专利名称：用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型一般性地涉及柴油发动机的技术领域，更特别地涉及用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备。
背景技术：
柴油发动机自问世以来，凭借其良好的动力性、经济性和耐久性等优点，在各种动力装置、船舶和车辆上得到了广泛的应用。与汽油机相比，柴油发动机有很多优势废气排放降低，在车速较低时具有更有优势的加速性能，平均燃油消耗低，并且能提供更多的驾驶乐趣。然而，与同等功率的汽油机相比，微粒和氮氧化物排放是尾气排放中的两种最主要的污染物。目前，降低汽车尾气排放以到达排放标准的技术通常是采用排气后处理的方式来降低污染物的排放量，而尿素选择性催化还原法(SCR)是最具现实意义的方法，它能有效地降低发动机尾气中的氮氧化物。在现有柴油发动机的SCR尿素计量喷射系统(在下文中，简称为尿素喷射系统) 中，对尿素压力的控制采用的是PID类型的控制策略，这需要进行大量的标定工作。此外， 基于现有的PID控制策略，在发动机的某些工况条件下，尿素压力的实际值同其目标值之间会产生较大的偏差，这导致了尿素喷射系统中尿素实际喷射量与尿素目标喷射量之间出现较大的误差，从而直接影响了发动机后处理SCR系统中氮氧化物的转化率。正是基于这个原因，开发先进的尿素喷射系统的尿素压力控制策略对提高发动机性能和减少标定工作而言是至关重要的。为此，本领域存在对尿素喷射系统的控制技术进行改进的需要
实用新型内容有鉴于此，本实用新型公开了一种用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的改进技术，以克服或者至少部分消除现有技术中存在的至少一些缺陷。根据本实用新型的一个方面，提供了一种用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备。该设备可以包括工况参数获取装置，配置用于获取与所述尿素喷射系统相关的工况参数；控制量确定装置，其与所述工况参数获取装置耦合，配置用于依据所述工况参数、尿素缓冲腔内尿素压力的目标值和基于表征所述尿素喷射系统的物理模型而设计的控制模型，来确定用于控制所述尿素喷射系统的控制量，所述控制量为尿素泵驱动电动机的转速； 以及驱动信号确定装置，其与所述控制量确定装置耦合，配置用于根据确定的所述控制量， 来确定用于驱动所述尿素泵驱动电机的驱动信号。在根据本实用新型的一个优选实施方式中，该设备可以进一步包括观测值确定装置，其与所述工况参数获取装置和所述控制量确定装置耦合，配置用于依据所述工况参数以及基于所述物理模型而设计的观测器模型，来确定尿素泵腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。[0009]在根据本实用新型的又一优选实施方式中，所述观测器模型通过为所述物理模型中的尿素泵腔内尿素压力表达式和尿素缓冲腔内尿素压力表达式分别增加调整项，并选择使得调整后的所述两个表达式均稳定和收敛的调整因子来设计。在根据本实用新型的再一优选实施方式中，观测值确定装置可以进一步配置用于依据所述工况参数以及所述观测器模型，来确定尿素缓冲腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。在根据本实用新型的另一优选实施方式中，所述工况参数获取装置可以配置用于获取包括尿素泵柱塞冲程、尿素泵腔内尿素压力、尿素缓冲腔内尿素压力、尿素泵尿素流入流量、尿素泵尿素流出流量、尿素喷射器尿素喷出流量和尿素缓冲腔尿素回流流量的工况参数。在根据本实用新型的又一优选实施方式中，物理模型可以通过以下各项来表征 尿素泵尿素流入流量表达式；尿素泵尿素流出流量表达式；尿素泵腔内尿素压力表达式； 尿素缓冲腔内尿素压力表达式；尿素缓冲腔尿素回流流量表达式；以及尿素喷射器尿素喷出流量表达式。在根据本实用新型的再一优选实施方式中，控制模型可以包括配置用于产生前馈控制分量的前馈控制器。在根据本实用新型的另一优选实施方式中，所述前馈控制器产生可以由下式表示的前馈控制分量《FF
