通常还设置止回阀,借助于该止回阀能使过量的尿素溶液从管路系统回流到尿素溶液储罐中。然而通常该阀在排气系统的正常运行中保持关闭,并且仅在与排气系统连接的发动机切断时(即,例如当具有这种排气系统的机动车停车时)打开。

由计量分配阀喷射的尿素溶液的喷射率通常与排气系统所在的车辆的行驶状态(发动机转速、挡位、速度、排气温度等)相关联以及与通过在SCR催化转化器下游的排气传感器对排气成分的测量相关联。

在运行中,泵在管路系统中建立工作压力(例如5bar至10bar)。在喷射程序之后及期间,压力被提高到工作压力,从而喷射过程可以被良好地设定且均匀地进行。在喷射时过高或过低的压力会对排气净化产生负面影响,因为尿素溶液随后不以所期望的方式分布或被喷入错误的量。

在实践中发现了以下问题:具有开头所述排气系统的车辆从具有高喷射率的行驶状态或在发动机功率及排气温度高的情况下(例如以高速行驶)快速地变换到具有非常低的喷射率的行驶状态(例如在交通信号灯处、发生堵车等时的停车状态而发动机保持运行)。在这种情况下,在管路系统中已经建立了工作压力。同时(至少在短的时间段内)不发生或仅发生非常少的尿素溶液喷射,并且也就不在管路系统中发生压力下降。已经处于压力下的、留在管路系统中的尿素溶液被发动机/排气的热量加热。这又导致管路系统中的非常剧烈的压力上升,直至尿素溶液的“倒流(Rückstau)”减少。一方面,这暂时导致之前所述的不均匀的喷射行为或导致故障以及计量分配阀不能打开,这使排气净化变差。在极端情况下,如果管路系统中的过压过大,那么计量分配阀甚至可能阻塞。在车辆启动时,当尿素溶液在管路系统7中部分结冰时会出现类似的问题。于是在低喷射率或无喷射率的情况下尿素溶液在管路系统中的融化也会导致压力上升。

同时,这些(暂时的)压力峰值要求管路系统中非常结实的、有弹性且耐压的(例如由乙烯丙烯二烯橡胶制成的)尿素管路,这使制造变得困难并且提高了系统的成本。

已知的止回阀虽然部分地具有机械结构方面的紧急情况打开性能,但这只允许在非常高的过压时出现,从而不会不利地影响止回阀的正常的关闭性能。然而,通常当可能在管路系统或计量分配阀上已经出现损坏时,这种仅在多倍的工作压力时才发生紧急情况打开。同时,由于在车辆的其它行驶状态中(例如在尿素溶液的非常高的喷射率的情况下),在不希望止回阀在这种情况下打开时,也可能会在管路系统中短暂地产生过压,因此,不希望止回阀自动地且仅基于当前压力打开。这甚至会负面地影响喷射行为或提高能耗。

发明内容

本发明的目的在于,在开头所述类型的排气系统中避免管路系统中的有害的压力峰值、特别是由于行驶状态的快速变化引起的压力峰值。

根据本发明,为了控制开头所述的排气系统,提供一种方法,该方法包括以下步骤:

-确定在排气系统的运行期间是否存在以下状态中的一者或多者:

a)计量分配阀的每单位时间的尿素溶液喷射率小于或等于预定的喷射限值,

b)由压力传感器在管路系统中测量到的压力超过预定的第一压力上限,

-如果存在状态a)和b)以及所述状态中的至少一者已经存在至少一个预定的时间段,则打开止回阀达第一预定打开持续时间,

-在第一预定打开持续时间期满之后关闭止回阀。

利用该方法确保了:只有当不仅在管路系统中存在过压而且存在尿素溶液的低喷射率、与此同时两个状态中的至少一者整体地在预定的时间段期间出现时,止回阀才受控地打开。由此确保了:已经在短时压力峰值时在尿素溶液的高喷射率的情况下——这会对排气系统的正常运行产生负面影响——不会出现利用该方法借助于止回阀的有针对性的压力释放。

排气系统可以包括控制单元,该控制单元与计量分配阀、泵、止回阀和压力传感器通信连接,以实施所述方法。

通常不可能通过压力传感器的测量数据同步地控制止回阀,因为在止回阀打开的情况下快速压力下降期间的压力测量不精确及不充分,并且容易导致在压力释放时的“溢出”。相反,可以使用预定的打开时间。第一预定打开持续时间例如可以是10ms。然而,第一预定打开持续时间(以及可能的第二、第三或第四预定打开持续时间等)也可以根据压力被预定。因此,例如在过压为1bar时(在工作压力为例如5bar时)所述第一预定打开持续时间可以为10ms并且在过压为1.5bar时所述第一预定打开持续时间可以为12ms(仅为示例性的值)。

