一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统及控制方法与流程

本发明涉及柴油机尾气后处理领域，特别是一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统及控制方法。

背景技术：

随着商用车国Ⅳ排放法规的实施，整车必须加装氮氧化物（NOx）排放后处理装置。

目前我国的中重型柴油机，普遍采用选择性催化还原（SCR）技术路线，即将标准车用尿素水溶液喷射到排气中，使用其分解产生的氨气（NH₃）对NOx进行选择性催化还原，生成无害的氮气（N₂）和水（H₂O）。

专利文献1（CN201010513101.0）中介绍了一种气动式单尿素箱全放气清空管路SCR尿素系统，尿素箱上面布置尿素液加注口，温度及液位传感器，尿素箱压力传感器，加热管路，压缩气体进入压缩气体管路Ⅰ和压缩气体管路Ⅲ，放气至压缩气体电磁阀B，压缩气体控制阀A、压缩气体控制阀B、压缩气体控制阀C设在汽车储气筒与尿素箱之间的压缩空气管路中，尿素液滤清器设在尿素箱与尿素液喷射器之间的尿素液供给管路中；ECU信号控制压缩气体控制阀A、压缩气体控制阀B、压缩气体控制阀C三个电磁阀及尿素液喷射器。

专利文献2（CN201020661310.5）中介绍了一种气动式单尿素箱截流孔放气清空式尿素系统，压缩气体电磁阀设在汽车储气筒与尿素箱之间的压缩空气管路中，截流孔设在压缩气体电磁阀与内置或外置尿素滤清器和尿素喷射器之间的尿素管路中，内置或外置尿素液滤清器设在尿素箱与尿素液喷射器之间的尿素液供给管路中；ECU控制信号A、ECU控制信号B、ECU控制信号C控制压缩气体控制阀和压缩气体电磁阀及尿素液喷射器。

专利文献3（CN201010513102.5）报道了一种气动式单尿素箱非放气清空管路SCR尿素系统，由尿素液加注口、尿素箱、水加热管路、尿素液温度及液位信号、大气温度信号、SCR入口温度信号、NOx信号、尿素箱压力信号、ECU控制信号分为信号Ⅰ、信号Ⅱ、信号Ⅲ、尿素喷射器、尿素喷射器冷却管路、尿素箱加热控制阀、压缩气体控制阀A和压缩气体电磁阀B、压缩气体管路a和压缩气体管路b、尿素输液管、尿素液滤清器组成。

对于上述专利文献1、专利文献2和专利文献3公开的SCR尿素系统，均分别介绍了气驱系统的相关概念，且均在尿素箱中增设了气路压力传感器，用于对尿素箱内的气体压力进行检测。

然而，ECU无法对尿素滤清器的堵塞状况进行监测，更无法对这种情况进行有效保护。当尿素滤清器堵塞时，尿素喷射压力降低，进一步导致尿素喷嘴喷射量降低、喷雾恶化，造成排放超标、后处理系统中结晶。

进一步，ECU也无法对尿素喷嘴工作状态进行判断，如当尿素喷嘴发生堵塞时，ECU只能判断系统工作异常，造成系统报错不聚焦，增加维修排查难度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统，该双压力传感器式气驱尿素喷射系统具有能对系统压力进行检测的气路压力传感器和能对喷射压力进行检测的液路压力传感器，ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器信号的综合分析，实现对尿素喷嘴的精度控制、对尿素喷嘴工作状态的精确判断、以及对尿素滤清器按阻力精确定时保养。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统，包括尿素罐、尿素滤清器、气源、尿素喷嘴和控制器ECU；尿素罐上设置有进气阀和排气阀，进气阀的进气端与气源相连接；尿素罐内还设置有气路压力传感器；尿素滤清器的输入端与尿素罐相连接，尿素滤清器的输出端与尿素喷嘴相连接；进气阀、排气阀、气路压力传感器和尿素喷嘴均与控制器ECU相连接；在尿素滤清器与尿素喷嘴之间设置有与控制器ECU相连接的液路压力传感器；该液路压力传感器包括控制芯片、传感器接头、导热片及电加热尿素管。

传感器接头固定设置在控制芯片的两端，每个传感器接头内均设置有液流通道，每个液流通道的内壁面均设置有导热片；每个传感器接头的外周均套装有电加热尿素管。

所述控制芯片与尿素相接触部分的外周包覆有防冻橡胶。

每个传感器接头均采用SAEJ2044标准的快插接头。

尿素罐的耐压能力大于12bar。

本发明还提供一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统的控制方法，该双压力传感器式气驱尿素喷射系统的控制方法具有能对系统压力进行检测的气路压力传感器和能对喷射压力进行检测的液路压力传感器，ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器信号的综合分析，实现对尿素喷嘴的精度控制、对尿素喷嘴工作状态的精确判断、以及对尿素滤清器按阻力精确定时保养。