_5] CDff =——[Y1Qin -Y2Qr + γ3( Qinj + Qs)]其中Yl、Υ2、“和Y 4为控制系数，且基于获取的所述工况参数和所述物理模型相关的常量参数而确定；r为驱动电机与尿素泵柱塞之间的连接机构的曲拐半径；Qin为尿素泵尿素流入流量；仏为尿素泵尿素流出流量；Qinj为尿素喷射器尿素喷出流量；以及A为尿素缓冲腔尿素回流流量。在根据本实用新型的又一优选实施方式中，所述控制模型可以包括配置用于产生反馈控制分量的反馈控制器。在根据本实用新型的再一优选实施方式中，所述前馈控制器产生可由下式来表示的反馈控制分量ωρΒ
tool 9] coBF = (k e + Jcl \e + kde)
η4 J其中e为所述尿素缓冲腔内尿素压力的实际值与其目标值之间的误差；Y4为控制系数，且基于获取的所述工况参数和所述物理模型相关的常量参数而确定；r为驱动电机与尿素泵柱塞之间的连接机构的曲拐半径；以及kp，Iii和kd分别为针对比例控制、积分控制和微分控制的控制系数，且kp，Iii和kd被选择为使尿素喷射系统稳定。根据本实用新型的实施方式，特别是各个优选实施方式，对尿素喷射系统的控制是基于表征柴油发动机的尿素喷射系统的物理模型而进行的。由于柴油发动机的尿素喷射系统的物理模型适用于该系统在任何工况下的工作过程，所以本实用新型基于物理模型的技术方案可以达到较为精确的尿素喷射压力并实现快速的系统响应，进而可以减小尿素压力的实际值同其目标压力之间的偏差，并且在优选的实施方式中可以使其最小。此外，基于尿素喷射系统的物理模型所设计的控制模型均可以定量化，因而大大减少了针对控制模型的标定工作量，改善了发动机尿素喷射系统的效率和功能性。
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本实用新型的上述以及其他特征将更加明显，本实用新型附图中相同的标号表示相同或相似的部件。在附图中图1示意性地示出了柴油发动机的尿素喷射系统的结构示意图。图2示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备的方框图。图3示意性地示出了根据本实用新型的柴油发动机的尿素喷射系统的闭环反馈控制的示意性方框图。图4示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图通过实施方式对本实用新型提供的用于控制尿素喷射系统的设备和方法进行详细的描述。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本实用新型，而并非以任何方式限制本实用新型的范围。另外，在本文中，所使用的术语“工况参数”表示任何能够指示发动机的(目标或实际)物理状态或运行状况的物理量的值。而且，在本文中，“参数”与其所表示的物理量可以互换使用。例如，“指示尿素流量的参数”与“尿素流量”在本文中具有等同的含义。而且，在本文中，假设P表示某个特定的物理量，则户表示P对时间的导数，即P随时间的变化率；/表示该物理量P的观测值。此外，在本文中，所使用的术语“获取”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如采集、测量、读取、估计、估算、观测等等；所使用的术语“测量”包括目前已知或将来开发的各种手段，例如直接测量、读取、计算、估算等等手段。接下来，将首先参考图1来描述柴油发动机的尿素喷射系统的结构示意图。应当理解，图1中仅示出柴油发动机的尿素喷射系统中与本实用新型有关的部分，事实上该尿素喷射系统还可以包括任意数目的其他部件。如图1所示，尿素喷射系统包括尿素箱101、尿素泵入口阀102、尿素泵103、尿素泵出口阀104、驱动电机106、尿素缓冲腔107、尿素喷射器108、尿素喷射器驱动电磁阀109 以及尿素控制单元(DCU) 110。在尿素箱101中容纳着尿素溶液，其处于大气压力之下。尿素箱101通过入流管 123与尿素泵103的泵腔连通。并且在与尿素泵接口的入口处设置有尿素泵入口阀102。在尿素泵103腔内的压力小于大气压时，大气压力将克服入口阀弹簧111所提供的预紧力使得该入口阀打开，从而使得尿素溶液被吸入到该尿素泵的腔中。而在尿素泵腔内的压力大于大气压时，该入口阀将关闭。因此，通过该入口阀102，为尿素提供了从尿素箱101至尿素泵103的单向通路。尿素泵103包括尿素泵柱塞105，该尿素泵柱塞105由驱动电机106经由尿素泵机构连杆112(即尿素泵柱塞105与驱动电机106之间的连接机构)来驱动。