预定的时间段例如可以在5秒至60秒之间。通常,在尿素溶液的高喷射率的情况下,在这样的时间段内多次喷射。

预定的喷射限值可以精确地为每小时0ml或者为低的有限值,例如每小时10ml。

例如,可以响应于布置在SCR催化转化器下游的排气传感器的测量值来确定尿素溶液的喷射率。

优选的是,在一序列中在关闭之后至少第二次打开止回阀达第二预定打开持续时间并且随后重新关闭。然后可以顺序地发生压力降低,其中,可以预定一序列的打开过程的数量和打开持续时间。也可能的是,序列的选择取决于所确定的状态之一,例如取决于压力。顺序地打开止回阀便于使压力返回至工作压力,而不会超越目标。如果压力下降得太低,则会不必要地提高泵的电流消耗,因为随后泵必须重新建立工作压力。

优选的是,止回阀在每两个打开过程之间在至少250ms的关闭持续时间内保持关闭。因此例如可以确保在做出止回阀是否被重新打开的判断之前存在精确的压力测量。必要时可以确定在该关闭持续时间中压力是否又升高以及可能地是否超过另一压力上限。

在一个优选的实施方式中,在关闭止回阀之后确定是否低于预定的压力下限,并且如果没有低于压力下限,则重新打开止回阀达另一预定打开持续时间。例如,当压力仍然高于工作压力时,止回阀可以被重新打开。也可以在事先关闭止回阀之后分别使止回阀的相应重新打开与超过预定的第二压力上限、第三压力上限、第四压力上限等相关联。如果例如在所设置的打开过程之间的关闭持续时间内确定超过该另外的压力上限,则重新打开止回阀,如果不是这种情况,则结束该方法并且根据本发明只有在并存地、持久地存在状态a)和b)的情况下才重新设置阀的重新打开。

优选的是,如果确定测量到的压力在预定打开持续时间期满之后处于含公差的预期压力范围之外,则调整至少一个预定打开持续时间。因此可以确保:可以补偿在方法中可能的错误校准或在止回阀的打开行为中的变化。止回阀例如可以是具有膜片的电磁阀,随着时间的推移该电磁阀中的膜片可能缓慢地磨损或者说可能改变磁力(例如由于顽磁性/剩磁)。例如,在6bar的压力上限(比工作压力高1bar)和10ms的第一打开持续时间的情况下,可以预计在重新关闭止回阀之后所产生的压力为5.2bar±0.1bar。如果现在确定压力为5.4bar,那么第一打开持续时间增大。可以例如相应于与预期的压力下降的偏差成比例地调整预定打开持续时间,即在上述示例中为10ms×(6bar-5.2bar)/(6bar-5.4bar)=13.3ms。但是也可以设想其它的功能上的调整,例如仅调整了从成比例调整中所产生的调整的一小部分(例如10%)(在上述的实施例中例如从10ms调整了0.33ms以至10.33ms而不是13.3ms)。因此可以避免过度补偿。

在一个实施方式中,该时间段为5秒,优选在5秒至60秒之间。由此可以确保所述过压不是短时压力峰值,在该压力峰值时不需要释放压力。

优选的是,第一压力上限为用于喷射尿素溶液的工作压力的120%,和/或,第一压力上限比工作压力高1bar。由此确保了在进行压力释放之前存在足够大的、高于工作压力的过压。

此外,各种其它因素可以影响所需的待添加尿素溶液的量,这可以包括压力下降以及喷射的时间点和长度,例如所使用的材料、车辆或发动机配置。

上述目的还通过一种排气系统实现,该排气系统包括:

-催化转化器系统

-尿素溶液储罐,

-至少一个计量分配阀,其用于将尿素溶液喷入催化转化器系统中,

-管路系统,其能使尿素溶液从尿素溶液储罐向计量分配阀流动并返回,

-在管路系统中布置在尿素溶液储罐与计量分配阀之间的泵,

-在管路系统中布置在计量分配阀与尿素溶液储罐之间的止回阀,和

-压力传感器,其被设置用于测量管路系统中的压力,

-控制单元,其与计量分配阀、泵、止回阀和压力传感器通信连接,其特征在于,控制单元被设置用于实施根据前述实施方式之一所述的方法。“通信连接”在此意味着:控制单元例如可以接收计量分配阀、泵、止回阀和压力传感器的数据并且可以将控制指令传输给计量分配阀、泵、止回阀和压力传感器。

控制单元可以位于输送系统的内部或外部。

优选地,管路系统包括由聚酰胺制成的管路。由于通过根据本发明的方法可以避免长期持续的超过工作压力的压力峰值,所以不必在管路系统中使用特别有抵抗力的、弹性的和耐压的(例如由乙烯丙烯二烯橡胶制成的)尿素管路,而是可以使用由聚酰胺制成的管路,这简化了制造且降低了系统的成本。