一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统的控制方法，气路压力传感器对尿素罐内压力进行检测，液路压力传感器对尿素喷嘴的喷射压力进行检测；控制器ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器检测数据的综合分析，能实现对尿素喷射系统压力的控制；尿素喷射系统压力控制包括如下步骤。

步骤11，尿素罐压力控制：控制器ECU通过对进气阀和排气阀开启时机的控制，使尿素罐内的气体压力保持在Pa~Pb的范围之内。

步骤12，尿素喷射参数控制：尿素喷嘴按照1Hz的喷射频率开启，控制器ECU通过控制尿素喷嘴每秒的开启时长T1控制尿素喷射量。

步骤13，气液路压力差异常时的尿素喷射参数控制：当尿素喷嘴开启时，尿素液路压力下降，故液路压力传感器信号低于气路压力传感器信号，气液路压力差假设为Pd，Pe为尿素正常喷射时气液路压力差的上限值；当Pd>Pe，尿素异常喷射时，为保证车辆正常使用，将尿素喷射参数按如下方法进行调整控制。

步骤131：当Pe<Pd<Pf时，控制器ECU将尿素喷嘴的每秒喷射时长T2调整为T2=k*T1，其中，k为喷射时长修正系数，k=1+Pd/（Pa+Pb）/2，Pf取值范围为1.5Pe~2Pe。

步骤132：当Pf<Pd<Pg时，将尿素喷嘴喷射频率由1Hz提高至2Hz时，使气液路压力差Pd下降；其中，Pg取值范围为2Pe~3Pe。

步骤133：当Pd＞Pg时，控制器ECU 将尿素罐的压力范围调整为（Pa+Pd/2）~（Pb+Pd/2）；同时，控制器ECU报警提示，需要更换尿素滤清器滤芯。

控制器ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器检测数据的综合分析，还能实现尿素喷嘴工作状态的诊断，尿素喷嘴工作状态诊断包括如下步骤。

步骤21，系统电气部件的故障检测：车辆上电启动，控制器ECU 对系统电气部件的电路通断及电阻有无进行检测，系统电气部件包括进气阀、排气阀、气路压力传感器、液路压力传感器和尿素喷嘴；若正常则判断系统电气部件正常，否则判断为相关的电气部件故障。

步骤22，系统建压：当步骤21判断系统电气部件工作正常后，控制器ECU 控制进气阀打开使尿素罐内压力上升，若在时间T3内气路压力传感器信号P5及液路压力传感器信号P6均达到Pb，则判断系统建压成功；若在T3时间内气路压力传感器信号P5未达到Pb，则报系统建压失败故障；若在T3时间内P6未达到Pb，则报液路堵塞故障。

步骤23，气液路泄露故障检测：系统建压成功后，控制器ECU 关闭进气阀及排气阀，监测气路压力传感器信号P5及液路压力传感器信号P6。

a）若气路压力传感器信号P5在时间T5内压力降小于Ph，且Ph≤Pg，则判断系统气路工作正常。

b）若气路压力传感器信号P5在时间T5内压力降大于等于Ph，则报系统气路泄漏故障。

c）若液路压力传感器信号P6在时间T6内压力降小于Pi，且Pi<Pe，则判断系统液路工作正常。

d）若液路压力传感器信号P6在时间T6内压力降大于等于Pi，则报系统液路泄漏故障。

步骤24，尿素喷嘴故障检测：当步骤23中判断系统液路及气路均正常后，控制器ECU 控制尿素喷嘴以0.05s时长开启一次，监测气液路压力差Pd，设定Pd正常值范围为Pj<Pd<Pk，且Pk≤Pe，当Pd<Pj，则报尿素喷嘴堵塞故障；当Pd>Pk，则报尿素喷嘴泄漏故障。

所述尿素喷射参数调整控制过程中，Pa取值为670KPa，Pb取值为730KPa，Pe取值为50KPa，Pf取值为75KPa，Pg取值为100KPa。

所述尿素喷嘴工作状态诊断过程中，Pi取值为20KPa，Ph取值为100KPa，Pj取值为15KPa，Pk取值为50KPa，T3取值10s，T5及T6均取值为1s。

本发明采用上述结构和方法后，能对系统压力进行检测的气路压力传感器和能对喷射压力进行检测的液路压力传感器，ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器信号的综合分析，实现以下三个目的：