当驱动电机 106响应于来自尿素控制单元110的驱动信号131，驱动尿素泵柱塞105向下运动时，将在尿素泵腔内形成真空从而使得尿素泵腔内部的压力小于大气压，以由此使得入口阀102打开，将尿素溶液吸入到尿素泵腔内部。另一方面，当驱动电机106响应于来自尿素控制单元 110的驱动信号131，驱动尿素泵柱塞105向上运动时，将在尿素泵腔内形成高压尿素溶液。 此时，尿素泵腔内部的压力远大于大气压，因而入口阀102关闭。同时，在尿素泵腔内部的压力大于尿素缓冲腔107中的压力时，将使得尿素泵出口阀107打开，从而使得尿素溶液进入尿素缓冲腔107中。而在尿素泵柱塞107向下运动时，尿素泵腔内的压力将小于尿素缓冲腔107中的压力，因而尿素泵出口阀104关闭。因而，与尿素泵入口阀102类似，该尿素泵出口阀104提供了尿素从尿素泵103到尿素缓冲腔107的单向通路。尿素缓冲腔107用于储存高压尿素溶液。一般而言，高压尿素溶液的压力应保持在9个大气压。然而，需要说明的是，针对不同的尿素喷射系统，该压力可以略有不同。尿素缓冲腔可与尿素泵喷射器108连通。尿素泵喷射器108是尿素喷射系统中的关键部件。喷射器驱动电磁阀109在尿素控制单元110所提供的驱动信号134的驱动下， 打开或者关闭电磁阀，从而使得尿素溶液通过尿素喷射器108喷出，进入到SCR管道中。此外，尿素箱中安装有测量元件(例如温度传感器，或者液位传感器)，以将所测量的尿素箱温度和液位信号132提供给尿素控制单元110。另外，在尿素泵缓冲腔中也安装有测量元件(例如压力传感器)，以将测量的尿素缓冲腔中的压力信号133发送给尿素控制单元110。尿素控制单元110将基于尿素系统的这些工况参数和预定的控制策略，为尿素泵驱动电机106和尿素喷射器驱动电磁阀109提供驱动信号，以便实现目标的尿素喷射压力。此外，在如图1所示的系统中，为了避免尿素溶液结晶，尿素泵缓冲腔107中的尿素溶液将经过回流管121而流回到尿素箱101中，从而在尿素箱101和尿素缓冲腔107之间形成了一个循环。从图1及上面对尿素喷射系统的描述可见，尿素喷射系统100包括大量部件，其工况非常复杂，因此想要通过控制尿素泵驱动电机106来精确地控制尿素泵缓冲腔107中的尿素压力是非常困难的。因此，为了解决这一技术问题，本实用新型人设计了一种用于控制尿素喷射系统以便得到期望的尿素压力的技术方案。本实用新型人将尿素喷射系统的物理模型知识应用于系统控制，基于对尿素泵、尿素缓冲腔、尿素喷射器的相关参数的模型知识的运用来实现现有技术中无法实现的有效控制。在下文中，将参考特定的实施方式对本实用新型所提供的技术方案进行详细的描述，以使得本领域技术人员根据此处的公开，能够容易地理解和实现本实用新型。首先，将参考图2来描述本实用新型所提供的用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备。该图2示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的用于控制尿素喷射系统的设备的示例方框图。本领域技术人员可以理解，该设备200可以具体实施为例如图1 所示的电控单元118，然而，本实用新型并不局限于此，而是也可以作为一个独立的控制设备来实现。如图2所示，控制设备200可以包括工况参数获取装置201、控制量确定装置202、 信号生成装置203，并且优选地还包括观测值确定装置204。该工况参数获取装置201与控制量确定装置202耦合，配置用于获取与该尿素喷射系统相关的工况参数，以便提供给该控制量确定装置202。该控制量确定装置202耦合至信号生成装置203，且被配置为基于来自所述工况参数获取装置201的工况参数、尿素缓冲腔内尿素压力的目标值以及基于尿素喷射系统的物理模型而设计的控制模型确定控制量。在下文中，将首先结合实例来描述一种示例实施方式以说明该尿素喷射系统的物理模型的建立。然而，需要说明的是，在根据本实用新型的实施方式中，可以采用任何适当的方式来建立表征该尿素喷射系统的物理模型，而并不仅限于此处给出的示例性实施方式。在该示例性实施方式中，尿素喷射系统的物理模型可以通过以下各项来表征尿素泵尿素流入流量表达式；尿素泵尿素流出流量表达式；尿素泵腔内尿素压力表达式；尿素缓冲腔内尿素压力表达式；尿素喷射器尿素喷出流量表达式；以及尿素缓冲腔尿素回流流量表达式。接着将详细给出这些表达式，然而需要说明的是，这只是出于示例的目的，本实用新型并不局限于此。尿素喷射系统的物理樽型为了考虑尿素喷射系统主要的机械、液压和控制部件之间的物理关系，同时又能够利用给出的物理模型设计基于模型的尿素压力控制模型，首先进行如下假设·忽略尿素喷射系统的泄漏·忽略温度变化对尿素密度的影响·假定尿素流量系数不随温度和压力的变化而改变在上述假设下，可以得到如下的一些关系表达式。1.尿素泵尿素流入流量表达式针对尿素泵，例如可以得到关于尿素流入流量的如下表达式