所有在方法方面公开的特征也在排气系统方面要求保护且反之亦然。

附图说明

结合对实施例的以下描述可以更清楚和更明白地理解本发明的上述的特性、特征和优点以及如何实现这些特性、特征和优点的方式和方法,结合附图进一步说明所述实施例。图中示出:

图1示出根据本发明的排气系统的一个实施方式的简图,

图2示出根据本发明的方法的一个实施方式的流程图,以及

图3示出在根据本发明的方法的一个实施方式中的管路系统中的压力曲线的示意图。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的排气系统1的一个实施方式的简图。排气系统1包括催化转化器系统2,其在此示例性地包括柴油氧化催化转化器3和SCR催化转化器4。但是,催化转化器系统2也还可以包括其它部件和/或其它催化转化器部件。

排气系统1还包括尿素溶液储罐5,用于容纳含水尿素溶液、例如AUS32/的储备。计量分配阀6被设置用于将尿素溶液喷入催化转化器系统2中。排气系统1包含管路系统7,该管路系统能实现尿素溶液从尿素溶液储罐5流到计量分配阀6并返回。在管路系统7中在尿素溶液储罐5与计量分配阀6之间布置有泵8,以便在工作压力(例如5 bar)下将尿素溶液输送给计量分配阀6。

在管路系统7中在计量分配阀6与尿素溶液储罐5之间布置有止回阀9。在此,止回阀9是常开型电磁阀。

管路系统7在此仅以一种可能的布局示出。管路系统7的各个线路也可以以不同的方式延伸。例如,从泵8到计量分配阀6的输入管路可以与从计量分配阀6到止回阀9的回流管路分开,并且尿素溶液流动仅通过计量分配阀6的前室来进行。

此外,排气系统包括压力传感器10,该压力传感器被设置用于测量管路系统7中的压力。此外,设置有控制单元11,该控制单元与计量分配阀6、泵8、止回阀9和压力传感器10通信连接。

控制单元11被设置用于,实施根据本发明的方法。为此,该控制单元可以配备有相应的控制软件。控制软件可以包括机器学习算法。因此例如如果确定了,测量到的压力在预定打开持续时间期满之后处于含公差的预期压力范围之外,则可以通过机器学习算法调整预定打开持续时间。由此可以确保,可以补偿在方法中可能的错误校准或在止回阀9的打开特性中的变化。止回阀9例如可以是具有膜片的电磁阀,随着时间的推移在该电磁阀中膜片可能缓慢地磨损或磁力可能改变(例如由于剩磁)。因此,值得期望的是对预定的方法参数进行自适应调整。

管路系统7可以包括由比较便宜的聚酰胺制成的管路,并且不一定需要特别结实的、有弹性且耐压的管路(例如由乙烯丙烯二烯橡胶制成的管路)。利用根据本发明的方法,可以避免长期持续的、超过工作压力的压力峰值,并且因此可以降低对管路材料的要求。

排气系统1还包括排气传感器12,该排气传感器测量在SCR催化转化器4的排气流下游的排气成分,特别是确定氮氧化物的量。由此可以使尿素溶液的喷射率适配于排气排放,以便将排气排放保持为尽可能低。此外,排气系统1包括温度传感器13,该温度传感器测量排气的温度,这同样可以结合到对于所需要的尿素溶液喷射率的确定之中。温度传感器13也可以布置在催化转化器系统2的另一位置,在此仅示例性地布置在SCR催化转化器4的排气流下游。

图2公开了根据本发明的方法的一个实施方式的流程图。根据本发明,为了控制上述排气系统1,提供了一种方法,该方法包括以下步骤:

在开始之后,在步骤100中确定在排气系统1的运行期间是否存在以下状态中的一者或多者:

a)计量分配阀6的每单位时间的尿素溶液喷射率小于或等于预定的喷射限值,

b)由压力传感器10在管路系统7中测量到的压力超过预定的第一压力上限。

如果存在状态a)和b)以及所述状态中的至少一者已经存在至少一个预定的时间段,则在步骤110中打开止回阀9达第一预定打开持续时间。否则,止回阀9保持关闭,并且方法返回到开始。在此可以提及基于压力的调节。

在步骤110之后,在步骤120中,在第一预定打开持续时间期满之后再次关闭止回阀9。

在步骤130中决定是否在当前的打开序列中重新打开止回阀9。这例如可以通过如下方式进行,即,通过压力传感器10确定:压力在(例如250ms的)最小关闭持续时间内是否超过第二压力上限(例如在第一压力上限为6bar的情况下第二压力上限为5.2bar)。对于一打开序列,可以预定一系列递降的压力上限,由此使过压逐步地并且受控地返回到工作压力。单个打开步骤明显更难以尽可能精确地达到工作压力。