1.优化系统压力控制，提高对尿素喷嘴的控制精度，避免系统排放超标或尿素结晶。

2.优化系统OBD精度，实现对尿素喷嘴工作状态的精确判断。

3.对尿素滤清器堵塞问题进行精确判断，实现尿素滤清器按阻力精确定时保养。

附图说明

图1显示了本发明一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统的结构示意图。

图2显示了液路压力在尿素喷嘴喷射时的变化示意图。

图3显示了尿素喷嘴在不同喷射频率下的液路压力变化示意图。

图4显示了液路压力传感器的纵剖面结构示意图。

其中有：1.尿素罐；2.尿素滤清器；3.进气阀；4.排气阀；5.气路压力传感器；6.液路压力传感器；601.控制芯片；602.防冻橡胶；603.传感器接头；604.导热片；605.液流通道；606.图接点；607.电加热尿素管；7.尿素喷嘴；8.控制器ECU；9.气源。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统，包括尿素罐1、尿素滤清器2、气源9、尿素喷嘴7和控制器ECU 8。

尿素罐的耐压能力优选大于12bar，尿素罐上设置有进气阀3和排气阀4，进气阀的进气端与气源相连接。尿素罐内还设置有气路压力传感器5，用于向控制器ECU 8提供尿素罐内压缩气体的压力信号。

尿素滤清器的输入端与尿素罐相连接，尿素滤清器的输出端与尿素喷嘴相连接。尿素滤清器用于过滤尿素液中的杂质，避免杂质对尿素喷嘴7造成损坏。

在尿素滤清器与尿素喷嘴之间设置有液路压力传感器6，用于测量尿素喷嘴7的喷射压力。

控制器ECU 8根据发动机工况设定尿素喷射量，并控制尿素喷嘴7喷射。

上述进气阀3、排气阀4、气路压力传感器5、液路压力传感器6和尿素喷嘴7均与控制器ECU相连接.

如图4所示，液路压力传感器6包括控制芯片601、传感器接头603、导热片604及电加热尿素管607。

控制芯片优选采用Infineon SP270压力芯片。

传感器接头固定设置在控制芯片的两端，每个传感器接头均优选采用SAEJ2044标准的快插接头。

每个传感器接头内均设置有液流通道，每个液流通道的内壁面均设置有导热片。

每个传感器接头的外周均套装有电加热尿素管，优选每个传感器接头的外周均设置有凸接点606，电加热尿素管与对应凸接点相配合。

在低温时，液路压力传感器6存在结冰堵塞风险，若在液路压力传感器6上设计加热结构成本高、控制复杂。液路压力传感器6采用上述结构后，当电加热尿素管加热时，导热片将热量传递到液路压力传感器6内部，从而使传感器内尿素解冻。同时将传感器接头603等主体部分全部设计为塑料结构，充分降低液路压力传感器6内部与外部的温度传导。

进一步，控制芯片与尿素相接触部分的外周包覆有防冻橡胶。防冻橡胶为现有材料，如201510408284.2中所公开的防冻橡胶材料即可。

尿素结冰时会产生体积膨胀，存在将控制芯片601胀坏风险，防冻橡胶602的设置，当结冰膨胀时，冰晶压缩防冻橡胶602，从而不会导致控制芯片601损坏。当温度回升后，防冻橡胶602回弹，从而可以反复吸收尿素结冰的膨胀体积。

一种双压力传感器式气驱尿素喷射系统的控制方法，气路压力传感器对尿素罐内压力进行检测，气路压力传感器信号设为P5。液路压力传感器对尿素喷嘴的喷射压力进行检测，液路压力传感器信号设为P6。控制器ECU通过对气路压力传感器和液路压力传感器检测数据的综合分析，能实现对尿素喷射系统压力的控制和实现尿素喷嘴工作状态的诊断。

尿素喷射系统压力控制包括如下步骤。

步骤11，尿素罐压力控制：控制器ECU通过对进气阀和排气阀开启时机的控制，使尿素罐内的气体压力保持在Pa~Pb的范围之内。Pa优选取值为670KPa，Pb优选取值为730KPa。

控制器ECU对进气阀和排气阀开启时机的控制过程具体如下。

车辆启动后，控制器ECU 8给予进气阀3开启信号，压缩气体由气源9经进气阀3进入尿素罐1，尿素罐1内气压由气路压力传感器5测取，当压力达到Pb后控制器ECU 8控制进气阀3关闭。

如图2所示，随着尿素喷嘴7喷射尿素，尿素罐1内尿素体积减少，气体容积增大，压力降低，当压力降到Pa时，控制器ECU 8再次控制进气阀3打开，保证系统压力稳定在设定范围内。

设定尿素压力上限Pc，优选为750kPa，Pc>Pb，当尿素罐1内气压超出Pc时，控制器ECU 8控制排气阀4开启，以释放尿素罐1内气压，当尿素罐1内压力降至Pb时，关闭排气阀4。

步骤12，尿素喷射参数控制：尿素罐1内尿素由气压驱动经尿素滤清器2过滤后进入尿素喷嘴7，ECU 8根据发动机标定情况设定尿素喷射量。尿素喷嘴7按照1Hz的频率开启，控制器ECU 8通过控制尿素喷嘴7每秒的开启时长T1控制尿素喷射量。