权利要求1.一种用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备，其特征在于，包括工况参数获取装置，配置用于获取与所述尿素喷射系统相关的工况参数；控制量确定装置，其与所述工况参数获取装置耦合，配置用于依据所述工况参数、尿素缓冲腔内尿素压力的目标值和基于表征所述尿素喷射系统的物理模型而设计的控制模型， 来确定用于控制所述尿素喷射系统的控制量，所述控制量为尿素泵驱动电动机的转速；以及驱动信号确定装置，其与所述控制量确定装置耦合，配置用于根据确定的所述控制量， 来确定用于驱动所述尿素泵驱动电机的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括观测值确定装置，其与所述工况参数获取装置和所述控制量确定装置耦合，配置用于依据所述工况参数以及基于所述物理模型而设计的观测器模型，来确定尿素泵腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括观测值确定装置，其与所述工况参数获取装置和所述控制量确定装置耦合，配置用于依据所述工况参数以及基于通过为所述物理模型中的尿素泵腔内尿素压力表达式和尿素缓冲腔内尿素压力表达式分别增加调整项、并选择使得调整后的所述两个表达式均稳定和收敛的调整因子而设计的观测器模型，来确定尿素泵腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括观测值确定装置，其与所述工况参数获取装置和所述控制量确定装置耦合，配置用于依据所述工况参数以及基于所述物理模型而设计的观测器模型，来确定尿素泵腔内尿素压力的观测值以及尿素缓冲腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括观测值确定装置，其与所述工况参数获取装置和所述控制量确定装置耦合，配置用于依据所述工况参数以及基于通过为所述物理模型中的尿素泵腔内尿素压力表达式和尿素缓冲腔内尿素压力表达式分别增加调整项、并选择使得调整后的所述两个表达式均稳定和收敛的调整因子而设计的观测器模型，来确定尿素泵腔内尿素压力的观测值以及尿素缓冲腔内尿素压力的观测值，以供所述控制量确定装置来确定所述控制量。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制模型包括配置为产生前馈控制分量的前馈控制器。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制模型包括配置为产生反馈控制分量的反馈控制器。
专利摘要公开了一种用于控制柴油发动机的尿素喷射系统的设备。该设备包括工况参数获取装置，用于获取与尿素喷射系统相关的工况参数；控制量确定装置，其与工况参数获取装置耦合，用于依据工况参数、尿素缓冲腔内尿素压力的目标值和基于表征尿素喷射系统的物理模型而设计的控制模型，来确定用于控制尿素喷射系统的控制量，该控制量为尿素泵驱动电动机的转速；以及驱动信号确定装置，其与控制量确定装置耦合，用于根据确定的控制量，来确定用于驱动尿素泵驱动电机的驱动信号。根据本实用新型的实施方式适用于系统在任何工况下的工作过程，可实现较为精确的尿素喷射压力和快速响应，减少尿素压力与其目标值的偏差，减少标定工作量，并改善系统的功能。
文档编号F01N9/00GK202228163SQ20112012002
公开日2012年5月23日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者佟德辉, 孙少军, 孙永亮, 胡广地, 郭圣刚 申请人:潍柴动力股份有限公司