另选地,可以通过压力是否低于工作压力或者是否低于含公差上限的工作压力来对于决定是否再一次打开止回阀9。

第一预定打开持续时间以及可能的第二、第三、第四预定打开持续时间等等可以被预定为一序列。打开序列的打开持续时间的长度可以按降序排列,例如为10ms、8ms、6ms、4ms。在判断止回阀9第一次打开时,各个预定打开持续时间或整个序列的打开持续时间可以根据初始压力而定。根据排气系统的温度,在喷射率降低之后管路系统7中的压力可以以不同的速率升高,因此需要不同强度的压力释放。例如,在较高的过压下,在序列开始时,仅第一打开持续时间可以较长,或者该序列的所有打开持续时间可以较长(在高于压力上限的较低过压下则反之)。趋势是在第一打开持续时间中释放大部分的过压,因此仅根据压力决定第一打开持续时间就足够了。

在步骤140之后,在步骤150中,在第二预定打开持续时间期满之后,止回阀9被再次关闭。为了清晰起见,在这里在止回阀9两次可能的打开之后该方法结束并重新开始。然而,该方法可以在序列中包括止回阀9的三次、四次、五次或更多次打开,其中,实际执行的打开过程的数量在如上所述的序列中可以取决于在序列中每次打开之后达到的压力。

图3示出在根据本发明的方法的一个实施方式中管路系统7中的压力曲线的示意图。在这里,P1表示工作压力,P2表示第一压力上限。在从高的尿素溶液喷射率向低的尿素溶液喷射率的转变过程中,如开头所述,由于来自排气系统1的外部热量(特别是由于催化转化器系统2中的热的排气)引起管路系统7中已经加压的尿素溶液的压力升高。结果,管路系统7中的压力增大,直至其在时刻t0时超过第一压力上限P2。现在,如果压力保持在第一压力上限之上的时间长于预定的时间段Δta(例如在5秒至60秒的范围内,依排气系统的实施方式而定),且同时喷射率保持在喷射限值之下,则根据该方法当时间段Δta期满时打开止回阀9达第一打开持续时间Δt1(例如10ms)。随着第一打开持续时间Δt1期满,止回阀9被再次关闭。

在此,连续地进行压力释放,其中,可以在一个序列中预定打开过程的数量和打开持续时间。在该实施例中,该序列包括四个打开过程。

在每两个打开过程之间止回阀9保持关闭达第一、第二和第三关闭持续时间ts1、ts2、ts3(例如分别为至少250ms)。因此例如可以确保在判断止回阀是否被重新打开之前存在精确的压力测量。同时可以确定压力是否又升高。

在一个实施方式中,在每次关闭止回阀9之后确定是否低于预定的压力下限(例如P1或P1+ΔP,其中ΔP<0.1bar)。如果没有低于压力下限,则重新打开止回阀9达另一预定打开持续时间Δt2、Δt3、Δt4。如果压力仍然高于工作压力P1,那么例如可以重新打开止回阀9。也可以分别在止回阀9先前关闭之后使止回阀9的相应重新打开与超过预定的第二压力上限、第三压力上限、第四压力上限等相关联。例如如果确定在打开过程之间的关闭持续时间ts1、ts2、ts3之内超过这些另外的压力上限,则重新打开止回阀,如果不是这种情况,则结束所述方法并且根据本发明仅在所述状态a)和b)并存以及所述状态中的至少一者持续存在的情况下才又设置所述阀的重新打开。

如果确定测量到的压力在预定打开持续时间Δt1、Δt2、Δt3、Δt4期满之后处于含公差的预期压力范围之外,则还可以调整至少一个预定打开持续时间Δt1、Δt2、Δt3、Δt4。由此可以确保,可以补偿在方法中可能的错误校准或在止回阀9的打开行为中的变化。

例如,预定打开持续时间Δt1、Δt2、Δt3、Δt4可以根据在时间段Δta期满时管路系统中的打开初始压力P3而定。预定打开持续时间Δt1、Δt2、Δt3、Δt4等可以以表格或函数的形式存在并且相应地在时间段Δta期满时被选择,该表格或函数根据打开初始压力P3确定。

在此为了清晰起见没有示出其它的压力上限,但是它们可以是方法的一部分,以便确定是否应当在方法的序列中实施止回阀的其它的(第二次、第三次、第四次等等)打开。

尽管在细节上通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明,但是本发明不受所公开的示例的限制并且可以由本领域技术人员从中推导出其它变化,而不脱离本发明的保护范围。

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