步骤13，气液路压力差异常时的尿素喷射参数控制：当尿素喷嘴开启时，尿素液路压力下降，如图2所示。此时，故液路压力传感器信号P6低于气路压力传感器信号P5，气液路压力差假设为Pd，Pe为尿素正常喷射时气液路压力差的上限值，Pe优选取值为50KPa。

只有当Pd<Pe时，才能进行正常尿素喷射控制。然而，当系统在整车上运行一段时间后，由于尿素中不可避免存在一定量杂质，杂质聚集在尿素滤清器2上，导致尿素滤清器2阻力增大，从而使Pd>Pe。

此时实际上相当于尿素喷射压力降低，如果仍然按照原开启时长控制尿素喷嘴7开启，必然导致尿素喷射量减少、尿素喷雾恶化，这样就容易导致排放超标、排气管路出现尿素结晶，进而导致车辆限扭无力，影响车辆的正常使用。

当Pd>Pe，尿素异常喷射时，为保证车辆正常使用，将尿素喷射参数按如下方法进行调整控制，具体控制方法如下所述。

步骤131：当Pe<Pd<Pf，Pf优选取值为75KPa时，也即Pd取值范围为50~75KPa时，控制器ECU将尿素喷嘴的每秒喷射时长T2调整为T2=k*T1，其中，k为喷射时长修正系数，k=1+Pd/（Pa+Pb）/2。

步骤132：当Pf<Pd<Pg，Pg优选取值为100KPa时，也即Pd取值范围为75~100KPa时，将尿素喷嘴喷射频率由1Hz提高至2Hz时，使气液路压力差Pd下降。如图3所示，图3中的实线表示1Hz喷射频率下的压力变化，图3中的虚线表示2Hz喷射频率下的压力变化。当系统检测到系统压力恢复正常后，仍将尿素喷嘴开启频率设定为1Hz。

步骤133：当Pd＞Pg时，也即Pd取值范围为＞100KPa时，控制器ECU 将尿素罐的压力范围调整为（Pa+Pd/2）~（Pb+Pd/2）；同时，控制器ECU报警提示，需要更换尿素滤清器滤芯。

尿素喷嘴工作状态诊断包括如下步骤。

步骤21，系统电气部件的故障检测：车辆上电启动，控制器ECU 对系统电气部件的电路通断及电阻有无进行检测，系统电气部件包括进气阀、排气阀、气路压力传感器、液路压力传感器和尿素喷嘴；若正常则判断系统电气部件正常，否则判断为相关的电气部件故障。

步骤22，系统建压：当步骤21判断系统电气部件工作正常后，控制器ECU 控制进气阀打开使尿素罐内压力上升，若在时间T3内气路压力传感器信号P5及液路压力传感器信号P6均达到Pb，则判断系统建压成功；其中，T3优选取值为10s。

若在T3时间内气路压力传感器信号P5未达到Pb，则报系统建压失败故障，系统停止工作，故障灯亮；若在T3时间内P6未达到Pb，则报液路堵塞故障，系统停止工作，故障灯亮。

步骤23，气液路泄露故障检测：系统建压成功后，控制器ECU 关闭进气阀及排气阀，监测气路压力传感器信号P5及液路压力传感器信号P6。

a）若气路压力传感器信号P5在时间T5内压力降小于Ph，且Ph≤Pg，Ph优选取值为100KPa；则判断系统气路工作正常。

b）若气路压力传感器信号P5在时间T5内压力降大于等于Ph，T5优选取值为1s，则报系统气路泄漏故障，系统停止工作，故障灯亮。

c）若液路压力传感器信号P6在时间T6内压力降小于Pi，且Pi<Pe，则判断系统液路工作正常。其中，T6优选取值为1s，Pi优选取值为20KPa。

d）若液路压力传感器信号P6在时间T6内压力降大于等于Pi，则报系统液路泄漏故障。

步骤24，尿素喷嘴故障检测：当步骤23中判断系统液路及气路均正常后，控制器ECU 控制尿素喷嘴以0.05s时长开启一次，监测气液路压力差Pd，设定Pd正常值范围为Pj<Pd<Pk，且Pk≤Pe，其中，Pj优选取值为15KPa，Pk优选取值为50KPa。当Pd<Pj，则报尿素喷嘴堵塞故障，系统停止工作，故障灯亮；当Pd>Pk，则报尿素喷嘴泄漏故障，系统停止工作，故障灯亮。

以上尿素喷嘴工作状态诊断全部判断正常后，系统进入正常工作状态。系统正常工作过程中仍然按照步骤21至步骤24实时进行监控，保证系统气路、液路畅通，尿素喷嘴喷射量正常，尿素滤芯阻力在设定范围内。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。